激光云高仪云量自动反演算法

云是气象预测和航空航海等领域中非常重要的因素之一,所以对云进行观测具有重要的现实意义。而云量作为其中重要的气象参数之一,已成为气象观测的重要内容。目前,对于云量的观测主要还是靠目测,由于各种因素的影响导致误差较大。测量云量是激光云高仪的一个重要应用。提出了一种激光云高仪云量自动反演算法,算法以激光云高仪单点测量数据为基础构造一个关于时间和云层高度的二维图像,按照云层所占用的时间比率进行反演计算云量。对比实验验证表明,算法能较为准确地反演出云量信息,对激光云高仪具有实用价值。     

云底高度的激光云高仪、红外测云仪以及云雷达观测比对分析

为了比较几种自动化测云仪器的性能,中国气象局气象探测中心在南京信息工程大学的气象探测基地首次组织了一次为期近5个月的比对试验,试验仪器包括四台激光云高仪、两部红外测云仪、一台全天空成像仪以及一部毫米波云雷达。对其中大部分仪器取得的三个月云底高度数据进行了初步的分析,结果表明：三台激光云高仪测量结果比较一致;两部红外测云仪在测量低云时一致性稍差;云雷达与激光云高仪测量的最低层云底高度数据一致性较差,但与红外测云仪的测量结果匹配较好。     

激光云高仪控制器的设计

云高测量有多种方法,采用激光技术实时观测云高是发展的方向,国内外也已经有了激光云高仪（计）的样机或初级产品。从实用要求上看,激光云高仪需在野外环境全天候自动连续运行,而目前的产品在环境适应、工作稳定、自动化程度、数据的可靠性以及体积、能耗、成本等诸多问题还需要努力优化和改进。对其中的核心技术单元——激光云高仪控制器进行了全新的技术开发,使上述问题得到了综合性改进。介绍了激光云高仪控制器的总体结构和初步技术参数,并简述了其数据采集与处理,数据显示与存储,自控过程和软件部分。     

双成像云底高测量系统的研究

云天自动化观测是气象业务发展必然的趋势。现有的云自动化观测仪器,价格昂贵,测量精度差,很难满足气象业务发展的要求,基于双目成像原理的可见光成像测云高和红外成像测云高相结合方案能够很好的解决白天和夜间云高的测量,本文分析了系统作用距离,给出了作用距离、目标辐射温差和大气影响因素三者之间的关系,并与现有云高测量设备进行了对比分析,通过试验实现了云底高的测量。     

用于激光云高仪的微分增强云检测方法

激光云高仪是对大气中云的时空分布进行自动连续监测的有力工具之一,现有的云检测算法在低信噪比或有气溶胶影响时容易产生误判或漏判。文中分析了激光云高仪回波的原始信号、一阶微分信号和二阶微分信号特征,构造了两个新的信号序列,提出了一种微分增强云检测方法。该算法可以实现对云回波信号中云峰和云边界特征的增强和分离,有效修正了低信噪比和气溶胶层对云检测带来的误差。通过实验对比了微分增强法和微分零交叉法的云检测结果,结果表明:微分增强法在不影响云高判别的情况下,能有效地减少云的漏判和误判。     

基于非制冷红外焦平面阵列的全天空红外测云系统

云的地面观测是对本地天气进行实时监测的重要工作.目前,主要采用人工目测方法进行云的地面观测,无法准确提供夜间云的资料.为了实现云的全天空昼夜自动监测,采用非制冷红外焦平面阵列(UIRFPA)和扫描的方式,通过拼图、定标、大气修正、云识别等数据处理,研制成功了全天空红外测云系统.该系统由光学测量单元、扫描单元、环境参数测量单元、采集与控制单元和数据处理单元组成.初步的观测试验表明,该系统所给出的全天空云分布图像以及云量、云族与实际天空状况一致,考虑探测器工作温度效应的非制冷红外焦平面阵列定标模型,可满足全天空云监测的辐射定量测量要求,定标处理以及云识别算法可行.     

EOS卫星上基于MODIS云产品的AIRS像素云检测

联合使用搭载在地球观测系统(EOS)Aqua卫星上的中分辨力成像光谱仪MODIS和大气红外探测器AIRS,能够提高对全球云量分布情况的检测。利用几何扫描特性的空间匹配算法,MODIS云分类掩膜和云相态掩膜产品,结合业务上的云检测算法,实现了用空间匹配的MODIS数据对AIRS像素云特性的检测。结果表明,用MODIS 1 km分辨力产品可以鉴别出AIRS像素中不同的云类型、云层信息(低云、中云或者高云)和云相态信息(水云、冰云或者混合相态信息)。     

基于相干激光雷达气象多要素探测EI北大核心CSCD

相干激光测风雷达具有体积小、探测效率高、信噪比强等特点,在气象、航空保障以及风电等行业得到了广泛的应用,但是目前雷达数据产品大多是利用回波多普勒频移信息反演的风场数据产品,未对雷达回波信号强度信息进行数据挖掘。针对当前相干激光测风雷达数据产品开发不足的问题,介绍了一种新型基于相干探测的激光雷达数据产品生成技术,该技术在探测风场的同时,实现云高、消光系数及能见度等多种气象要素数据产品的生成。首先,通过分析回波信号特性,推导出雷达回波信号功率的计算方法,获取探测范围内各距离位置的回波信号强度信息。在此基础上,利用阈值法和微分零叉法反演出云底高度,同时采用改进型Klett算法实现大气消光系数的反演,继而实现能见度的测量。最后,与气象站能见度仪、激光云高仪以及532 nm气溶胶激光雷达进行数据对比验证试验,试验数据结果显示:云高对比精度可达5.0%,能见度对比精度可达12.2%,消光系数对比有较好的一致性,并可长期在多种气象环境下连续测量。     

可见光/红外全天空成像仪和云雷达联合反演云高

为解决大部分设备无法单独获取全天空云底高度的问题,基于中国气象局大气探测基地可见光/红外天空成像仪和毫米波云雷达2019年6月的灰度值与云底高度数据,利用辐射传输模式计算地面8～14μm波段向下红外辐射随天顶角的变化关系,并根据红外波段测得的天顶云底灰度值与非天顶位置的天顶角余弦灰度值之间的线性关系,从而反演得到全天空云底高度。结果表明：(1)相比于全天无云的情形,在一天的相同时间时,全天有云时的天顶灰度值较高。(2)当云底高度为2000 m以上且云层较厚时,云底高与红外模块所测灰度值的相关性明显好于云层较薄的低云。(3) 2019年8月12日的个例验证结果显示,反演云高与通过云雷达测得的实际云高相关系数为0.956,而与取天顶附近约30°天顶角得到的云高相关系数为0.9508。     

那曲夏季云宏观特征的毫米波雷达资料研究

为提高毫米波雷达对高原地区云宏观参数的观测能力,提出一种改进的反演方法,对比了该方法结果与激光云高仪(CL31)、Himawari-8卫星(HW8)观测结果的差异,并研究了那曲夏季空中云宏观参数的垂直分布和日变化特征.结果表明,提出的方法可以改善以往云边界检测法的云层错位和距离旁瓣回波影响的不足.雷达反演的云底比CL3...     

红外高光谱资料云检测方法研究

从红外高光谱资料的特点和应用现状出发,通过用晴空时观测光谱和背景光谱偏差矢量最小原理研究了特定云状下不同云量、云高和云水含量对观测光谱的影响,提出了一种新的红外高光谱资料云检测方法。从云污染视场中检测出不受云影响的通道,并用通过辐射传输模式(Radiative Transfer for (A)TOVS, RTTOV)模拟的大气红外探测器(Atmospheric Infrared Sounder, AIRS)资料和实测数据进行了方法可行性和有效性验证。结果表明,该方法能有效地提高云污染区域红外高光谱资料的利用率,可为有云覆盖情况下的大气参数反演提供有效途径。     

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。     

基于GMS-5卫星资料的云检测方法研究

由于云对地球气候变化起着重要作用,对云进行监测是研究全球气候 变化的重要环节。目前,各国的气象专家和爱好者们都十分关注对云的监测研究,因此云检 测已经成为了当前的热点话题。利用日本的GMS-5气象卫星资料进行了云检测研究。采 用红外亮温法对云进行粗检测,然后利用相似离度法、空间一致性检测以及可见光反射率进行晴 空检测。最终结果表明,通过结合使用这三种方法进行云检测,能够很好地判断是晴空辐 射还是含云辐射。     

红外高光谱资料云检测方法研究

从红外高光谱资料的特点和应用现状出发,通过用晴空时观测光谱和背景光谱偏差矢量最小原理研究了特定云状下不同云量、云高和云水含量对观测光谱的影响,提出了一种新的红外高光谱资料云检测方法。从云污染视场中检测出不受云影响的通道,并用通过辐射传输模式(Radiative Transfer for(A)TOVS,RTTOV)模拟的大气红外探测器(Atmospheric Infrared Sounder,AIRS)资料和实测数据进行了方法可行性和有效性验证。结果表明,该方法能有效地提高云污染区域红外高光谱资料的利用率,可为有云覆盖情况下的大气参数反演提供有效途径。     

地基红外云图云导风方法研究进展

利用连续观测的云序列图像进行风场探测的技术已经较为成熟,目前主要应用于卫星云导风中,可以获取较大范围、大尺度的区域风场信息,但利用地基观测云图进行云导风方面的研究还较少。分析了地基测云仪器的发展现状,提出了采用高时空分辨率的地基红外云图,通过阈值确定云高,利用目标匹配方法、目标追踪方法进行示踪云的选择,利用快速搜索算法进行示踪云的搜索,以及地基云导风计算的方法,并分析了导风结果的质量控制思路。利用该类地基红外云图导风资料可以与常规高空风探测手段、卫星云导风资料互为补充。     

全天空红外测云系统辐射传感器的替代定标

为了实现全天空红外测云系统辐射传感器业务运行过程中的定标,提出了一种以晴空辐射为标准辐射场的替代定标方法.根据SBDART辐射传输模式计算出的晴空大气向下红外辐射以及辐射传感器对天空观测的输出量化值,利用线性回归方法确定出传感器全场各像元的响应率和偏移量.定标结果分析表明,响应率不确定度为2.03 DN unit/(W·m-2·sr-1),偏移量具有明显的正态分布特征,为空间随机噪声.标准黑体检验表明温度反演平均误差不超过±1.5℃,能够满足系统定量化应用的要求.     

气象卫星红外云图与水汽图的融合技术研究

将多分辨率分析融合方法和多尺度几何分析融合方法应用于气象卫星水汽图和红外云图的融合中,并用主观视觉、平均互信息和Xydeas-Petrovic指标对各种融合算法的性能分别进行了定性和定量评价。结果表明,与源图像相比,融合图像取得了更好的视觉效果,图像中包含了更多的信息量,云体清晰度和云的层次感得到了提高,纹理变得细致了。从平均互信息和Xydeas-Petrovic指标看,多尺度几何分析融合方法的效果较多分辨率分析融合方法更好。     

基于气象卫星数据的我国沿海悬空波导反演方法初步研究

悬空波导的测量方法有直接测量和间接测量两种.传统的直接测量手段只能得到单点的波导信息.间接测量也存在一定的局限性,不能获取高时空分辨率的波导多维空间信息.而静止气象卫星由于其高时空分辨率观测的特点,能对我国沿海海域大气环境进行时空四维监测.文中借鉴国外一种基于气象卫星数据反演悬空波导的方法,利用我国静止气象卫星FY-2G的云分类和云顶温度数据、地面观测数据及探空数据,分析该方法中各影响因素的敏感性,初步检验了该方法在我国沿海的适用性.提出建立本地海域悬空波导反演方法的几个关键问题：①选用高精度云顶温度反演数据;②选择合适规定层（850hPa或700hPa）;③根据本地数据得到一些参量的经验值;④建立本地参数化方案.下一步将寻找更多我国不同沿海海域的事例进行验证,该方法有希望运用到我国沿海大气波导监测中,为我国沿海大气波导监测和反演提供一种新方法新技术.