第五课题：中尺度暴雨的遥感理论和方法研究

许健民、刘黎平

( 一 ) 雷达专题组汇报

刘黎平、薛纪善、邱崇践崔哲虎、周海光

主要内容

• 研究内容• 进度安排• 工作进展• 主要问题

研究内容•雷达气象产品生成方法和软件系统研究 雷达网的三维格点资料、地面降水产品、风场拼图产品

•卫星和雷达资料和产品在数值模式同化中的应用

卫星、雷达和云参数的同化•中尺度暴雨三维结构分析及雷达遥感新理论研究

晴空回波的探测及应用、暴雨热力和动力结构研究、遥感新技术研究

进度安排•在 2005 年 12 月前，完成气象产品算法研制工作；完成资料同化的整体构想和详细的方案，将红外和微波资料用到实时和再分析场中；

• 2006 年 12 月前，提交外场试验个例气象产品；得到晴空风场、暴雨微物理和动力结构的一些特征 ；云导风产品、水汽通道亮温资料融合到实时和再分析场中。

项目进展（ 1）•雷达资料的质量控制 雷达资料的质量控制是生成产品质量的关键！

开展了地物回波识别、地物遮挡对气象产品的影响、零度层亮带识别、对流云和层状云回波识别、雷达网回波强度订正方法、速度模糊剔除、等工作；

Z

V

W

资料

TDBZ

SPIN

SIGN

GDZ

MDVE

SDVE

MDSW

变量提取

隶属函数

模糊处理

隶属函数

隶属函数

隶属函数

隶属函数

隶属函数

隶属函数

Weight

Weight

Weight

Weight

Weight

Weight

Weight

Weight

Sum

Final Interest field

Apply Threshold

AP Detection Product

地物模糊逻辑识别方法

加权

KLSX radar on July 7, 1993 at 0334 UTC

暴雨中层状云和对流云的识别

主要依靠雷达反射率因子 ,而且为了避免零度层亮带 ,这里在 2.5KM 高度以下识别．主要分三步进行：

（ 1）设定一个阈值，将所有点的反射率强度与其比较，大于它的点就判断为对流云点。

（ 2）强度大于背景平均反射率强度且超过某个值的点也判断为对流云点。

（ 3）求出上两步的对流云点的影响半径，完善对流云区，剩下的有效值点判断为层状云。

对流云 /层状云识别结果对流云

层状云

雷达网气象产品生成软件系统

雷达资料地面降水资料

雷达资料质量控制（非气象回波识别、回波强度

订正、零度层识别等）

三维处理和拼图Z-R 关系和地面资料订正

高时空分辨率的地面降水产品

非降水回波

三维强度和径向速度拼图产品

中尺度模式资料

时空配对

三维风场反演和拼图

三维风场拼图产品

项目进展（ 2）

利用 3维变分同化方法同化雷达速度和回波资料，实现动力和热力场的反演改善了现有的由单多普勒雷达资料反演 3维风场的方法，主要是对资料的处理方面，考虑了大气折射作用对路径和径向速度的影响；利用 WRF/3DVAR 进行了同化雷达资料和反演资料的试验。结果表明仅同化雷达速度观测对改进预报作用不大。

从雷达资料获取中尺度暴雨系统的动力和热力结构特征

项目进展（ 3）

非常规资料的同化－ 快

速三维分析系统• 基于 GRAPES-3DVar 的 4DDA 系统• 改进分析 -模式的接口（增量插值）提高分析精度

• 引入非绝热数字滤波初始化消除没有气象意义的短周期震荡，适应观测资料的更新

• 非常规资料的应用：飞机起、降报告，多普勒雷达的 VAD 风……

• 时间分辨率 ~3(1) 小时 ;空间分辨率 ~3km(1km)

项目进展（ 4）

非常规资料的同化－

云的分析 多普勒雷达反演云内水物质参数 :

雷达方程与简单的云模式结合

中尺度模式的“热启动” , 改进 0-3小时的预报

雷达反演的中尺度模式云参数

云水云水

雨水雨水

提供模式显式云方案的初值

几个问题• 资料同化部分在哪个课题？请项目确定。• 密切本课题与外场试验的联系，希望外场试验尽快提供四个区域雷达、地面资料的个例样本、地面资料格式等，以便尽快试验产品算法。

• 希望外场试验考虑增加双线偏振雷达观测、重视暴雨发生前晴空回波资料的获取！

( 二 ) 探测中尺度暴雨系统多参数三维结构的卫星定量遥感理论和方法及其在中尺度资料同化中的

应用研究 200508 中期汇报

许健民2005 年 8 月 30 日

卫星遥感大尺度动力场

张其松

卫星遥感大尺度动力场工作进展• 在大气辐射传输表的基础上，改进了云高度订正

的方法。用 GMS 资料试算结果表明，使用大气辐射传输表以后，云高度指定的精度有了较大的改进。

• 把国外文献中记载外国己经采用的方法一一试算，如用一阶距代替相关法做匹配、次像元配准、质量指数、提高导风密度计算中的样本和搜索区域大小等。只要这些措施对提高风的分布、改进风的精度有用，就采用。这些措施的采用，加上使用标称图以后图像几何畸变的标称化，使风的分布、合理性和精度有了较明显的改进。

• 己经进行了业务运行，并将风的资料转成 WMO规定的 BURF 码，向 GTS 分发。

槽前面分速较大后面风速较小

6 月 10 号 5 点的云图中云导风说明槽的下大雨的过程

脊

6 月 21 号 5 点的云图中云导风说明脊的下暴雨的过程

FY-2C 云检测、云分类

刘健 师春香 罗敬宁

VIS Image

IR Image

云类型确定• 积雨云（ CB 云）：对于段内某个类别，

如果其水汽亮温和红外亮温的差值大于 5K ，说明此类别位很强的对流云团，即定义为积雨云；

• 密卷云：使用每个类别的红外和水汽亮温散点图分析，计算其斜率，如果其斜率很大则定义为密卷云，此处使用 0.5 作为经验阈值；

云类型确定• 非密实高云：使用红外和水汽散点图分

析，对于斜率比较高，红外亮温也较高的类别，定义其为非密实高云，此处使用 0.3 作为经验阈值；

• 高层云和雨层云：使用红外和水汽散点图分析，对于斜率比较低，红外亮温较高的类别，定义为高层云和雨层云。

红外图像与云分类图像对比

红外图像与云分类图像对比

《气象卫星遥感下垫面参数反演技术研究》进展

• 本专题上半年以国内外现有的卫星遥感技术，尤其是气象卫星遥感仪器反演下垫面土壤湿度和反照率的理论与技术调研为主。

1 、下垫面土壤湿度反演技术调研

1 ）地表湿度信息提取的短波红外遥感技术 地面实验表明，在短波近红外波段，以近红外波段对土壤湿

度的反应最为敏感。利用地面的实验观测资料，可以得到土壤湿度与近红外波段反射率的相关方程近似为线性关系：M=55.36-0.84*R，其中，M为土壤湿度（%）、 R为近红外波段的反射率。尽管地面的实验观测得到了很实用的关系式，但利用星载可见光和近红外遥感资料直接反演地表湿度，仍然存在很大障碍。对星载遥感器而言，大气的影响以及卫星和太阳高度角、卫星和太阳之间方位的角以及遥感器衰减等因素，都会影响星载可见光近红外遥感器的观测值，土壤湿度所引起的变化与其它因素相比并不显著，会被其它因素所引起的变化淹没掉，使得实用性受到限制。

2 ）土壤湿度信息提取的红外遥感技术 • 热惯量方法。 土壤热惯量是度量土壤热惰性的物理量，反映土壤阻止热变化的能力。它随土壤密度、热传导率、热容量的增加而增加，而土壤密度、热传导率、热容量等特性的变化在一定条件下取决于土壤含水量的变化，所以土壤热惯量与土壤含水量之间呈正相关关系。此外，土壤湿度控制着土壤表层温度日较差，土壤日较差与土壤含水量之间呈负相关关系，土壤日较差可以利用卫星遥感数据获得。因此，对于裸土和低植被覆盖区域，可利用气象卫星数据和实测土壤墒情资料，运用热惯量模型反演土壤表层湿度。以热惯量法为基础，国家卫星中心利用 FY-2C静止气象卫星数据，通过多时次资料进行地方时订正获得地表升温幅度，来取代日较差，利用地表升温幅度和农气站点土壤湿度实测资料建立统计模型，反演土壤湿度。

• 植物蒸散 CWSI 和植物缺水系数法。在植被覆盖条件下用遥感方法估算潜在蒸散的经验模型。作物缺水指数（ CWSI）是以植物叶冠表面温度 (Tc) 和周围空气温度 (Ta) 的测量差值 , 以及太阳净辐射的估算值计算出来的 , 实质上反映出植物蒸腾与最大可能蒸发的比值。因此 , 在较均一的环境条件下，可以把作物脱水指数与平均日蒸发量联系起来 , 作为植物根层土壤水分状况的估算指标。以能量平衡为基础，将遥感反演的地表参数、气象观测数据结合起来研究潜热通量，建立各种蒸散模型估算地表蒸散，进一步运用统计的方法估算土壤湿度。在有植被覆盖的情况下 ,作物缺水指数法精度高于热惯量法 ,但其计算复杂 ,一些要素仍依赖于地面气象台站 ,实时性不能保证。

3 ）地表湿度信息提取的微波遥感技术 • 主动微波遥感土壤含水量。主动微波遥感仪器以机载和

星载雷达为主。影响雷达后向散射系数的因子除土壤含水量外还有土壤粗糙度、土壤纹理等。从雷达后向散射信号中提取土壤含水量信息时，面临的最大困难是如何科学合理地将土壤含水量信息与其它信息区分开。很多情况下，粗糙度对后向散射的影响相当大甚至超过土壤含水量的影响。应用结果表明利用 Narayanan的算法可以比较准确地得到土壤含水量和土壤粗糙度信息。主动微波遥感应用前景广阔，但目前还没有可以业务接收的主动雷达资料，阻滞了主动微波土壤含水量的遥感反演业务应用的研究试验。

• 被动微波遥感土壤含水量。星载微波辐射计观测到的微波亮温主要取决于地表和大气发射和散射的微波辐射。其中地表的微波辐射量又主要取决于地表的介电常数进而与地表的水分信息土壤含水量密切相关。对低频被动微波而言，土壤湿度是影响微波辐射测量的关键因子。虽然被动微波遥感技术已成为目前遥感土壤含水信息的最具业务应用前景的技术手段。但利用星载被动微波遥感资料反演地表湿度信息的应用技术，受陆地表面自身物理特性变化的复杂性和星载被动微波遥感仪器探测能力的限制，还没能摆脱算法的地域性限制，也尚未得到令人满意的定量反演精度。

Apr. 13

May 2

May 19

May 27Jun. 5

Jul. 4

利用 AMSU微波资料反演中国部分地区土壤湿度（ 2000年）

利用卫星微波通道资料反演得到的土壤湿度与常规分析的比较（ 2001 年 5 月 10 日）

4 ）小结 1 、被动微波遥感技术是未来定量反演地表湿度的主要遥

感技术途径。目前在轨的被动微波遥感仪器中最低频点位于X波段，围绕土壤湿度的遥感反演开展 X波段地表微波辐射特性研究，解决 X波段土壤及植被的微波辐射机理，将推动X波段被动微波遥感资料的深入应用；

2 、红外和可见光波段的遥感信息具有远比星载被动微波遥感资料高得多的空间分辨率，为微波像元内部的组分结构分析提供了实时的动态信息，同时也间接反映着地表的湿度特征；

3 、在地表湿度信息的遥感反演过程中，综合应用多波段遥感信息，不仅可以相互验证不同波段反演结果的正确性，同时也为引发出多种遥感信息融合应用于地表湿度信息提取的思路，随着人们对地表电磁辐射特性的深入理解，多波段遥感信息融合反反演将促成质量更优的地表湿度遥感反演产品。

新型卫星遥感资料的红外和微波降水估计方法研究

工作进展报告

 卢乃锰 游然

 

报告内容一、遥感数据的收集整理

二、降水估计算法研究 三、下阶段主要工作

一、遥感数据的收集整理

1. SSM/I ： 2002 年夏季 6 、 7 、 8 月中国区域原分辨率数据；

2. TRMM ： 1998 、 1999 和 2000 年夏季中国区域 TMI 和 PR 数据；

3. GMS ： GMS停止运行前多年存档的 S-VISSR 数据。

4. FY-2C 发射后的所有通道中国区域数据

二、降水估计算法研究1. 调研了卫星降水估计研究的国内外发展最新进展，形成了《微波降水方法综述》技术报告；

2. 完成了静止卫星红外资料与极轨卫星微波资料以及卫星与雷达资料之间的匹配方法研究，开发了相应的软件；

3. 改进了红外降水估计技术，完成了利用风云二号 C 星资料进行降水估计的工作；

4. 改进了常规观测资料与卫星降水估计结果的融合方法；

5. 开展了包括非球形粒子散射云模型在内的典型云雨大气的微波降水正演模型研究；

6. 与国际降水研究计划（ GPM ）建立了联系，邀请首席科学家 Smith访问了国家卫星气象中心，探讨了在降水工作方面开展国际合作与交流的可能性；

7. 先进的微波探测器AMSR-E性能特征分析；

8. 微波快速大气透过率模式（调研）；

9. 利用微波资料进行了台风结构分析。

国家重点基础研究发展计划国家重点基础研究发展计划我国南方致洪暴雨监测与预测的理论和方法研究项目我国南方致洪暴雨监测与预测的理论和方法研究项目

利用利用 NOAA/AMSUNOAA/AMSU 微波资料进行微波资料进行台风强度和降水分析台风强度和降水分析

100hPa

350hPa

200hPa

550hPa

地面降水

参考参数：平均风力： 30m/s ；最大风力： 40m/s

25m/s 风力半径：北部 54km;南部 70km

海棠台风

海棠台风

下阶段主要工作 ( 风 )

• 2006 年 4 月，第八届国际云导风会议将在中国举行。在下半年的工作中，我们将与数值预报创新基地的人员合作，将云导风的结果应用于数值预报，在第八届国际云导风会议上发表风对数值预报影响的文章。

下阶段主要工作 ( 云 )

• 目前风云二号云分类业务使用了动态门槛法。在今后的工作中，我们将把云的相态和微物理特征的研究继续进行，成熟时将该方案应用于 FY-2C ，建立生成业务产品的算法软件。

下阶段主要工作 ( 下垫面 )

• 根据上半年土壤湿度和地表反照率的卫星资料定量反演遥感技术的调研情况，初步确定卫星遥感土壤湿度和地表反照率的反演方法；

•收集部分历史地面观测数据和卫星遥感数据，对计算结果进行客观分析，测试方法的可行性。

下阶段主要工作 (降水估计 )

1. 完成样本分析方案的制定和分析软件的编写。2. 完善红外降水估计方法，建立微波统计反演方

法3. 针对强暴雨系统建立基于红外和水汽通道的三通道降水区判识方法；

4. 完成微波多参数正演敏感性试验。发表相应论文；提出多元降水分析融合方法。

5. 设计针对风云三号和美国 NPP微波载荷的台风、暴雨天气系统的微波降水反演方法。

下阶段主要工作 ( 三维结构 )

• 下半年将对 2005 年的个例进行分析

谢谢 !