国家卫星气象中心气象卫星资料存档系统

论述了国家卫星气象中心的气象卫星资料存档系统构成、存储数据的编目组织、应用软件的逻辑关联结构、层次框架结构及组织结构 ,介绍了应用软件主要功能和流程图 ,对存档系统建设中的经验进行了总结。

多源极轨卫星微波温度计资料实时区域同化系统

基于中尺度数值预报模式WRF和WRFDA同化系统,实现多源极轨卫星微波温度计资料实时区域同化,并对同化产品进行评估和应用。2018年同化试验结果表明:通过质量控制和偏差订正,AMSU-A资料第5~9通道亮温观测增量O-B(观测值O和背景场的正演辐射模拟值B的差值)的标准差有效降低,同化后各通道亮温分析残差O-A(观测值O和分析场的正演辐射模拟值A的差值)的标准差有效降低。同化预报产品被应用在暴雨强对流个例和台风个例中,取得良好效果。

数值预报中气象卫星资料同化前处理技术进展

在数值天气预报变分同化中,利用同化前处理将卫星资料完成有效信息优选、资料拼接和稀疏化、初级通道选择、下边界参数耦合等处理,实现卫星资料同化对数值天气预报业务的正贡献,是决定海量卫星资料同化效率、质量和效果的重要环节。针对多种格式的卫星资料,中国气象局研发标准格式的高时效卫星资料拼接等技术,有效减小整轨卫星资料时间滞后对数值天气预报业务的负面影响。对于风云气象卫星资料,将云和降水检测、资料质量分析等处理置于同化前处理中,实现多光谱资料融合的同化预质量控制,保证了风云卫星微波温度探测资料和红外高光谱资料的同化正贡献。利用统一资料格式对预处理卫星资料进行再处理,拓展针对卫星成像和主动探测资料的处理,将卫星资料同化的部分质量控制功能置于卫星资料同化前处理中,是风云卫星资料同化前处理技术发展的重要趋势。

卫星微波高层探测通道定标精度评估

全球/区域数值预报同化系统所需要的重要资料来源之一是卫星微波遥感的亮温数据。微波遥感仪器的高层大气(平流层中上部)探测通道亮温的定标精度,受多种因素影响,存在一定的偏差。由于高层大气高精度探测资料相对比较匮乏,因此对微波遥感的高层大气亮温的精度检验评估成为重要研究内容。本文对在轨运行的微波温度遥感器AMSU-A、ATMS和FY-3D MWTS-2在2020年观测数据进行了定标精度检验评估,综合使用了三种评估方法进行了较为全面的分析,即基于掩星资料、再分析资料的辐射传输模拟比较和同类仪器交叉定标比较。三种检验评估方法从不同角度揭示了各仪器高层大气探测通道观测资料的误差特征,分析了对比误差的可能来源。三种评估方案给出的高层通道亮温的偏差存在差异,但基本结果变化趋势是一致的,即高层通道相比中低层通道,存在较大的噪音。除了交叉定标方法,其它两种方法都检验出了高层资料偏差的季节变化;整体而言,AMSU-A表现要优于MWTS-2和ATMS。本研究评估的高层亮温偏差的时间、空间变化特征可为微波高层大气资料的同化、气候应用提供参考。

一种基于静止卫星的海面风矢量估测方法

参考大气动力学理论中风随高度、纬度的分布特征,提出一种基于静止卫星低层大气导风利用全连接神经网络估测海面风的新思路,构建基于卫星遥感数据的全连接神经网络海面风矢量估测模型,实现基于大气导风的海面风估测。基于GOES-16先进基线成像仪可见光通道0.5 km分辨率大气导风开展试验,并与2021年1月1日—12月31日北美近海岸和海上93个美国国家数据浮标中心浮标数据比对,结果表明:全连接神经网络估算得到基于大气导风的海面风风速均方根误差不大于1.5 m·s^(-1),较传统模型降低0.24 m·s^(-1)。将模型应用于飓风场景,通过与2022年3个北大西洋飓风和3个东太平洋飓风共13个时次的再分析数据比对表明:基于大气导风的海面风风速均方根误差不大于1.1 m·s^(-1),相较于传统经验模型降低0.04 m·s^(-1),在低风速区无系统性偏差。

基于FY-3D卫星的微波与光学陆表温度融合研究

目前还没有基于国产卫星的1 km分辨率的全天候陆表温度(LST)产品,FY-3D卫星提供了中分辨率成像仪(MERSI)Ⅱ型1 km分辨率晴空LST产品与微波成像仪(MWRI)25 km全天候LST产品,因此可结合两者优势开展全天候1 km分辨率LST的融合研究。基于地理加权回归(GWR)方法,选择海拔、FY-3D归一化植被指数和归一化建筑指数等建立GWR模型对FY-3D/MWRI 25 km LST降尺度到1 km,并与MERSI 1 km LST进行融合;同时针对MWRI轨道间隙,利用前后1天融合后的云覆盖像元1 km LST进行补值,可以得到接近全天候下的1 km LST。基于以上融合算法,选择了中国区域多个典型日期FY-3D/MERSI和MWRI LST官网产品进行了融合试验,并利用公开发布的全天候1 km LST产品(TPDC LST)对FY-3D 1 km LST融合结果进行了评估。研究结果表明,基于GWR法的LST降尺度方法,可以有效避免传统微波LST降尺度方法中存在的“斑块”效应和局地温度偏低等问题;LST融合结果有值率从融合前的22.4%~36.9%可提高到融合后69.3%~80.7%,融合结果与TPDC LST的空间决定系数为0.503~0.787,均方根误差为3.6~5.8 K,其中晴空为2.6~4.9 K,云下为4.1~6.1 K;分析还表明目前官网产品FY-3D/MERSI和MWRI LST均存在缺值较多与精度偏低等问题,显示其存在较大改进潜力,这有利于进一步改进FY-3D LST融合质量。

卫星遥感北大西洋风暴“尤尼斯”生成和发展特征

2022年2月中旬,北大西洋冬季风暴“尤尼斯”(Eunice)给欧洲中、西部带来严重自然灾害。以卫星观测数据为主,研究了“尤尼斯”发生的环境场、卫星水汽图像干侵入特征、对流层中高层位涡强迫对爆发性发展的影响等。结果表明:“尤尼斯”活动期间,北半球高纬度西半球偏冷、东半球偏暖,极涡偏向北美大陆,北美极区附近平均气温偏低。“尤尼斯”的生成和北美极区附近极涡分裂南下的冷空气沿着西风带东传有关。爆发性发展期间,海平面气压下降率约40 hPa/(24 h),远超爆发性发展指标(24 hPa/(24 h)),且出现在海温正距平区。格陵兰岛南部气旋提供的极区冷空气对爆发性发展尤为重要,该冷空气在北大西洋洋面形成强西北风转偏西风,表现为排列整齐的大范围细胞状积云一直延伸至风暴中心附近,卫星水汽图像上表现为快速增强的干侵入特征,并伴有高位涡异常。发展至最强阶段,高位涡向下伸展,400 hPa最强高位涡区位于风暴中心的正上方,500 hPa以下高位涡向东南方向倾斜,并伴随着对流层中、下层强下沉运动,下沉运动为低空风速增强提供了一定的高空能量来源,高位涡侵入的下方也有利于低层气旋式环流发展。

EASE-Grid投影风云卫星产品地理信息写入方法

风云卫星遥感数据服务网的卫星遥感产品数据集中,风云三系列气象卫星遥感产品数据集中很多采用的是等面积可伸缩地球网格(EASE-Grid)投影方式进行处理,实际应用中对使用者具有较高的数据处理能力要求,不利于遥感产品数据集的省级应用。基于数据集使用中的这些问题,该文以FY3D雪水当量数据集产品为例,采用程序化方法对EASE-Grid投影产品数据集的地理信息进行写入,通过构建地理坐标系参考对象和地理信息目录,将数据矩阵中写入地理信息并以GeoTiff格式文件输出。结果表明,经过该方法处理过的产品数据可与矢量文件实现准确的经纬度信息的匹配,降低了数据分析处理的难度。该方法具有较好的适用性,对于EASE-Grid的三种不同的投影方式均适用,可在一定程度上提高卫星遥感产品数据集的省级科研与应用水平。

气象小卫星发展的回顾与展望

气象卫星对地观测是大气、空间气象要素观测的重要手段.近年来,气象小卫星发展迅猛,引起对地观测领域的广泛关注.回顾了目前国内外具有重要影响力的气象小卫星星座的设计思路和布局,在已经实现的对降水、云雨粒子和大气温湿度廓线等重要气象要素的探测能力基础上,提出并阐述了未来中国气象小卫星的发展构想.中国将打造具有前沿技术验证能力、科学试验能力、星座协同和即时定制能力的气象小卫星星座,与大平台系列风云气象卫星互联互通,共同作为数字太空系统的天基感知节点,形成大小结合、星地统筹、协同观测、综合应用的气象卫星发展新格局,为气象高质量发展提供新的技术支撑.

吉林一号光谱卫星对月观测图像定位方法

明确遥感图像中像元位置是数据应用的基本前提,结合地球轨道卫星获得的高分辨率月球视图,有望通过月表特定区域的辐亮度直接标定卫星仪器。本文针对吉林一号光谱02星(JL1GP02)对月观测图像提出了一种不严格依赖仪器参数的月球图像坐标计算方法,通过观测时刻的卫星视角天平动,以及月球和仪器扫描的方位关系,计算了二维图像像元的月面坐标,并通过创建模拟图像评估了几何定位质量。结果表明,不同分辨率月球观测图像的几何偏差通常在1.3个像元之内,约两年的时序结果非常一致且总体服从正态分布也表明定位结果的可靠性。本文方法可以避免复杂的坐标转换,并可在仪器内方位参数未知的情况下实现月球图像像元级几何定位。

气象卫星大气导风研究进展和未来展望

本文主要回顾了气象卫星导风的发展历程并对未来发展方向进行了阐述.引言部分首先回顾发展历程并介绍了导风发展史上的一些里程碑事件,分别对中国、美国、欧洲以及日本的气象卫星导风情况进行了简要介绍.第一节详细总结了多种传统气象卫星导风算法的特点和关键技术,介绍了交叉相关法、形态辨认法以及亚像元法.此外,还描述了五种较为常用的高度指定算法,对传统导风追踪算法以及高度指定算法的原理进行了详细地描述.第二节归纳了最近几年基于计算机视觉和机器学习技术发展起来的多种新体制的气象卫星导风产品,分别介绍了光流法、三维导风以及中尺度导风的优势和研究背景.最后,对比了传统与新型气象卫星各种导风算法的优缺点,展望了未来的发展趋势和应用前景.特别是指出光流法导风有着空间分辨率高、三维导风能得到更多层风场的信息、中尺度导风则能对特殊天气如热带气旋实现高时空分辨率的观测的优势,并提出三维导风与中尺度导风的应用研究将是未来重要发展方向.

风云二号02批气象卫星数据处理中心软件工程方法

数据处理中心是风云二号02批静止气象卫星地面应用系统的核心业务处理系统之一。该文描述了风云二号02批卫星的业务特征;对科研阶段研制的数据处理中心应用软件在稳定业务运行方面尚有的欠缺做出分析;根据软件工程的再工程理论,提出使用逆向工程方法,进行数据、代码、接口和文档的重构;对数据处理中心的业务流程进行构造,对业务系统进行逻辑层次的结构设计。

中国首颗降水测量卫星(风云三号G星)的探测能力概述与展望

2023年4月16日09时36分(北京时)中国首颗降水测量卫星—风云三号G星(FY-3G)成功发射,本文在介绍风云三号降水星技术特征的基础上,着重分析FY-3G降水探测能力及在暴雨监测中的应用前景。结果表明:卫星轨道高度407 km、倾角50°,装载了Ka/Ku双频降水测量雷达、微波和光学成像仪的FY-3G卫星,可对影响中国大部分地区的台风、暴雨、强对流等灾害性天气系统三维结构进行探测。FY-3G在设计层面上,降水探测能力与目前美国第二代全球降水测量计划(GPM)核心星(GPMCO)相当,在载荷类型、数量、通道设置等方面优于GPMCO卫星。FY-3G业务运行后将与风云三号上午、下午和黎明星等其他极轨气象卫星以及风云高轨静止卫星组成风云降水探测星座体系,提升风云卫星星座的降水总体探测能力,为气象防灾减灾提供更强的基础支撑。

基于PCA-DNMFSC的卫星异常检测方法研究

为了实现卫星的智能化健康管理,提出基于主成分分析-动态稀疏化非负矩阵分解(PCA-DNMFSC)进行卫星遥测异常的自动检测。DNMFSC将卫星遥测数据分解成基向量,并使基矩阵稀疏化,致使产生异常的特征凸显,从而实现异常的检测。考虑到卫星遥测数据时序相关性,提出样本数据基于前l时刻的观测数据进行动态化表示;考虑到DNMFSC对基矩阵和系数矩阵的初始化是随机的,影响算法稳定性,采用主成分分析法(PCA)对DNMFSC进行初始化处理;通过构建的统计量的累计贡献率确定异常由哪些变量产生,从而识别异常。通过不同卫星的实际数据进行实验验证,结果表明利用正常的观测数据,可以实时检测卫星遥测数据出现的异常,有效避免故障漏报。

静止轨道风云四号气象卫星模拟器研究

为满足气象卫星地面系统工程研制和应用过程中的卫星模拟仿真需求,分析了新一代静止轨道气象卫星的功能特点和仿真需求,采用模块化集成原则设计了一种气象卫星模拟器技术架构,实现卫星平台、有效载荷和星地接口的综合模拟。研究了遥测遥控、高速数传、姿轨控和数据管理等卫星功能的模拟方法,实现卫星平台系统核心功能和接口模拟,讨论了有效载荷的功能模拟与载荷数据仿真方法,模拟仪器工作模式,并行实时输出载荷仿真数据。根据风云四号气象卫星星地系统特点,研究了系统评估方法和联试方法,从功能完整性、设计指标符合性、系统可用性等方面对系统效益进行评价。综合评估结果表明,该系统能够达到设计和应用要求。

风云三号卫星监测海洋浒苔、赤潮和溢油

风云卫星对海洋环境灾害(浒苔、赤潮和溢油)的定量遥感监测业务能力需要提升。利用风云三号D星中分辨率光谱成像仪MERSI-II资料以及部分高分卫星数据,探索解决大气校正和云检测两个技术难点问题的方法,分别依据浒苔、赤潮和溢油的光谱特征,建立相关的遥感监测算法,实现对海洋浒苔、赤潮和溢油的判识,并在相应个例中取得较好的监测效果。

基于风云四号静止气象卫星的局地对流智能化预警模型及应用

强对流等灾害性天气给人民生活和社会经济发展造成了严重影响,准确理解强对流发生的机理及提高其预报效果仍然是具有挑战性的工作。综合利用我国自主研发的新一代地球静止轨道气象卫星风云四号高时空分辨率观测数据和中国气象局全球数值预报(China Meteorological Administration-Global Forecast System,CMA-GFS)格点化产品,研究局地对流发生前大气环境场的特征和关键影响因子的变化。分析表明:卫星观测得到的云顶冻结信息以及表征大气的不稳定性、水汽含量等数值模式变量是预测局地对流发生的重要因子。利用面积重叠法和光流法对云团进行连续追踪,采用机器学习技术建立了中国区域局地对流发生和强度分级(弱、中、强)预警模型2.0版本(Storm Warning In Pre-convective Environment Version 2.0,SWIPE-V2.0),实现了局地对流的智能化预警。独立检验结果表明:模型对6个不同分区的雨季8 mm/h以下强度降水相关的对流判识准确率在0.5~0.85,对8 mm/h以上强度降水相关的对流判识准确率在0.69~0.91之间,具有较好的提前预警效果和实际应用价值。目前,SWIPE-V2.0已投入实时应用。

风云卫星的掩星干大气温度廓线精准度特征

风云三号气象卫星C星/D星/E星的掩星接收机接收GPS和北斗导航卫星信号,形成掩星事件,进而反演得到大气温度廓线。利用2016—2022年FY-3C/3D/3E GPS和北斗掩星干大气温度廓线,通过与ERA5再分析资料对比,分析掩星干大气温度的精准度特征。结果表明:掩星干大气温度廓线在200 hPa至20 hPa间精度最高,标准偏差约为1 K,且GPS与北斗掩星的误差特征相近。在稳定度方面,FY-3C GPS掩星干大气温度平均偏差线性变化趋势为-0.0055 K·a^(-1),与国外同类掩星资料稳定性相当。因2021年初掩星天线多径效应订正,FY-3D GPS掩星干大气温度与ERA5再分析资料的平均偏差出现明显跳变,平均偏差值从-0.154 K降为-0.007 K,负偏差显著减小。总体上,FY-3C GPS掩星干大气温度廓线长序列稳定度较好,北斗掩星干大气温度廓线精度能够达到或优于GPS,风云极轨卫星序列的GPS和北斗掩星在长序列稳定性上具有良好的应用前景。

基于密度矩阵和卫星修正的台风中心定位仿真

针对当前方法在对台风中心进行定位时存在准确性不高、收敛速度较慢的问题,提出一种新的台风中心定位方法,采用能量系数、熵值、对比度、相关系数以及局部平稳系数描述台风卫星云图的纹理特征,求得台风卫星云图的密度矩阵,从中提取云图灰度平均纹理特征、小梯度优势特征和梯度均匀性纹理特征,并对其进行阈值化处理和正规化处理,完成台风卫星云图的预处理;构建台风中心定位最优目标函数并进行求解,完成台风中心初步定位,在此基础上剔除不合理台风中心位置坐标,提高台风中心定位精度。实验结果证明,所提方法在进行台风中心定位时,其定位精确度相比传统方法有很大提高,另外完成台风中心定位所需迭代次数明显减少。以上实验结果说明所提方法能够实现不同类型台风中心的准确定位,且收敛速度快。