FY-2E地面太阳辐射反演及数据集评估

针对FY-2E地面入射太阳辐射反演精度不够精确的问题,提出使用ERA-Interim再分析资料的臭氧、大气可降水、地面气压等数据替换反演算法中气候态平均大气场,通过利用中国地区(2009—2014年)91个站点的地面观测数据验证和评估新旧数据集产品(SWDN-1.0和SWDN-2.0),并与CERES卫星反演SYN1deg产品和ERA-Interim再分析地面入射太阳辐射资料进行比较分析。结果表明:CERES卫星反演产品与观测最接近,FY-2E卫星反演产品次之,ERA-Interim地面入射太阳辐射产品误差最大;FY-2E卫星反演的2套产品,SWDN-2.0相比于SWDN-1.0有较大改进;4套数据产品在中国不同区域效果有明显差异,西部最好、南部最差,辐射反演算法还有待改进;从地面入射太阳辐射的多年平均值分析,4套数据产品之间有较好的一致性,FY-2E卫星反演地面入射太阳辐射数据集产品空间分辨更高,细节更清晰。     

几种卫星反演土壤湿度在中国地区的对比分析

鉴于土壤湿度是气象学、气候学研究领域中的重要环境因子和过程参数,目前对于各种卫星土壤湿度产品在中国地区的精度验证研究较少。该文在中国地区对ASCAT、SMOS、FY 3种全球范围卫星反演土壤湿度产品进行时空对比,评价三者一致性,并使用站点观测资料(土壤湿度、降水量)对其反演产品进行检验。结果表明,中国区域内ASCAT、SMOS、FY反演土壤湿度空间分布较为一致,但与ASCAT、SMOS相比,FY卫星产品的大值区域分布与另外2种有所不同;与站点土壤湿度数据相比,ASCAT卫星产品在各个地区表现一致,与地面数据相关性较好,SMOS和FY卫星产品在一些区域表现较差;与降水量数据相比,3种土壤湿度产品与降水量的变化趋势较为一致,FY卫星产品在一些地区的一些时间段与其他2种卫星产品数据表现出较大的偏差。     

FY-3D-MWRI陆表温度的全国气象台站检验

针对FY-3D-MWRI卫星数据L2级陆表温度产品精度及可用性问题,对2019年1—12月全国区域内卫星遥感陆表温度(Ta)与2 000多个气象台站同步地面温度(Tg)和草面(雪面)温度(Ts)进行标准差对比与相关性分析检验。结果表明：利用FY-3D-MWRI数据反演的陆表温度与地面观测结果基本一致,瞬时值产品平均标准偏差小于6.4℃,数据相关性0.54以上,旬月产品更精确,能够比较准确反映我国各地陆表温度的时空分布特征。同时,对于非均匀下垫面,反演的陆表温度与地面温度和草面地温的相关性一般,但Ts-Ta与Tg-Ta存在显著线性正相关关系,且相关系数稳定。     

FY-4A气象卫星LST L2级产品地面检验

为了检验FY-4A气象卫星陆表温度(land surface temperature, LST)L2级产品数据的精度及可用性,对2019年FY-4A卫星逐分钟全圆盘及中国区反演的LST产品(Ta),与全国区域(除台湾省)3 300多个气象观测站观测时间差±120 sec之内的地面温度(Tg)和草面(雪面)温度(Ts)进行标准差对比与相关性分析。结果表明：FY-4A反演的LST产品与地面气象站观测结果一致,产品平均标准偏差为5.64℃和5.30℃,数据平均相关性0.911 1和0.904 8,能够准确反映我国各地LST的时空分布特征。对于像元(4 km×4 km)内下垫面,反演的LST与地面温度和草面地温的相关性高度一致,(Ta-Tg)与(Ta-Ts)存在显著线性正相关关系,且相关系数稳定。     

FY-3B与FY-3C/MWRI交叉定标及雪深算法应用

FY-3C/MWRI于2015年7月30日开始业务运行,与FY-3B/MWRI对地表微波辐射进行联合观测。为保证MWRI亮温数据的可靠性、一致性以及综合双星MWRI观测数据应用雪深业务算法,利用地面近似稳定目标格陵兰岛冰盖与亚马逊热带雨林,对双星MWRI亮温数据进行交叉定标。分析了交叉定标前后FY-3B与FY-3C/MWRI雪盖面积及雪深反演结果的一致性,并以2013~2014年冬季气象站点的雪深观测数据评价了交叉定标对雪深反演精度的影响。结果表明:FY-3C/MWRI亮温数据与FY-3B/MWRI数据一致性较好,二者各通道的亮温平均偏差介于-0.87~2.05K之间,前者多数通道略偏"暖";绝对值大于3K的偏差比例在18H、36V、86H及86V等通道略高(10%~18%),其他通道比例均较低;FY-3B与FY-3C/MWRI雪盖面积及雪深估算结果一致性较好,交叉定标对雪盖面积反演影响较小,交叉定标后FY-3C/MWRI雪深反演误差(RMSE)略微降低,MWRI雪深反演结果更加稳定。     

基于Sentinel-1与FY-3C数据反演植被覆盖地表土壤水分

基于新一代的Sentinel-1SAR数据与FY-3C的MWRI数据,研究植被覆盖地表土壤湿度反演方法。为消除植被对土壤湿度反演影响,首先利用FY-3C/MWRI的微波极化差异指数MPDI,建立植被含水量反演模型;然后,结合植被含水量反演模型和水—云模型,发展一种主被动微波联合反演植被覆盖地表土壤含水量模型;最后,在江淮地区开展反演试验,利用观测的土壤湿度数据进行反演结果的精度验证。结果表明:(1)对于植被覆盖地表土壤湿度反演,由FY3C/MWRI提取的MPDI对于去除植被影响效果较好;(2)相比于VH极化哨兵1号卫星数据,VV极化数据更适用于土壤含水量的反演,能够得到更高的土壤湿度反演精度;(3)哨兵1号卫星数据能够获得较高精度的土壤含水量反演结果,试验反演的土壤湿度值与实测值相关系数为0.561 2,均方根误差为0.044cm~3/cm~3。     

基于GIS的FY3 TOU臭氧总量产品验证分析查询系统

风云三号(FY-3)是中国的第二代极轨气象卫星,其星载遥感仪器探测全球资料的能力大大提高。目前,FY-3卫星臭氧总量产品已实现业务化生成,并且在多个应用领域中取得成功。然而,对于FY-3臭氧总量产品的精度评估分析还没有一个通用型的验证软件,能够快速获取全球任意区域的FY-3臭氧总量产品的精度。利用GIS地理信息系统和数据库技术进行FY-3臭氧总量产品验证分析软件的设计,基于地基观测数据和Aura OMI卫星臭氧数据,完成FY-3卫星臭氧总量产品与地基和星基的对比分析,实现FY-3卫星臭氧总量产品检验的自动化,为今后开展类似卫星臭氧产品的验证提供便捷平台。     

基于分组分裂窗算法的MTSAT-1R地表温度反演

以黑河流域上游和中游为研究区,针对MTSAT-1R卫星数据,运用MODTRAN 4.0及晴空状态下的TIGR大气廓线数据,发展了根据地表比辐射率、大气水汽含量、传感器观测角度分组模拟的分裂窗算法,进行地表温度反演。分析了传感器噪声、地表比辐射率和大气水汽含量3个参数对该算法的影响,并结合模拟数据、地面观测数据及MODIS地表温度产品,对反演结果进行分析评价。结果表明:当传感器垂直观测或大气水汽含量小于2.5g/cm2时,反演精度在1K以内;反演结果与地面观测数据对比差异较小,在阿柔站RMSE为3.7 K(日)/1.4 K(夜),在盈科站RMSE为2.4K(日)/2.0K(夜);与MODIS地表温度产品比较,空间分布呈现出一致性。总之,分组分裂窗算法能较好地用于MTSAT-1R卫星数据进行地表温度反演。     

FY-3C中分辨率成像光谱仪数据的窄波段地表反照率验证研究

地表反照率数据对地表能量平衡和全球变化研究具有重要意义。基于2014年FY-3C卫星250 m分辨率的反射率数据和角度数据,选取非洲及北美洲的4个区域作为研究区,采用RossThick-LiSparseR模型作为BRDF(Bidirectional Reflectance Distribution Function)核模型反演了地表窄波段反照率,得到250 m分辨率的4个窄波段黑空、白空反照率。将反演得到的FY-3C地表窄波反照率产品与MODIS反照率产品（MCD43A3）数据进行了交叉验证,结果表明：FY-3C窄波段反照率与对应MODIS窄波段反照率对比的均方根误差在0.01~0.04,平均偏差(MBIAS)为0.09,FY-3C窄波段反照率与对应的MODIS窄波段反照率在可见光波段、近红外波段有较好的一致性。本研究提升了国产风云极轨卫星的应用范围,可为FY-3C地表反照率业务化产品提供算法支撑。     

利用MODIS资料计算不同云天条件下的地表太阳辐射

利用MODIS气溶胶和云产品卫星数据与大气辐射传输模式RSTAR,进行了晴空和有云条件下地表太阳辐射计算,并与香河综合辐射站的地基辐射测量值相比较。分析表明,晴空下二者相关性较好,相关系数平方R~2值为0.95,均方根误差RMSE为38.8 W/m~2。有云条件下,计算结果较差于晴空条件下,R~2值为0.88,RMSE为88.2 W/m~2。观测显示,香河站云—气溶胶共存现象较多,而MODIS仅按单一层的云进行微物理参数反演,导致模式输入参数误差,给地表太阳辐射计算结果引入误差。为了分析云-气溶胶共存状态对计算地表太阳辐射的影响,利用RSTAR计算了不同光学厚度的云和气溶胶在特定波段卫星观测的辐亮度值,并对于特定波段卫星接收的辐亮度值,用不同垂直结构的云和气溶胶分别反演其光学和微物理参数,再利用反演的结果分别计算相应的地表太阳辐射。结果表明:相对于单一云层的反演结果,云下气溶胶光学厚度(AOD)为0.1时,由反演误差所导致的地表太阳辐射估算误差较小;而随着AOD增加影响明显增大,在AOD为1.2时,相对误差达17.79%~18.38%。对于污染较重的华北地区而言,分析云覆盖下的气溶胶对地表太阳辐射的影响,有助于提高有云条件下地表太阳辐射的计算精度。     

基于FY-3C MWHTS的台风降水反演算法研究

为估测台风带来的地表瞬时降雨率,利用FY-3C上搭载的微波湿温探测仪(Microwave Humidity and Temperature Sounder,MWHTS)的L1级在轨观测亮度温度数据与多卫星降水分析TMPA(Tropical Rainfall Measuring Mission(TRMM)Multi-Satellite Precipitation Analysis)3B42降水产品数据,通过多元线性回归和BP神经网络两种算法对台风区的降水情况进行了反演研究。结果表明,由这两种算法反演的降水分布图可以清晰地看到台风中心、云墙以及螺旋雨带等台风的位置、分布及结构信息,这与TMPA 3B42降水产品数据估测到的台风降水分布图相一致。此外,从定量的角度来看,TMPA 3B42降水数据与这两种反演算法反演的地表瞬时降水量(mm/hr)都具有较高的相关性和较小的偏差和均方根误差,反演的精度较高。故这两种算法都可以用来反演台风区的降水量,同时也表明FY-3C MWHTS微波在轨观测资料在台风区监测及降水研究中能发挥出较高的应用价值。     

结合极轨卫星MODIS和静止气象卫星MTSAT估算黑河流域地表太阳辐射

基于MODIS和MTSAT卫星数据发展了一种新的地表入射太阳辐射估算算法。算法以复杂辐射传输模拟(MODTRAN和LibRadtran)建立的查找表为核心,通过结合MODIS的大气及陆地产品和MTSAT可见光通道的数据获取时空连续的区域太阳辐射资料。新查找表算法的运用可以从理论上保障地表太阳辐射的估算精度;而极轨卫星MODIS和静止气象卫星MTSAT的结合可以充分发挥二者的优点,得到高时间分辨率和高空间分辨率的地表太阳辐射产品。利用黑河综合遥感联合试验3个站的太阳辐射观测数据评价算法的精度,结果表明:算法可以给出较高的计算精度,而计算的太阳辐射资料可以作为地表过程模型和生态模型中相关地表辐射的输入量。
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中国区域CO_2多年时空变化的卫星遥感分析

为了更充分地了解CO_2地面源和汇的分布特征,利用中国区域地面观测数据和AIRS反演的2003年1月~2012年12月CO_2三级产品分析了中国地区对流层CO_2浓度在不同季节的时空分布及多年变化特征。结果表明:1AIRS反演的CO_2产品与地面观测数据具有较好的一致性,相关系数0.85以上,月平均值偏差在3ppmv以内。CO_2随时间均呈增长趋势,两者呈现一致的季节波动性,卫星反演结果略有滞后。GOSAT反演CO_2比AIRS偏低,两者的相关性较低;2CO_2浓度呈现北高西南低的分布规律,多年月平均增长率为0.177。北方地区的CO_2增长率大于南方,东部的CO_2增长率大于西部;3CO_2浓度整体在春季呈现增长趋势,秋季呈现减小趋势。春季CO_2浓度较高主要出现在东北地区、内蒙古和新疆,多年平均浓度达到389ppmv以上,相应地这些地区在春季和夏季CO_2浓度年增加量达到2ppmv以上。秋季CO_2浓度在内蒙古和西南地区减小趋势明显。     

地面能见度观测在卫星遥感IDDI指数中的融合应用

为了弥补卫星遥感沙尘监测云区之下的缺失信息,同时改进卫星遥感沙尘产品的精度,进行地面水平能见度资料与风云二号气象卫星红外差值沙尘指数(InfraRed Difference Dust Index,IDDI)的融合处理。首先采用2006~2010年3~5月沙尘多发期4:00~6:00的IDDI以及6:00的水平能见度建立两者的相关关系,结果表明:在西北地区,卫星沙尘指数IDDI与站点水平能见度之间呈较好的线性相关关系,而且3~5月的不同月份呈现不同的相关系数。然后利用所建立的相关关系将水平能见度资料转换为IDDI;最后对其进行融合处理,对存在IDDI观测值的像素利用周围站点的水平能见度资料采用反距离加权法进行修正,对不存在IDDI观测值的情况利用周围站点的水平能见度资料采用反距离加权法进行插值,得到沙尘观测结果。将该方法分别应用于2007年5月10日以及2008年4月20日发生在西北地区的沙尘过程中,得到较好的融合结果。同时显示出该方法更适用于沙尘过程强度较大,地面观测站点主要集中在卫星观测边缘附近的特征。     

FY-3近红外与热红外资料大气柱水汽总量反演对比

大气水汽含量信息对卫星图像辐射校正、大气微物理过程理解、降水预报等具有重要意义。分别利用FY-3A中分辨率成像光谱仪(MERSI)近红外和扫描辐射计(VIRR)热红外通道反演大气柱水汽总量,并将反演结果与地面探空站观测值进行比对分析,结果表明:(1)MERSI反演值与观测值的相关系数为0.763,而VIRR反演值与观测值的相关性较差,相关系数为0.169;从水汽含量的反演精度看,MERSI(RMSE=1.109g/cm~2)高于VIRR(RMSE=1.894g/cm~2);(2)MERSI三通道水汽反演精度比17、18、19通道(RMSE分别为1.133、1.424和1.827g/cm~2)高,主要原因是3个水汽通道对水汽敏感性不同,综合利用3个通道反演大气柱水汽含量可达到取长补短的效果。     

FY-3/VIRR资料积雪多阈值综合判识方法研究

利用卫星遥感监测积雪分布相比地面观测具有明显优势,目前基于FY-3卫星数据在积雪监测方面的研究较少。借鉴现有积雪卫星遥感监测算法,研究出适用于FY-3/VIRR资料的积雪判识方法,利用归一化积雪指数和多波段综合阈值实现积雪判识,提取积雪信息生成区域二值化积雪分布图。通过实例分析验证算法有效可行,并与MODIS积雪产品MOD10及其L1B数据NDSI判识结果进行对比,说明算法判识结果良好。研究表明,FY-3卫星数据可作为积雪遥测的可靠资料来源,可延用于积雪监测与灾害预警业务系统中,促进国产卫星数据的应用与推广。     

基于HJ-1卫星数据反演长江三角洲地区气溶胶光学厚度

探索利用我国HJ-1卫星CCD数据,运用深蓝算法开展长江三角洲地区气溶胶光学厚度反演的可行性,并将结果与其他气溶胶光学厚度产品进行比较。针对HJ-1A和HJ-1B数据,反演结果分别与MODIS气溶胶光学厚度产品以及AERONET地基观测数据进行对比验证。结果表明:深蓝算法得到A星、B星的反演结果与MODIS气溶胶产品呈显著相关,但在数值上普遍高于MODIS产品;反演结果与AERONET站点数据之间的误差介于0.008~0.364之间,研究时段内站点数据缺乏,未对误差进行严格的统计分析。基于深蓝算法的HJ-1卫星数据反演结果虽然在数值上与MODIS气溶胶光学厚度产品存在系统性偏差,但在空间上能够较好地反映长江三角洲地区大气气溶胶分布状况,且具有空间分辨率高的优势。     

Himawari-8气溶胶产品的验证及应用

为准确分析中国地区气溶胶空间分布与时间变化特征规律,首先利用中国地区9个AERONET(Aerosol Robotic Network)地基站点观测资料对新一代静止气象卫星Himawari-8气溶胶光学厚度(Aerosol Optical Depth,AOD)产品数据进行一致性验证,并在此基础上选取2015年7月至2018年4月Himawari-8逐小时AOD数据分析了中国地区气溶胶光学厚度时空变化特征。结果表明:①Himawari-8 AOD与AERONET AOD之间相关性很高,9个站点的相关系数R在0.64～0.91之间,拟合曲线斜率k的范围为0.57～0.68。②Himawari AOD产品与AERONET AOD的相关性在中午时段较其他时段相对较低;北方地区Himawari-8 AOD冬季反演效果与夏季相比较差,南方地区则相反。③中国地区年平均AOD呈东高西低分布,春、夏两季AOD明显高于秋、冬两季,其中夏季最高,春季次之;地区间AOD月变化差异也较大;大部分地区AOD日变化呈现先下降后上升再下降的趋势,AOD最高值出现在午后14～16时,最低值出现在18时。研究结果为了解中国地区大气气溶胶的时空变化规律和全天时的大气污染监测方法提供新的参考。     

FY-4闪电资料在厦门强降水监测预警中的应用

FY-4上的闪电成像仪(Lightning Mapping Imager,LMI)从静止轨道平台对视场覆盖范围内的闪电进行连续不间断的观测,闪电资料为监测预警强对流天气提供了重要信息。为研究FY-4闪电资料监测预警强对流的能力,以2018年5月7日厦门暴雨为研究个例,利用FY-4闪电资料、FY-4亮温资料、厦门市自动气象站降水资料以及地面闪电定位网监测数据,研究闪电数据在强降水监测预警中的应用。结果表明:FY-4闪电资料与地基闪电进行数据融合,有效减少了天基与地基闪电产品各自数据的不完整性、不确定性和误差;闪电的移动轨迹与对流云团的移动轨迹相符,且在云团移动轨迹的前方;温度梯度较大的区域和深对流内,闪电强度较强;闪电强度与雨强成正比,且闪电频数峰值多出现在降水峰值前45 min左右。     

简化紫外辐射模型在基于OMI卫星传感器数据反演西太平洋海面紫外辐射中的应用

将简化紫外辐射传输模型应用于OMI卫星传感器数据,研究西太平洋地区B波段(UVB)的紫外辐射,其中卫星数据取自OMI传感器中L2级数据,地面实测数据取自加拿大全球紫外辐射中心(WOUDC)。将模型反演的UVB辐射数据与位于西北太平洋的两个典型站位实测数据进行了比较,结果显示卫星反演的UVB数据与地面实测数据具有很好的一致性,表明该简化的紫外辐射传输模型在基于OMI卫星传感器数据反演西太平洋地区的UVB辐射时具有良好的适用性。利用卫星反演的UVB数据,研究了西太平洋地区UVB辐射的时间及空间变化规律,这些变化规律与已有的观测结果一致。