FY-2G云量产品与地面观测云量对比分析北大核心CSCD

为推动地面云观测自动化,利用2015 2016年全国范围内不同时段FY-2G卫星观测云覆盖率和总云量反演产品与同时段地面气象站人工观测总云量资料进行对比分析,评估卫星观测与地面人工观测的一致性和偏差。结果表明,FY-2G卫星观测云产品较地面观测偏低,总云量较云覆盖率偏低明显。定义晴天、少云、多云、阴天四种不同云量等级,进一步分析卫星数据,结果显示不同云量等级下云覆盖率与总云量与地面人工观测的一致性和偏差有所不同,晴天和少云状态下总云量产品一致性较好,阴天时云覆盖率一致性较好。从分布上分析发现西部和西南部观测偏差较大,且根据云量等级呈现不同的状态。因此在云观测自动化布局中,卫星观测不能完全替代地面云量观测。地面观测应在西部和西南部,以及天气状况较为复杂的区域加强观测。     

FY-2G卫星冬夏云量产品偏差分析

开展卫星反演云量的精度评估是业务应用的基础,也是充分发挥卫星观测效益的前提。利用同类卫星产品EOS Aqua/MODIS云产品,选取2015年6月和12月共80个个例,包括43个白天个例,37个夜间个例。采用交叉比对方法对FY-2G云量产品进行相对偏差分析。结果表明:FY-2G与Aqua/MODIS计算云量总体趋势相当,无论从时间分布（白天和夜间）还是季节分布（6月和12月）上看,FY-2G与Aqua云量相对偏差较为稳定,FY-2G反演云量小于Aqua/MODIS反演云量。匹配个例中FY-2G平均云量为72.81%,Aqua/MODIS平均云量是76.19%,两者相关系数为0.74。两者绝对偏差小于5%的像元比例为72.34%;云量偏差绝对值小于15%的像元比例为79.51%。FY-2G与Aqua/MODIS云量偏差主要来自各自卫星的观测能力与所采用的云检测算法。与具有36个探测通道、星下点最低空间分辨率为0.01°×0.01°的Aqua/MODIS观测数据相比,FY-2G所具有的5通道、星下点最高空间分辨率为0.05°×0.05°的观测数据会出现对云,尤其是破碎云和薄卷云的漏检。两种具有不同时空属性的数据在匹配处理时采用的不同算法也会在比对分析中引入偏差。     

我国卫星总云量与地面总云量分布的对比分析

根据国际卫星云气候学计划（ISCCP）的总云量和地面总云量资料,分析并讨论了两者在我国的空间分布和单站年变化中的相关性和差异性,对比了两种总云量的全国分布形势。结果指出,在总趋势大致相似的前提下,卫星总云量图能更好地揭示青藏高原、塔克拉玛干沙漠以及沿海地区的云气候特征。最后还就青藏高原总云量分布特点作了分析。     

FY-2G云量产品与地面观测云量对比分析

为推动地面云观测自动化,利用2015 2016年全国范围内不同时段FY-2G卫星观测云覆盖率和总云量反演产品与同时段地面气象站人工观测总云量资料进行对比分析,评估卫星观测与地面人工观测的一致性和偏差。结果表明,FY-2G卫星观测云产品较地面观测偏低,总云量较云覆盖率偏低明显。定义晴天、少云、多云、阴天四种不同云量等级,进一步分析卫星数据,结果显示不同云量等级下云覆盖率与总云量与地面人工观测的一致性和偏差有所不同,晴天和少云状态下总云量产品一致性较好,阴天时云覆盖率一致性较好。从分布上分析发现西部和西南部观测偏差较大,且根据云量等级呈现不同的状态。因此在云观测自动化布局中,卫星观测不能完全替代地面云量观测。地面观测应在西部和西南部,以及天气状况较为复杂的区域加强观测。     

最小二乘法与A值平均法估测降水对比

利用贵州省兴义多普勒天气雷达复合体扫基数据资料及自动站雨量资料,在充分考虑了本地地理环境、气候背景的前提下,对贵州省黔西南地区2008～2009年产生的强天气过程进行了降水估测分析。分别采用最小二乘法及A值平均法得到该区域的Ze-I关系,然后对这2种方法的统计结果所做的Ze-I方程进行了对比。选取2010年2次强降水天...     

遗忘因子自适应最小二乘算法及其在气温预报中的应用

海量数据的利用是建立自适应预报模型的基础,但随着数据的不断增加,新引入数据的作用会逐渐降低,有可能导致预报模型失效。为克服因数据量增加引起的所谓"数据饱和"现象对天气预报效果的影响,本文给出了考虑遗忘因子的线性自适应最小二乘建模算法的原理和方法,并利用该算法进行了最高气温和最低气温预报试验。结果表明,考虑遗忘因子的线性自适应建模算法优于传统的线性自适应建模算法,加入遗忘因子可以避免产生"数据饱和"现象,适当地选择遗忘因子有助于提高模型的预报准确率。     

多种资料的总云量产品在中国区域的对比分析

利用1987-2016年中国大陆地区的776个站点的总云量资料与CRA40、ERA5、JRA55、CFSR四套再分析资料和国际卫星云气候计划（ISCCP）的月平均总云量数据,统计分析了不同资料的总云量在中国区域的时空差异以及各资料之间的相对一致性。结果表明,不同资料总云量的空间分布特征总体一致,云量的高值区与低值区都有所体现。但是,不同资料在量值上存在一定的差异,ISCCP总云量整体比其他资料偏高5%～20%,各种资料在江淮、东南和西南等总云量高值区吻合程度更好。在东北、西北及内蒙古大部分地区由于有积雪覆盖,卫星反演存在云雪误判导致ISCCP总云量与地面观测和再分析资料相比显著偏高。CRA40与JRA55在东北、华北和江淮地区与地面观测的偏差较小,而ERA5与CFSR在华南及西南地区与地面观测更为接近,JRA55总云量在各资料中最低,在华北、西北以及青藏高原地区表现得尤为明显。ERA5总云量与地面观测一致性最高,其相关系数达到0.91,再分析总云量与ISCCP相关系数均低于0.7,CRA40与ERA5的相关系数达到0.87,CFSR与ERA5也具有较高的相关性,而JRA55与CFSR相...     

总云量产品在中国区域的分析检验

对ISCCP、常规观测以及MODIS总云量3种目前使用较多的总云量资料进行对比分析, 重点考察时间序列较长的ISCCP和常规观测总云量, 给出定量对比结果, 为使用这3种总云量资料的用户提供参考。研究表明:ISCCP与常规观测总云量相比, 7月二者的空间分布具有很好的一致性, 但白天ISCCP总云量比常规观测总云量多, 夜间却往往比常规观测总云量少, 二者误差分布表现为东部和东南部小于西北部的特征; 而1月二者空间分布比较一致, 但是在天山和东北地区高、低值中心经常不匹配, 这两个区域总云量资料需慎用; 7月ISCCP总云量精度明显高于1月。ISCCP、常规观测以及MODIS总云量对比结果表明:1月MODIS总云量比其他两种资料大, 而7月为最小。相对常规观测, 1月ISCCP总云量精度优于MODIS, 而7月MODIS总云量略优于ISCCP。     

基于晴空阈值法的全天空红外图像云量计算

为提高新疆戈壁地区云的自动化观测水平,基于全天空红外成像仪(WSIRCMS)获取的红外辐射图像,利用辐射传输模式SBDART分析了仪器测量波段对有云无云状况的敏感性并构建了拟合方程,同时利用典型季节的晴空辐射样本拟合了晴空曲线并统计形成了晴空阈值,最后利用统计晴空阈值对全天空红外辐射图像进行云像素识别和总云量计算。将不同季节总云量计算结果同人工观测结果对比验证表明：观测时段算法计算总云量和人工观测总云量差值在±2成以下的概率均在80%以上,说明该方法具有较高的准确度和较强的实用性,在观测业务中具有较好的应用前景。     

基于迭代重加权最小二乘法的雨滴谱函数拟合研究

传统的雨滴谱函数的拟合方法在不同的降水类型和不同分布函数下,可能存在拟合出来的雨滴谱函数与实际数据差异过大的情况,基于此问题,本文提出一种基于迭代重加权最小二乘法(Iterative Reweighed Least Square, IRLS)的雨滴谱函数拟合方法。利用Parsivel激光雨滴谱仪2019年7—10月在海南安定获得的225组层状云降水样本和110组对流云降水样本数据进行实验,通过不断更新权值,迭代计算,从而求出待估计参数。模拟结果表明了该方法应用在不同降水类型和不同分布函数下,对比阶矩法和最小二乘法得到的拟合优度都是最接近1的。     

基于偏最小二乘回归的冬季北太平洋风暴轴指数的特征诊断

针对现有风暴轴指数分析大多采用相关分析等较为简单方法,难以对风暴轴指数变化有效诊断分析的问题,引入偏最小二乘回归(Partial Least Square Regression,PLS)的线性方法和核偏最小二乘回归方法(Kernel Partial Least Square Regression,KPLS),对冬季北太平洋风暴轴指数变化进行了特征诊断研究,并与传统的线性无偏最小二乘回归结果进行了试验比对。结果表明:偏最小二乘回归方法的诊断结果能够更好地反映风暴轴内部变化规律,并有效降低诊断误差。对于PNYI(北太平洋风暴轴纬度指数),采用r0. 2的因子筛选方案(r为因子与风暴轴指数的相关系数)并应用KPLS算法时,预测效果最佳;对于PNXI(北太平洋风暴轴经度指数)和PNII(北太平洋风暴轴强度指数),采用全因子方案并应用KPLS算法时,预测效果最佳。     

风云二号卫星的冰云光学厚度反演偏差分析

冰云的微物理特性参数反演是云参数反演的难点和热点问题,目前风云二号(FY-2)卫星还没有相关的业务产品。考虑薄卷云覆盖在中低云上的两层云情况,采用六棱柱形状的冰云,在云相态识别基础上,利用FY-2 卫星观测数据,采用双通道算法反演冰云光学厚度。选取2013年8月的EOS/Terra和EOS/Aqua云参数产品对反演的FY-2云光学厚度精度进行比对分析。研究结果表明,联合FY-2的可见光通道和中波红外通道可反演冰云光学厚度。基于匹配得到的34个分析个例,FY-2反演的云光学厚度分布态势与EOS/ MODIS云产品相同,但FY-2云光学厚度反演值小于EOS/MODIS 云光学厚度产品值。FY-2 反演云光学厚度与EOS/MODIS云光学厚度产品的平均偏差为6.41,相关系数平均为0.92,线性拟合平均斜率为0.74。FY-2 与EOS/MODIS云光学厚度值偏差出现原因除了反演算法存在差异外,与反演所用数据的不同存在密切关系,基础观测数据越相近,FY-2 与EOS/MODIS云光学厚度反演结果的偏差越小。     

基于偏最小二乘回归理论的西北太平洋热带气旋强度统计预报方法

热带气旋(TC)的强度预报是TC研究中的前沿性问题和实际业务中的难点.当前具有参考价值的预报方法主要是统计类或模式释用类方法,例如气候持续性(CLIPER)模型等.CLIPER模型的核心技术为多元线性回归,这种回归算法在预报因子之间存在多重相关性时会丧失建模的稳健性,进而影响CLIPER模型的预报精度.为了提高CLIP...     

不同云重叠参数对全球和东亚地区模拟总云量的影响

在国家气候中心全球大气环流模式BCC_AGCM2.0中引入一组基于CloudSat/CALIPSO卫星观测的、能够体现真实时空变化特征的云垂直重叠参数（抗相关厚度,L_cf）数据,以减小由云的重叠描述造成的辐射场的不确定性。对比了采用时空变化的云重叠参数和采用恒定云重叠参数的气候模拟结果,发现无论在全球还是东亚区域,采用基于卫星观测的云重叠参数对模拟的总云量都有一定程度的改进。采用时空变化的云重叠参数后,冬、夏两季全球平均总云量与云和地球的辐射能量系统（CERES）卫星资料的误差都减少了1.6%,其中热带对流区域总云量的正偏差和副热带地区总云量的负偏差都明显减少,这些有助于正确模拟不同区域间的能量收支差异。在东亚区域,采用时空变化的云重叠参数后,冬、夏两季的东亚区域平均总云量与CERES卫星资料的误差分别减少了1.8%和1.4%。综上所述,基于CloudSat/CALIPSO卫星资料计算得到的L_cf有助于改进大气环流模式对总云量的模拟,从而提高模式对辐射场的模拟精度。      

Retrieving microphysical properties and air motion of cirrus clouds based on the doppler moments method using cloud radar

Radar parameters including radar reflectivity,Doppler velocity,and Doppler spectrum width were obtained from Doppler spectrum moments.The Doppler spectrum moment is the convolution of both the particle spectrum and the mean air vertical motion.Unlike strong precipitation,the motion of particles in cirrus clouds is quite close to the air motion around them.In this study,a method of Doppler moments was developed and used to retrieve cirrus cloud microphysical properties such as the mean air vertical velocity,mass-weighted diameter,effective particle size,and ice content.Ice content values were retrieved using both the Doppler spectrum method and classic Z-IWC(radar reflectivity-ice water content) relationships;however,the former is a more reasonable method.     

基于偏最小二乘回归方法的西北区寒潮延伸期预报

利用2000-2013年西北地区376个国家站逐日最低气温及NCEP FNL再分析资料,基于西北区站点降温幅度和欧亚大陆500 hPa低频高度场,使用偏最小二乘回归方法建立西北区站点寒潮延伸期预测模型,分别以2017年1月的一个寒潮日和非寒潮日为例进行预测试验,并对2014-2017年冬半年(共728 d)西北地区的寒...     

利用FY-2E红外和水汽波段对强对流云团的识别和演变研究

使用FY-2E静止气象卫星的红外1(10.3~11.3μm)和水汽波段(6.3~7.6μm)时序图像,对强对流云进行识别和短时预测。亮温阈值法是将强对流云和其他高云区分开的常用方法,但是合适的亮温阈值是随着时间和空间而变化的,过高的阈值会将许多卷云包括进来,太低的阈值会排除掉云顶发展还不是很高的强对流云。水汽波段所在的位置是水汽的一个强吸收带,而高度在400 h Pa上下的大气层是水汽波段的一个强吸收层,大气在垂直方向上的对水汽波段辐射吸收的分布模式使得卫星接收到的水汽波段辐射主要来自于400 h Pa以上的大气中高层,而卫星接收到的红外波段辐射主要来自于大气中低层,两个波段间辐射来源的差异使得不同光学厚度的高云的辐射观测值在红外—水汽光谱空间中的分布具有明显差别,并且这种差异具有时空的稳定性。本文将一定范围内的云团的象元测值在红外—水汽光谱空间中的分布的拟合直线斜率作为强对流云识别的依据,结果表明相对于亮温阈值法,本文的识别方法不仅能够较好地区别卷云和强对流云,同时也能更有效地识别未达到旺盛阶段的对流云。在对强对流云进行识别后,根据相邻时间段的卫星图像,利用交叉相关法反演得到强对流云团顶部的位移矢量场,并根据后向轨迹法对强对流云团位置形状进行短时预测,预报结果在短时间内(0~1 h)较好,并且对面积较大的云团的预报效果要优于较小的对流云团。此外文中还利用逐半小时的云顶黑体温度(Temperature of Black Body,TBB)资料分析了云顶亮温的分布变化,得到了整个强对流过程的演变特征。     

一次基于飞机观测的河北中南部降雪云系微物理结构的对比分析

2017年2月21日河北省出现一次低槽降雪天气系统,河北省人工影响天气办公室在系统槽前部位层状云系中开展飞机云微物理探测作业,通过对邢台、赵县两地云微物理垂直结构的精细化探测分析,发现本次过程云系为层状冷云。邢台、赵县两地云系均存在明显的逆温层,在逆温层及其下方出现过冷水,邢台过冷水较为丰富含量0.19 g/m3,在温度-8～-11 ℃过冷水丰富层下方可见结凇冰晶,直径有所增大,浓度没有出现明显增加;赵县云系过冷水含量偏低0.074 g/m3,冰晶在温度-8.7～-10.3 ℃的过冷水层以凇附、粘连增长为主,冰晶聚合体比邢台偏多,粒子直径和浓度均比邢台偏大。本次探测过程,邢台云内过冷水含量丰富,具有人工增雪作业的条件;赵县云内过冷水含量偏低,人工增雪条件差。     

物理-统计反演和云-晴空辐射特征差异检测结合的全天空高云判别能力改进算法与初步试验

在全天空红外-可见光云像观测反演方法基础上,针对已往阈值法判断高云的局限性,提出改进的算法。对可见光图像可利用以太阳-天顶为连线的主平面两边相元特性的对称性来判断云的存在,对红外成像仪可利用同一仰角扫描时所得不同方位角亮温分布的非均匀性来判断云的存在。以北京2011年1 3月观测资料为基础,选择原阈值法未能判别出来的案例进行再处理,全天空可见光成像观测仪高云判别能力最高可达73.9%,全天空扫描式红外成像仪可达70.1%。该工作为天空的高云识别提供新的复合算法。