FY-4A AGRI热红外通道辐射定标的精确外场评估

Fengyun-4A(FY-4A)卫星是2016年12月11日发射的我国新一代对地静止气象卫星,它配备了先进的成像仪和测深仪,可提供高时空和光谱分辨率的探测信息,用于天气气候相关的监测、预警和预报。多通道扫描成像辐射计(AGRI)是FY-4A卫星平台挂载的关键辐射成像仪器,重点用于云观测,并利用高时间分辨率的特征进行天气过程追踪。AGRI的红外辐射通道具有全光路的星上红外定标系统,与FY-2上的红外可见自旋扫描辐射计(VISSR)相比,无论在定量标定、成像速度和空间分辨率方面均有了显著改善。FY-4A AGRI的在轨运行状态和星上辐射定标水平的精确评估,对红外通道产品应用具有重大意义。     

冬奥赛场卫星和地基微波辐射计气温廓线观测对比和验证

利用探空站数据对北京和张家口冬奥赛场周边地区的地基微波辐射计和FY 4A大气垂直探测仪资料进行验证分析。选取2020年全年FY 4A大气垂直探测仪资料以及2020年12月至2021年3月期间对冬奥赛事有重要影响的寒潮前后、雾霾和沙尘暴这3种不同天气现象下探测得到的气温廓线数据进行个例分析。结果表明：在晴空条件下，地基微波辐射计和FY 4A大气垂直探测仪探测大气垂直气温的精度较高，平均相关系数达到0.97，低层大气（500 hPa以下）较高层大气探测结果的一致性较好；大气污染对探测精度产生一定影响，其中PM2.5产生的影响较小，PM10的提高对FY 4A大气垂直探测仪的探测产生较大影响，尤其是发生沙尘暴时，星载探测仪无法对低层大气进行探测。经过对比和验证，卫星探测作为补充探测手段，可以与地基微波辐射计互相补充，尤其是在空间覆盖和时间分辨率上具备一定优势，但在有云和沙尘暴的天气条件下无法对低层大气开展探测；地基微波辐射计可以对一个地点的大气垂直参数开展不间断的探测，与探空站数据的一致性较高。卫星探测和地基微波辐射计均可以为冬奥赛事提供高时间分辨率的探测数据，为数值天气预报提供有力的数据支撑。     

静止与极轨气象卫星监测沙尘的融合算法研究

为了综合应用静止气象卫星与极轨气象卫星沙尘监测的结果,更好地进行沙尘信息的判识,采用改进的证据理论方法,进行静止卫星FY-2D/2E红外差值沙尘指数(infrared difference dust index,IDDI)产品与极轨气象卫星FY-3A沙尘强度指数(dust strength index,DSI)沙尘监测产品的融合处理,划分沙尘发生过程中的有沙尘暴发生区、无沙尘暴发生区及可能沙尘暴发生区。融合结果与气象站点观测结果的对比分析表明,本算法可以将静止气象卫星与极轨气象卫星遥感沙尘监测结果进行较好地融合,更好地划分沙尘暴发生的区域,对于沙尘暴过程的监测、评估和分析有重要的参考价值和指导意义。     

基于随机森林和卷积神经网络的FY-4A号卫星沙尘监测研究

利用归一化差值沙尘指数NDDI(Normalized Difference Dust Index)、随机森林RF(Random Forests)和卷积神经网络CNN(Convolutional Neural Networks)算法结合对地静止风云四号气象卫星(FY-4A)中多通道扫描成像辐射计AGRI(Advanced Geostationary Radiation Imager)数据对塔里木盆地沙尘进行监测研究。结果表明,AGRI数据计算得NDDIAGRI沙尘指数在监测沙尘时,需要针对不同时间的AGRI数据取不同的阈值;并且对云和陆地的交错区域,以及一些植被覆盖和荒漠交错区域存在错误识别。RF建立的沙尘监测模型,测试样本精确度(Precision)、召回率(Recall)、F1-score的值都达100%,训练样本的交叉验证精度平均值为99.5%;CNN模型中,训练样本和测试样本的精确值(Accuracy)和损失函数值(Loss)都分别为99.9%和0.1%;因此RF和CNN模型都具有较强的沙尘监测能力。在实际沙尘监测中CNN相比RF在识别沙尘与非沙尘交界处更加精确,RF和CNN在沙尘识别过程中都易将部分沙尘与云混合区域以及戈壁错误识别成沙尘。     

MODIS沙尘暴判识方法与业务系统

为了利用MODIS资料对沙尘暴的范围和强度进行定量判识,应用2002--2004年多次MODIS资料,通过对沙尘暴、云、雪和沙漠光谱特征的分析,构建了定量判识沙尘暴范围和强度的两个沙尘指数.利用2002-2007年数次沙尘暴过程对沙尘指数的判别效果进行检验,表明构建的两个M()DIS沙尘指数能够有效地监测沙尘暴的范围和强度,且方法简单,适用于业务应用.针对目前西北沙尘暴遥感监测业务服务以定性图像为主,服务产品较为单一的问题,对MODIS沙尘暴判识方法进行业务化,并结合GIS进行沙尘暴影响范围的分析,开发研制了自动运行的MODIS沙尘暴监测和影响评估业务系统.系统具生成沙尘暴MODIS影像图、沙尘暴范围和强度遥感监测图、沙尘暴影响土地类型图、全国各省(直辖市)沙尘面积统计表、全国不同土地类型沙尘暴影响面积统计表、甘肃省各县沙尘暴的影响面积统计表和甘肃省不同土地类型沙尘影响面积统计表等功能,为沙尘暴定量和精细服务提供了丰富的产品.     

我国沙尘灾害遥感监测研究与展望

沙尘暴是一种强自然灾害,日益成为影响生态环境和社会经济的重要问题.随着遥感技术的不断发展和新型遥感数据的大量出现,运用遥感技术监测沙尘灾害不仅弥补了传统监测手段时空分辨率的不足,同时也是沙尘灾害研究的重要组成部分.本文论述了卫星遥感监测沙尘灾害的原理,从沙尘移动路径变化、下垫面状况、遥感信息定量获取和强度监测等四个方面总结了遥感监测沙尘灾害的主要内容,并介绍了利用极轨卫星和静止卫星遥感监测沙尘的主要方法,最后从新型遥感数据应用、多种遥感方式结合和多学科、多领域的交叉研究等三个方面展望了卫星遥感监测沙尘的未来的发展趋势.     

激光雷达对一次沙尘天气探测与分析

利用中韩合作沙尘暴监测项目的微脉冲激光雷达(MPL)观测了2005年4月28日影响大连的一次沙尘天气过程.MPL遥感发现影响大连的沙尘气溶胶层位于0～5km的高度,厚度达5km多.通过激光雷达对大气气溶胶探测与分析,得到了一些沙尘过程对流层气溶胶分布的典型结果,并分析和讨论了沙尘过程气溶胶消光系数的垂直分布和演变特征.基本分析表明,本次沙尘过程的外源性特征明显,并且大气层结对气溶胶(沙尘)的扩散、沉降起着重要作用.     

FY2-C静止气象卫星资料处理方法

随着空间技术和遥感技术的迅速发展,静止气象卫星资料以其覆盖范围广、时间分辨率高等优势,被广泛应用于天气预报、环境监测、防灾减灾等领域[1-2]。中国第一颗业务静止气象卫星风云二号C星(FY2-C)于2004年10月19日发射升空,2005年1月1日起,FY2-C开始试验广播展宽云图,为用户提供服务,在2005年汛期前全面投入业务运行。FY2-C定位于地球赤道上空约35800km的地球同步轨道上,星下点中心位置为0°N,105°E,星上扫描辐射计有5个通道,其播发的延时可见光和红外自旋扫描辐射计(S-VISSR)展宽数据包括白天可见光云图、昼夜红外云图和水汽云图…     

2006年春季北方沙尘暴对赣北可吸入颗粒物浓度的影响

利用卫星遥感数据、气象观测资料和江西庐山大气成分观测站的可吸入颗粒物浓度,对2006年春季中国北方的3次沙尘暴过程和同期庐山大气成分观测站的可吸入颗粒物监测资料的对比分析发现,沙尘暴所含的沙尘粒子在冷空气的引导下可进入江西,对庐山的可吸入颗粒物浓度产生较大的影响,也证明北方沙尘暴所携带的沙尘粒子是春季赣北空气污染的重要来源之一,是预报空气质量异常偏高的重要依据之一.     

FY 4A卫星数据可视化及应用

2016年12月11日我国发射了FY-4A新一代静止气象卫星,其高时间和空间分辨率能够加强航空气象中的监测应用,为了更好地应用FY-4A卫星的各类观测产品,本文利用Python语言实现对FY-4A卫星AGRI观测仪器所探测的2km、4km分辨率的全圆盘和中国区域可见光、红外图像资料及7.8km分辨率闪电监测资料进行解码并可视化显示出图,将绘制的卫星图像与国家卫星气象中心网站对外开放的卫星云图进行对比。结果表明:两者显示较为一致,可以用于航空气象业务。Python语言语法简练,对于卫星HDF和NC格式数据读取速度快,Python的Numpy工具包基于矩阵的运算能快速处理卫星观测数据,Basemap库中多种投影方式可供业务应用,值得推广。     

白天和夜间通用的卫星遥感沙尘判识算法构建与验证分析

Himawari-8是日本发射的新一代静止气象卫星,与前一代的MTSAT-2相比,在时间、空间分辨率上都有了很大提升,特别是红外通道数量从4个增至10个,为红外遥感沙尘提供了新的观测数据。本研究利用Himawari-8的红外观测数据,发展了仅用红外通道的沙尘全天候判识算法,可以实现对白天和夜间的连续监测。算法在前人基础上去除了可见光通道,同时引入更多红外通道来进行云检测和沙尘判识。由于一日之中,地表温度发生变化,因此针对白天和夜间设置了两套不同的判别阈值,来保证算法的全天适用性。最后通过两次沙尘事件对沙尘判别结果的分析和检验表明,遥感判识结果与地面气象站和PM_(10)观测较为一致,说明了只用红外通道全天候判识沙尘的可行性。     

风云四号静止轨道气象卫星成像仪典型观测区域设计

风云四号气象卫星是我国新一代静止轨道气象卫星,采用三轴稳定姿态控制方式,极大地提高对地观测精度及观测频次,同时也对有效载荷观测模式的灵活设计提出了更高要求。星上装载的静止轨道辐射成像仪是我国静止轨道气象卫星携带的同类仪器中最为先进的。利用最先进的观测仪器,提高观测效率,在气象服务中发挥更大的作用是气象卫星应用的根本。深入探讨了风云四号静止轨道气象卫星成像仪的工作模式,首次针对不同的观测需求提出了灵活的成像仪观测区域设计方案,有效满足典型区域的不同观测需求,在成像仪在轨测试中发挥了重要作用,为开展业务运行奠定了坚实的基础。     

应用FY-2地表蒸散产品监测西南特大干旱

基于能量平衡原理的卫星遥感地表蒸散产品具有清晰明确的物理含义,广泛地应用于遥感干旱监测领域。本研究以中国能量与水平衡监测系统（CEWBMS）和近11年的静止卫星遥感数据集为基础,利用FY-2/VISSR数据生成相对蒸散距平百分率（Percentage of Relative Evapotranspiration Anomaly,PRETA）产品,应用于全国范围的旱情连续监测。与极轨卫星同类产品相比,基于FY-2的PRETA产品在监测范围和频次上都具有明显的优势。由于距平百分率的引入,PRETA干旱指数等级划分不再与季节和地域气候类型等因素相关。针对2009年秋季至2010年春季西南大旱的监测结果进行了对比分析和统计,结果表明PRETA干旱指数真实客观地反映了旱情时空变化,面平均的PRETA和降水距平百分率时间序列变化趋势显示出良好的一致性,PRETA与10 cm土壤相对湿度有较高的相关性。本研究为实时、大范围、高分辨率、定量和动态卫星遥感监测干旱提供了切实可行的方法。     

基于FY3B VIRR数据的新疆沙尘天气遥感监测应用研究

新疆是我国沙尘天气多发区,但是地面测站稀少,使用卫星遥感监测沙尘天气有非常大的优势。利用国家卫星气象中心开发并向各省推广的SMART业务系统,以FY-3B/VIRR为数据源,采用以人机交互方式分析区域沙尘遥感监测方法。以2012年数据为例,对沙尘天气进行了遥感监测,结果表明FY-3B/VIRR数据可有效提取沙尘天气信息,具有较好的沙尘监测评估业务应用前景。     

基于风云四号成像仪云产品的视场偏差订正和影响分析

新一代静止气象卫星成像仪具有高时、空分辨率的优势,成像仪的云观测资料被广泛应用于气象领域的各项研究中。由于卫星的观测方式和地球曲率导致其存在视场偏差,与其他资料联合应用时需要考虑其影响。针对风云四号A星成像仪的视差问题,首先使用模拟的云顶高度和实际的卫星天顶角进行敏感性分析,结果证实云顶高度越高或者卫星天顶角越大则视差越大, 尤其对具有更高空间分辨率的成像仪,视差影响更需要被重视。随即分别使用CALIPSO云层数据和3套台风最佳路径集来检验视差订正前、后的多通道扫描辐射成像仪（AGRI）云检测产品和台风中心定位的精度,结果证明所用的视差订正方法是有效的,并指出在静止气象卫星资料的精确定量应用中,视差不可忽视。      

利用静止气象卫星红外通道遥感监测中国沙尘暴

气象卫星的红外窗区通道 (8~12 μm) 对于通常大气气溶胶几乎没有响应, 但对于较大颗粒且浓度较强的沙尘气溶胶, 尤其是沙尘暴有明显的信号反应。空气中的沙尘在红外分裂窗通道表现出两个特征:一是对地表发射到空间的红外信号产生衰减, 造成卫星探测到的地气系统亮温降低, 这就是所谓的红外差值沙尘指数IDDI; 二是沙尘粒子在红外分裂窗两个通道的比辐射率不同, 11 μm比12 μm的比辐射率低, 从而造成这两个通道的亮温差是负值。基于这两个特征和沙尘多通道光谱聚类法, 针对静止气象卫星观测数据进行了沙尘暴卫星遥感监测业务算法开发, 输出沙尘暴监测产品和红外差值沙尘指数产品, 这一算法不仅用于已经退役的GMS-5卫星, 而且应用于正在运行的静止气象卫星FY-2C, 它还为沙尘暴的定量或半定量遥感提供参考借鉴。     

FY-4A白天对流风暴和闪电产品在华北强雷暴天气分析中的应用

我国第二代静止气象卫星FY-4A观测能力较之前有明显提升,在天气特别是对流性天气监测和预测中具有较强的应用潜力。利用FY-4A气象卫星多通道扫描辐射成像仪(Advanced Geosynchronous Radiation Imager,AGRI)和闪电成像仪(Lightning Mapping Imager,LMI)数据开展研究,分析了反演产品在强雷暴天气中的应用。研究表明,扫描辐射成像仪多通道组合白天对流风暴红-绿-蓝（red-green-blue,RGB）合成产品可以突出具有强上升气流的对流性雷暴云,较单通道及多通道可见光合成产品具有监测优势;闪电成像仪产品较地面闪电探测闪电产品能够探测到更多的闪电,对新生对流和较弱对流产生的闪电监测具有优势;在华北和黄淮一次强雷暴天气过程中,白天对流风暴RGB合成产品能够监测云系发展的过程,卫星监测闪电活动频数和冰雹活动一致性较好。     

2006年两次影响北京的沙尘天气对比分析

利用卫星、再分析(NECP)、地面观测等多种资料,针对2006年3和4月影响北京的两次沙尘天气过程,就天气过程形势、云系演变以及沙尘传播和沉降进行分析.前者对北京上空的沙尘天气一扫而过,后者对北京的影响则是遍地黄沙.对比分析表明:1)强沙尘天气过程是蒙古气旋所引起的,沙尘天气起源于中蒙边境、内蒙古西部,在河套地区北部鄂尔多斯高原以及浑善达克沙地得到加强,并随着高空西北风将沙尘输送到华北、渤海、黄海北部一带.卫星遥感监测技术不仅可以有效地监测到沙尘天气的发展演变过程,也能有效地监测到沙尘的覆盖范围和沉降区;2)导致4月16～17日华北东部严重沙尘沉降现象的原因是地面冷锋静止于华北中部地区,距地面1 km以上的浮尘层稳定覆盖华北东部和渤海等广大区域的主要原因,是边界层中尺度涡旋对低空冷锋的阻挡作用;冷锋云系在东移发展过程中,受到日本海上空涡旋云系的顶推阻碍,其结构发生变型瓦解.     

Latest Progress of the Chinese Meteorological Satellite Program and Core Data Processing Technologies

In this paper,the latest progress,major achievements and future plans of Chinese meteorological satellites and the core data processing techniques are discussed.First,the latest three FengYun(FY)meteorological satellites(FY-2H,FY-3D,and FY-4A)and their primary objectives are introduced Second,the core image navigation techniques and accuracies of the FY meteorological satellites are elaborated,including the latest geostationary(FY-2/4)and polar-orbit(FY-3)satellites.Third,the radiometric calibration techniques and accuracies of reflective solar bands,thermal infrared bands,and passive microwave bands for FY meteorological satellites are discussed.It also illustrates the latest progress of real-time calibration with the onboard calibration system and validation with different methods,including the vicarious China radiance calibration site calibration,pseudo invariant calibration site calibration,deep convective clouds calibration,and lunar calibration.Fourth,recent progress of meteorological satellite data assimilation applications and quantitative science produce are summarized at length.The main progress is in meteorological satellite data assimilation by using microwave and hyper-spectral infrared sensors in global and regional numerical weather prediction models.Lastly,the latest progress in radiative transfer,absorption and scattering calculations for satellite remote sensing is summarized,and some important research using a new radiative transfer model are illustrated.     

基于FY3\VIRR数据的积雪遥感监测方法研究 -以阿勒泰地区为例

以FY-3可见光与红外辐射计（VIRR）为主要数据,利用FY3\VIRR 1、6、10通道数据,以指数法和光谱阈值相结合的多光谱积雪监测算法对2013年阿勒泰地区卫星数据进行积雪监测处理。处理结果与MODIS积雪监测业务产品对比分析得出：利用FY3\VIRR可以实现对研究区的积雪遥感监测,监测结果与现有MODIS积雪监测业务产品较一致,具有可比性。