Case study of the March 24, 1976 Elton,Louisiana tornado using satellite infrared imagery,doppler sounder,rawinsonde, and radar observations

The Elton, Louisiana tornado on March 24, 1976 has been studied using GOES digital infrared data for the growth and collapse of the cloud top, the temperature-height relationship and air mass instability from rawinsonde data, gravity waves from Doppler sounder records, and radar summaries from storm activity during the three-hour time period immediately preceding the touchdown of the tornado. In this case, the overshooting turret collapsed 30 minutes before the tornado touchdown as the eastward moving cloud reached Elton, Louisiana. Results show that the gravity waves were excited by the enhanced convection of the storm penetrating through the tropopause in the 2.5 hour time period before the tornado touched down.     

利用MODIS数据对北极夏季卷云特性的研究

利用2011~2014年MODIS云产品数据对北极地区夏季卷云的出现概率、云顶温度、云顶高度、光学厚度、有效粒径大小进行统计分析,并讨论了北极地区夏季卷云有效粒径大小和卷云高度的关系。结果表明,北极地区上空夏季卷云出现概率最高,水云较少。卷云云顶温度主要分布在230~272 K(即-43~-5℃),其云顶高度主要在2~8 km,4.5~6 km出现概率最大。卷云的光学厚度主要在小于10范围内。卷云的有效粒径在5~40 m之间,10~20 m出现概率最大。卷云的有效粒径和高度的关系与中纬度地区相反,北极地区卷云高度越高,卷云有效粒径越大。北极地区卷云随着纬度增大,卷云出现概率增加,卷云云顶温度降低,卷云高度增加,卷云有效粒径增大,卷云光学厚度增大。     

时间序列在FY2C云检测中的应用

对FY2C时间序列图像的研究分析表明,时间序列云图的像元亮温/温度时较差(一小时之内亮温/温度差,也称亮温/温度时变化)规律可以用于标称图云检测,能较好地实现运动剧烈的云和运动云区的边缘云检测.以中国区域内地面站资料为标准进行对比分析,利用时间序列结合晴空背景场方法进行云检测,在2007年1月和6月的准确率分别为72.89%和79.94%.与目前业务云检测相比,利用静止卫星高时间分辨率特征在一定程度上改善了低云和薄云的检测.利用了静止卫星高时间分辨率的特点,并为动态求取阈值提供了一种新思路,具有一定的应用价值.     

云参数对AIRS亮温模拟计算的影响试验

由于云污染对大气红外遥感的严重干扰,大量红外资料遭到了舍弃。为 了充分同化红外资料,提高初始场精度和改善数值预报效果,利用通用辐射传输模式(Community Radiative Transfer Model, CRTM) 模拟了大气红外探测仪(Atmospheric Infrared Sounder, AIRS)的通道亮温,并分析了云类型、云层含水量、云厚度和云顶高度等云参数对AIRS亮温的 影响。结果表明：(1)由于云层对红外辐射的截断作用,只有高于云顶的大气才会对辐射亮温产 生影响;(2)随着云层积分含水量的增加,亮温逐渐减小,但其减速放缓,直至不变;有效半径较 大的粒子对辐射的散射作用较强,相应亮温较小;(3)若云顶高度固定不变,云厚度的变化 则不会对亮温产生影响;若云底高度固定不变,云层越厚,相应的亮温越小;(4)地面通道亮温 对云顶高度的变化比较敏感,云顶以上通道的亮温不受云顶高度变化的影响。     

全天空红外云探测在航空气象中的应用

利用合肥新桥机场温湿度、云高、能见度以及全天空云图仪数据资料, 分析了 2019 年 7 月至 2020 年 4 月机 场上空各类云的红外特征以及云、雾演变规律。结果表明: (1) 在云判别上, 云底高度越高, 红外云图上表现亮度越暗, 反之亦然。且不同类型的云具有各自独有的红外特征。 (2) 不同高度的波状云最大云块平均最短直径表现为层积云云 块是高积云的 2∼4 倍, 高积云是卷积云的 2∼4 倍。碎层云主要呈现出团状, 具有蓬松棉花状结构; 而碎雨云相对破碎, 一般为烟带状或散片状。 (3) 云与雾有明确的转化过程。辐射雾一般发生在云层刚散开期间, 天空至少一半为晴空的 时段, 且雾逐步抬升为云, 并持续消散。当天空形成不均匀缺口, 表明雾开始消散, 其可作为能见度迅速回升的一个重 要指标。非对流降水云层演变呈现出云高由高到低, 云层由分散纹理状变为均匀层状, 降水前期均会出现“均匀层状”, 地面相对湿度呈现出陡增现象。     

高光谱GIIRS中波通道的最优选择及其对云检测的影响

风云四号A星干涉式大气垂直探测仪（Geostationary Interferometric Infrared Sounder,GIIRS）中波通道的最优选择是有效变分同化此资料的关键技术之一,能减少冗余信息所引起的变分同化和反演的不适定性。将通用的熵减法（Entropy Reduction,ER）用于GIIRS通道优选。此外,由于红外探测器观测容易受云影响,在变分同化GIIRS亮温资料时,需要进行云检测以获得晴空视场点或云参数信息。采用最小剩余法对GIIRS资料开展了云检测研究。该方法不仅能判识视场点是否有云,而且还能得到视场点的有效云量和有效云顶气压信息。但检测精度受不同通道组合的影响,因此基于台风“利奇马（2019）”资料进一步探讨了该影响。     

在非均匀水云中太阳辐射的传输

本文概述云的透过、吸收和反射数值计算的方法。该方法考虑到云中水汽和水滴吸收光谱的变化以及多次散射的影响，使用到达云顶的太阳辐射对云滴光学特性作加权平均，通过蒙特卡罗方法来模拟宽光谱间隔的太阳辐射在云内的传输。该模型对云内微物理特征的空间非均匀性作了考虑，计算结果已得到实测资料的证实。     

First results from the OMI rotational Raman scattering cloud pressure algorithm

We have developed an algorithm to retrieve scattering cloud pressures and other cloud properties with the Aura Ozone Monitoring Instrument (OMI). The scattering cloud pressure is retrieved using the effects of rotational Raman scattering (RRS). It is defined as the pressure of a Lambertian surface that would produce the observed amount of RRS consistent with the derived reflectivity of that surface. The independent pixel approximation is used in conjunction with the Lambertian-equivalent reflectivity model to provide an effective radiative cloud fraction and scattering pressure in the presence of broken or thin cloud. The derived cloud pressures will enable accurate retrievals of trace gas mixing ratios, including ozone, in the troposphere within and above clouds. We describe details of the algorithm that will be used for the first release of these products. We compare our scattering cloud pressures with cloud-top pressures and other cloud properties from the Aqua Moderate-Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) instrument. OMI and MODIS are part of the so-called A-train satellites flying in formation within 30 min of each other. Differences between OMI and MODIS are expected because the MODIS observations in the thermal infrared are more sensitive to the cloud top whereas the backscattered photons in the ultraviolet can penetrate deeper into clouds. Radiative transfer calculations are consistent with the observed differences. The OMI cloud pressures are shown to be correlated with the cirrus reflectance. This relationship indicates that OMI can probe through thin or moderately thick cirrus to lower lying water clouds.     

一种动态特征匹配的部分重叠点云配准方法

点云配准方法能够有效地完成对不同重叠率、不同规模点云间的配准,可确保三维重建模型的精度。针对该问题,提出一种动态特征匹配的部分重叠点云配准方法,首先基于欧氏距离分割法将点云分割为子点云;然后提取子点云特征,考虑到不同点云的规模不同,提取的特征规模也是不同的,提出利用动态时间规整算法(DTW)完成子点云间的映射;最后利用迭代配准算法求取拼接点云间的平移、旋转矩阵,利用该矩阵完成点云间的配准和拼接。实验结果表明,提出的方法能够有效地解决部分重叠点云和不同规模点云的配准问题。     

Retrieval of cloud base heights from passive microwave and cloudtop temperature data

Water vapor profiling algorithms that treat liquid clouds explicitly yield a cloud base height as a byproduct. A single case of a water vapor profile retrieval using a combination of the SSM/T-2 on the DMSP satellite and cloud parameters from the AVHRR on the NOAA satellite retrieved a reasonable cloud base. While hardly definitive, this case is suggestive. The authors examine the cloud base signal in a combination of the SSM/1 and SSM/T-2 on the DMSP satellite from a theoretical point of view. It is shown that the signal is strong enough for a useful retrieval only over the ocean. For low altitudes, a cloud top temperature (CTT) constraint, as could be provided from an infrared radiometer, is required. While difficult with the DMSP-NOAA satellite combination, this has become much easier with the recent launch of NOAA-K with the AMSU-B and AVHRR. It is shown that the signal is acceptable over the relevant range of cloud liquid water content values. To achieve useful results, some local tuning of the algorithm will be necessary. This tuning could take the form of water vapor profile covariance matrices, climatological estimates of the cloud liquid water density, or purely empirical methods. Broken and multilayer clouds provide additional complications to the problem     

基于立体视觉与特征匹配的点云目标识别算法

准确提取三维点云数据中待测目标的点云集合是三维点云目标识别技术的一个关键问题,也是近年来目标识别领域从二维向三维拓展的一个重要挑战,其主要难点在于快速寻找离散点云之间的相关函数关系。结合立体视觉与特征匹配构建了可以表征不同视场条件下的目标点云约束的机制,通过采用立体视觉作为约束条件完成了对原有特征匹配算法的优化。设计了基于立体视觉的估计算法,通过训练学习获得了不同选取比例条件下的识别规则。实验采用ARIES激光雷达采集点云,并通过MATLAB选取三种典型目标状态。当目标区分度高时,优化前后的目标识别率都在98%以上;当目标区分度低时,优化后对目标边界的限定条件可以很好地提高识别概率。采用优化的点云数据位置偏差量可达到0.55 mm,相比未优化的0.74 mm提高了0.19 mm。同时,优化后算法的收敛时间曲线要优于未优化的,3000点以上的收敛时间均值约为8.33 s,优于未优化的12.76 s。综上所述,优化后的算法具有更好的识别效率。     

卫星资料在云顶粒子尺度特征分析中的应用

选取NOAA卫星AVHRR通道3(3.55～3.93μm)观测资料,分析云顶粒子的物理性质,并用地面雨量和雷达观测资料对卫星反演分析结果进行验证.分析结果显示通道3反射率小,云顶粒子尺度大时易产生降水.当云层为单一层次时,通道3的反射率小值区与雷达回波区间具有良好的对应关系,证实了在降水过程中卫星分析云顶粒子尺度结果与雷达观测一致.     

毫米波雷达和激光雷达探测云边界的对比分析

为了探测云边界,采用毫米波雷达(MMCR)和微脉冲激光雷达(MPL)联合观测的方法,观测了层积云、高层云、高积云和卷积云个例,并对比分析了两部雷达探测到的云边界的差异。结果表明,通常MPL探测的云底高度高于MMCR;其中在高层云个例中,二者相差最大,其它个例中,差别较小;云粒子对毫米波电磁波和激光光束的散射机制的不同以及两个设备判定云边界方法的不同是差异产生的主要原因。对于云顶的小粒子和云内的小冰晶,MPL的探测能力强于MMCR;但对于发展深、厚的云层,MPL会因衰减的影响探测不到真实的云顶,而MMCR可以探测到完整的云层。     

基于置信度的飞行时间点云去噪方法

飞行时间（Time-of-Flight,ToF）三维成像方法由于多路径干扰和混合像素等问题降低了目标物体深度测量的精度。传统的方法通过优化重构异常点云数据或滤除噪声点云数据来提高目标的准确性,但是这些方法复杂度高且容易导致过度平滑。三维点云图像中的有效点云与噪声点云之间的关系很难用数学模型来表示。针对上述问题,本文提出了一种基于置信度的飞行时间点云去噪方法。首先,分析多帧点云数据的概率相关性,以点云数据的置信度作为判别有效点云与噪声点云的依据;其次,利用多帧点云之间的矢量对偶性,提出了一种快速提取不同置信度点云的算法,其时间复杂度为O(L);最后使用该算法提取多帧三维图像中置信度高的点云数据获得目标物体的真实测量数据,并重点对4组不同场景的点云数据进行对比实验。实验结果表明,该算法能够在有效滤除噪声的同时,显著提高目标物体的距离测量精度,增强目标物体的特征,因此具有广泛的应用价值。     

基于改进微分增强法的激光雷达云参数反演算法

微分法是激光雷达云参数反演的一类传统方法,本文在微分增强法的基础上,优化一阶与二阶微分信号的拟合点数,平衡失真与噪声对检测结果的影响。以距离修正的回波信号代替云峰与云边界函数中的原始回波信号,增强云区域与非云区域的对比。对于因低层云存在而造成二次阈值过大的问题,通过扩大一次阈值的排除区间,有效减少对云层的漏判情况。采用激光雷达数据进行的实验结果表明,与改进前的算法相比,云底高度的相关系数由0.8930提高至0.9328,均方根误差由0.4924 km降低至0.2991 km,云顶高度的相关系数由0.8174提高至0.8598,均方根误差由0.7637 km降低至0.5912 km,改进后的算法具备更佳的反演结果。     

Spatial and Temporal Varying Thresholds for Cloud Detection in GOES Imagery

A new cloud detection technique has been developed and applied to GOES-12 Imager data. The bispectral composite threshold (BCT) technique uses only the 11- and 3.9- channels, and composite imagery generated from these channels, in a four-step cloud detection procedure to produce a binary cloud mask at single-pixel resolution. An innovative aspect of this algorithm is the use of 20-day composites of the 11- and the 11-3.9- channel difference imagery to represent spatially and temporally varying clear-sky thresholds for the bispectral cloud tests. The BCT cloud detection technique has been validated against a ldquotruthrdquo data set generated by the manual determination of the sky conditions from available satellite imagery for four seasons during 2003-2004. The day-and-night algorithm has been shown to determine the correct sky conditions 87.6% of the time (on average) over the eastern two-thirds of the U.S. and surroundings oceans. The incorrectly determined conditions arose from missing clouds 8.9% of the time or from overdetermining clouds 3.5% of the time. Nearly 82% of the misses came in the presence of low clouds. Only small variations in algorithm performance occurred between day-night, land-ocean, and between seasons. The algorithm performed best in the warmer seasons (90.9% correct during the summer versus 81.8% correct in the winter season) and during the day, when the solar illumination provides enhanced surface atmospheric cloud contrast in the infrared channels, and least well during the winter season. The algorithm was found to slightly underdetermine clouds at night and during times of low sun angle and tends to be cloud conservative during the day, particularly in the summertime.     

基于随机森林算法的FY-4A云底高度估计方法

基于2017年8月至10月FY-4A的云顶高度、云光学性质等上游产品和A-Train系列卫星星载毫米波雷达和激光雷达主动探测的云底高度资料,利用随机森林算法建模,提出了FY-4A对最上层云云底高度的估计算法,并用2017年11月独立样本对算法进行了检验与评估.结果表明,该算法可以有效实现对最上层云云底高度的估计,与星载主动探测结果相比,平均绝对偏差为1. 29 km,相关系数为0. 80.对单层云的估计结果相对较好,而多层云存在时云底高度的估计结果一般偏小.     

利用FY-1C资料反演水云的光学厚度和粒子有效半径

利用FY-IC极轨气象卫星扫描辐射计的通道1(0．58—0．68μm)、通道3(3．55—3．95μm)和通道6(1．58—1．64μm)所提供的探测数据进行了水云光学厚度和粒子有效半径的反演试验．在非水汽吸收波段(如通道1)，云的反射函数主要是云光学厚度的函数，而在水汽吸收波段(如通道6)，云的反射函数主要是云粒子大小的函数．因此当云光学厚度较厚时，可利用通道1和通道6反射率，或通道1反射率和通道3亮度温度同时计算出云的光学厚度和有效粒子半径。     

South Pole温度风速廓线的统计分析

利用2008年South Pole的探空资料,通过大气温度和风速廓线,确定了South Pole地区冬季（6,7,8月）和夏季（12,1,2月）的大气边界层结构,边界层和对流层顶的高度。对近地面的温度、水汽压、风速和风向进行了统计分析。结果表明,South Pole大气边界层大多时候为稳定型,但在夏季也存在不稳定的情况,尤其在1月份较多;夏季夜晚的边界层平均高度为389米,比白天的304米大,冬季夜晚的边界层平均高度为591米,大于夏季夜晚;夏季白天对流层顶平均高度比夜晚略大,分别为6172米和5770米。South Pole高层大气理查森数的倒数基本都小于4,发生湍流的可能性很小。     

气溶胶与边界层浅云的相互作用对远海高压型悬空波导数值模拟的影响

远海悬空波导陷获层底的位置通常与边界层浅云的云顶有很好的对应,气溶胶与边界层浅云的相互作用及其产生的辐射强迫将改变悬空波导的结构.文中利用天气预报-化学（weather research and forecasting-chemistry,WRF-Chem）模式通过设计不包含完整气溶胶-云-辐射的EXP0试验（相当于WRF模式）和包含完整气溶胶-云-辐射相互作用（即气溶胶直接和间接效应）的EXP1试验,对2016年5月观测到的一次珍贵的远海高压型超强悬空波导过程进行了模拟分析.结果表明:远海高压天气形势下,EXP1试验模拟的由气溶胶活化后形成的云滴数浓度比EXP0试验云滴数浓度预设常值（100个cm-3）偏低;当伴随边界层浅云出现时,EXP1试验模拟的波导顶高和强度较EXP0试验更接近于实测;夜间进行的3次观测位于高压中心附近的无云区,此时气溶胶的直接和间接效应均可忽略,因此两组试验模拟的差异极小.这一结果从侧面说明,在有边界层浅云出现的远海区域,包含完整气溶胶-云-辐射效应的WRF-Chem模式有利于提高悬空波导特征量的模拟效果.