风云气象卫星寒潮灾害天气监测应用

冬季我国寒潮天气频发,寒潮过程中大风、雨雪和降温等天气对农业、交通、电力等造成影响,往往引发严重的气象灾害。风云四号B星(FY-4B)和风云三号E星(FY-3E)分别于2021年6月3日和7月5日发射成功,经过在轨测试,2022年正式投入业务应用,FY-4B搭载的快速成像仪(GHI)实现分钟级快速观测,FY-3E搭载的风场测量雷达是风云系列气象卫星的第一个主动遥感仪器,实现对洋面风速和风向的观测。结合风云系列其他卫星,为我国冬季寒潮灾害性天气监测服务提供多种观测信息。目前,通过风云气象卫星已开展寒潮监测服务,为防灾减灾服务。

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.

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.

重新认识太阳(六) 未来的天气预报:空间天气预报

“我们的征途是星辰大海”,这是面对未知且浩瀚的宇宙时,人类发自内心深处的呼喊,更是努力前进的方向。随着人类进入太空时代,越来越多空间活动得以开展,新的问题不断出现。经过近几十年的高速发展,在面对太阳爆发活动带来的巨大影响时,人类已经从最初的不知所措变得应对自如了。

WMO空间计划与风云气象卫星的国际化发展趋势

经过50年的发展,我国不仅成为世界上少数几个同时拥有极轨和静止轨道气象卫星的国家,风云卫星还开放共享数据,成为全球空间观测系统的重要组成部分。自主可控的国产化道路和开放合作的国际化道路是风云卫星高质量发展的双翼,本文结合世界气象组织(WMO)2009年发布的全球观测系统(GOS)2025年远景规划,重点回顾了进入新世纪之后我国风云气象卫星全面接轨国际对地观测系统的历程。对标WMO 2019年发布的全球综合观测系统(WIGOS)2040年远景规划,探讨了我国气象卫星未来应该把握的发展方向和重点关注的技术趋势。

FY-4A数据在2021年1月6—8日寒潮监测中应用

基于静止气象卫星图像解译理论和位涡理论,应用FY-4A水汽图像、干涉式大气垂直探测仪(GIIRS)产品和欧洲中心第五代大气再分析资料(ERA5)对2021年1月6—8日我国中东部地区寒潮天气进行分析。结果表明:高空冷涡和地面冷高压是影响此次寒潮天气的主要影响系统,冷空气5日08:00从贝加尔湖南部向东、向南加强发展,8日20:00减弱;对比FY-4A/GIIRS与ERA5850 hPa 24 h变温数据发现:两种数据反映的对流层低层冷空气东移南下特征和正负变温区域分布特征基本一致,FY-4A/GIIRS 850 hPa 24 h负变温中心和0℃等变温线的位置与ERA5数据接近,FY-4A/GIIRS 850 hPa 24 h变温中心值强度略大于ERA5。水汽图像暗区变暗附近的高层位涡的增加激发高层气旋性环流后侧下沉运动增强,干空气下沉造成了地面高压增强;500 hPa冷涡中心附近绝对涡度增加是引起冷空气增强的原因之一;冷空气急剧增强时段,中低层位涡的加大引起地面冷空气堆积,寒潮增强。FY-4A/GIIRS温度产品反映的冷空气移动特征与位涡理论对冷空气增强原因分析结果一致,说明应用FY-4A/GIIRS温度产品能够有效监测分析寒潮冷空气演变特征。

大气环境监测卫星星载激光雷达二氧化碳遥感反演方法及精度验证

目前卫星被动遥感二氧化碳存在空间覆盖不足、时空分辨率不够、地球两极和夜间缺少数据等问题,对二氧化碳的源汇研究带来很大的不确定度,同时也制约着利用卫星遥感温室气体探究全球变化。2022年4月我国发射了全球首颗搭载主动激光雷达探测二氧化碳的卫星-大气环境卫星。其上搭载了的气溶胶和碳探测激光雷达(ACDL),利用1572 nm的两束激光,可以反演干空气中加权平均的二氧化碳柱浓度。初步与香河站(全球碳柱总量观测网)站点比对的平均偏差为0.48×10-6,Sodankyla(全球碳柱总量观测网)站点的比对的平均偏差为0.8×10-6,精度超过被动遥感卫星。

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。

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。

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。

沙尘暴天气下云的飞机观测研究

沙尘暴天气下云的飞机观测极其缺乏,为了研究亚洲中蒙地区沙尘气溶胶对云的影响,利用北京地区云的综合外场观测试验数据,分析2009年4月24日由蒙古气旋和冷锋造成的强沙尘暴天气下云的观测个例,对比分析沙尘云和清洁云垂直观测。结果表明:从亚洲中蒙地区输送的沙尘气溶胶是华北区域重要的冰核来源,可被垂直输送至云顶以上3200 m高度,并通过改变冰晶形成过程影响云顶温度(-6~-3℃)较高的积云性层积云微物理结构。在相同温度下,沙尘云中冰晶平均数浓度较清洁云增加近10倍,液态水含量减少约1倍,云中形成大量小冰晶粒子,凇附过程受到抑制,降水粒子平均数浓度较清洁云中明显减少10倍以上,无论云滴、冰雪晶还是降水粒子谱宽均较清洁云明显变窄,并最终减弱降水,对华北区域的天气和气候产生重要影响。

新一代静止气象卫星测定轨技术的发展研究

中国新一代静止气象卫星—风云四号(FY-4),包括光学和微波探测两种类型的卫星,将呈现多颗卫星同时在轨的状态.测距、轨道确定和预报(称为测定轨)是卫星图像导航、姿态机动和轨道管理的支撑系统,具有高精度和快速响应的特点.针对地面测距定轨系统在发展中表现出来的问题和局限性,以及静止气象卫星采用全球导航卫星系统(GNSS)测定轨的精度和时效性问题,进行了仿真,获得了北斗导航系统(BDS)、全球定位系统(GPS)和它们组合的连续可同时接收的卫星数量、定位精度等参数.分析表明,GNSS测定轨满足新一代静止气象卫星发展要求.

用于空间科学研究的基于磁阻传感器的矢量磁强计

提出一种用于空间科学研究的基于低资源消耗各项异性磁阻传感器的矢量磁强计。该矢量磁强计的探测范围为±65000 nT,–3 dB带宽为DC~10 Hz的磁场波,噪声功率谱密度≤0.2 nT/Hz^(1/2)@1 Hz,非线性误差≤3.6‱,非正交性误差≤1.2‱。该磁强计搭载运行于太阳同步轨道的风云三号气象卫星(FY-3E),在轨初步探测结果表明,该磁强计具备探测空间磁场扰动(例如极光椭圆区的场向电流(20~60 nT))的能力。

2021年2月北美极端低温暴雪的卫星遥感监测

利用气象卫星数据和欧洲中期天气预报中心ERA5再分析数据,在开展卫星数据误差分析的基础上,研究2021年2月北美冬季风暴乌里发生的气候背景、发展演变、极涡活动对乌里的触发作用及造成极端低温和降雪的大气影响因子等。结果表明:与ERA5温度相比,FY-3D/VASS温度在北美地区100,400 hPa和850 hPa的平均绝对偏差分别为1.14℃,1.44℃和2.63℃,可满足冬季极端冷事件监测服务需求;2021年2月北美大陆冷空气活动关键区(50°~80°N,50°~150°W)西部温度较历史同期偏低4~8℃,2月上旬冷空气强度最强,温度距平百分比达70%;在东北太平洋暖高压脊引导下,极涡加强南下,极涡中心西侧横槽转竖过程中冷空气向南爆发,对流层中高层高位涡异常南伸为乌里的生成提供了高层动力强迫,低层冷空气南下和墨西哥湾沿副热带高压西侧向北输送的暖湿气流在美国南部交汇,触发了乌里低层低涡及云系的快速发展;造成强降雪的风暴乌里云系具有对流特征,冷锋云带和头部云顶亮温大部分低于-40℃,部分低于-52℃,闪电活跃。

风云卫星全流程业务建设关键问题研究

风云卫星已发展50年,建立了包含静止、极轨和晨昏轨道的全球观测体系,其业务链已全面覆盖科研、生产和应用服务,在防灾减灾,气候变化等国计民生领域发挥了重要效益,成为我国气象事业的重要支柱和全球重要的空基设施。但此业务链各环节间的壁垒限制了风云卫星事业的高质量发展。因此,落实《气象高质量发展纲要(2022—2035年)》,推动新时代风云卫星事业高质量发展的关键在于解决风云卫星科研、生产和应用服务的脱节问题,构建贯通从载荷研制到卫星产品应用服务的各个环节的全流程业务。本文通过构建风云卫星全流程业务一体化展示平台、构建卫星气象事件库、构建基于卫星气象服务质量与卫星产品指标的数学模型及构建重大灾害性气象事件复盘风云卫星数据集来逐步实现全面实用的风云卫星全流程业务。

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。

风云三号气象卫星星地数据传输X频段链路干扰协调门限研究

风云三号系列气象卫星使用8025~8400 MHz频段将卫星探测数据传输给地面,该频段还有其它系统在使用,极易干扰风云三号气象卫星星地通讯,影响数据传输。目前,在该频段开展的兼容性分析研究工作中,所采取的系统关键特性参数和干扰保护限值大多数是直接引用国际电联相关建议书,没有对被干扰系统做干扰门限的精细计算,导致协调评估结果不准确,这也给该段频谱的协调使用和精细化管理等工作留下了很多潜在隐患。研究了卫星系统集总和单入干扰门限的计算方法,并根据风云三号卫星数据传输链路实际特性参数,分别得出其长期和短期集总干扰门限,并进一步研究得到来自空间长期和短期单入干扰协调门限,以及来自地面的长期和短期单入干扰协调门限,这些门限直接应用于风云三号气象卫星的频谱兼容性研究和频率协调,提高协调效率和协调精度。

风云三号降水卫星多角度偏振成像仪的观测特点和应用潜力

准确测量大气中云和气溶胶的辐射特性对数值天气预报和气候变化具有重要意义。搭载在风云三号降水卫星上的偏振载荷是国内首个具有短波红外通道的多角度偏振成像仪(Polarization and Multi-Angle Imager, PMAI),计划于2023年年初发射,为气溶胶-云-降水观测链条提供重要支撑。该仪器运行在非太阳同步的倾斜轨道,可提供3 km(星下点)空间分辨率和700 km幅宽的图像。PMAI的观测通道包括1030 nm、1370 nm、1640 nm的偏振通道和相应的非偏振通道,可提供14个角度的观测信息。PMAI将利用自然目标的在轨替代定标和同平台仪器的交叉定标,实现5%的辐射测量精度。观测和仿真数据表明PMAI拥有描述云和气溶胶特性的独特优势。全新的短波红外通道的多角度偏振测量可以优化云相态识别和云微物理参数反演、气溶胶的地气解耦以及地表方向反射特征的表述。处于非太阳同步轨道的PMAI具有独特观测几何,可以获得大气粒子辐射更宽的散射角分布信息。此外,PMAI可联合同平台中分辨率光谱成像仪的可见近红外和热红外通道的观测信息,进行云和气溶胶的协同反演。

一种星载降水测量雷达和地基天气雷达的频率修正方法

通过结合全球降水测量卫星(GPM)反演算法中用到的0℃层亮带模型以及米散射计算,生成了固态、液态以及混合相态3种降水情况下的散射函数查算表;通过与GPM实测数据的对比,验证了查算表的精度,表明散射计算的最大偏差小于0.5 dB。基于该查算表,完成了星载Ku波段雷达到S波段雷达的频率修正。对散射函数的分析表明:Ku波段到S波段的频率修正取决于相态以及谱参数(D_(m))。其中,液态降水的频率修正量以负为主,最大不超过-3 dB。混合相态降水的频率修正量随着0℃层亮带高度的不同差异非常明显。固态降水的频率修正在不存在0℃层亮带时均为正,存在0℃层亮带时则随着温度的变化而显著变化。该方法可用于实现星、地不同波段雷达之间的频率修正,为星载雷达探测精度的一致性检验提供有效支撑。

长江-淮河流域短时暴雨洪涝灾害危险性预警评估及验证

洪涝灾害危险性预警分析是防灾减灾的重要基础,在灾害发生前进行预警,可以有效减轻灾害带来的影响。本文以2020年6—8月长江-淮河流域洪涝灾害为研究案例,首次利用前3天累计降水量(前期状态),当前时次土壤湿度(当前状态)和预测日降水量(未来状态)作为致灾因子,基于改进的层次分析法建立危险性预警分析模型。通过县域灾情信息验证表明,评估正确率达74.46%,遗漏率仅5.59%,评估结果与实际灾情吻合性好;同时对预警准确性和时相一致性进行评价,最大值(县内最高指数)的预警率达到81.6%;“特大型”暴雨洪涝灾害中的预警达到77.3%以上,且灾害在前3~5天危险性指数普遍提升,存在有效预警。本文方法对于长江—淮河流域短时暴雨洪涝灾害危险性预警有较好的准确性和可靠性,可提供防灾减灾决策依据。