風(fēng)云二號E星和多角度成像儀的云導(dǎo)風(fēng)資料質(zhì)量對比

金 雪, 韓 威, 朱克云, 陳 靜

(1.成都信息工程學(xué)院大氣科學(xué)學(xué)院,四川成都610225;2.中國氣象局?jǐn)?shù)值預(yù)報中心,北京100081)

0 引言

在氣象學(xué)科中,為研究各種數(shù)值模式的準(zhǔn)確性,常將各種衛(wèi)星資料進(jìn)行同化,并加以研究分析。云導(dǎo)風(fēng)在數(shù)值天氣預(yù)報研究中展示了其較好的應(yīng)用前景,同化來自地球靜止衛(wèi)星(例如:MET-9)以及極軌衛(wèi)星(例如:MODIS)的高質(zhì)量云導(dǎo)風(fēng)對于提高模式預(yù)報技巧有著積極的作用[1]。Delsol等[2]指出,ECMWF數(shù)值天氣預(yù)報模式應(yīng)用的是MET-7、MET-9、GOES-11、GOES-12、MTSAT-IR、MODIS Aqua以及MODIS Terra衛(wèi)星的風(fēng)場,這些衛(wèi)星通過追蹤紅外線、可見光和水汽通道獲得風(fēng)場信息。這個數(shù)據(jù)庫雖然大但是不全,最為顯著的是高緯度地區(qū)只有通過MODIS衛(wèi)星數(shù)據(jù)稀疏取樣。如何有效地利用云導(dǎo)風(fēng)資料,使其能有效的提高應(yīng)數(shù)值預(yù)報業(yè)務(wù)水平還有待進(jìn)一步研究。更好的覆蓋率和反演質(zhì)量將得到更完善的資料,這將促使天氣預(yù)報更加長足的進(jìn)步。

然而,FY-2E云導(dǎo)風(fēng)資料在數(shù)值模式中的試驗研究較少,而不同的靜止衛(wèi)星還具有各自的誤差特性,2011年FY-2E云導(dǎo)風(fēng)資料較上一年相比會有不同的變化,需要進(jìn)行大量的研究來驗證以下特性:

(1)2011年FY-2E云導(dǎo)風(fēng)資料質(zhì)量提高程度。

(2)資料是否可優(yōu)化及可優(yōu)化的特性。

(3)驗證資料在數(shù)值模式中的可用性。

衛(wèi)星風(fēng)場誤差的主要來源在于獲取云頂高度(CTHs)[3]。云頂高度通常來自輔助信息,如溫度剖面模型,本身就存在一定的偏差。一個不依賴輔助信息的方法可以消除這種誤差的來源,并且因此能夠提高風(fēng)場資料的質(zhì)量。MISR(Multi-angel Imaging SpectroRadiometer)應(yīng)用這樣一種立體技術(shù),可以在不借助輔助信息的情況下,同時反演出云動和云高。Katrin Lonitz,ákos Horváth等為了確切證明MISR的觀測是可靠的,使用來自獨立衛(wèi)星測量得到的數(shù)據(jù)來評估MISR云導(dǎo)風(fēng)資料,比較了MISR和MET-9兩種導(dǎo)風(fēng)資料,研究不同要素下的平均偏差、均方根誤差和相關(guān)系數(shù),最終證明了MISR觀測的可靠性。將FY-2E資料與MISR資料進(jìn)行對比分析,就保證了研究的可靠性。

采用對比的方法研究FY-2E云導(dǎo)風(fēng)資料質(zhì)量的改進(jìn)問題,做了4個方面的工作:

(1)對MISR與FY-2E資料的研究現(xiàn)狀進(jìn)行分析,研究資料的特性及應(yīng)用。

(2)制定針對兩種資料的研究方法,對其進(jìn)行數(shù)據(jù)匹配處理。

(3)對比兩種資料,對2010年與2011年1～8月FY-2E的導(dǎo)風(fēng)資料進(jìn)行對比研究,統(tǒng)計兩種資料的相關(guān)性。

(4)分析其質(zhì)量的改進(jìn)程度以及有待改進(jìn)之處,得出結(jié)論,驗證FY-2E導(dǎo)風(fēng)資料的質(zhì)量提升。

1 資料介紹與研究方法

1.1 MISR資料

多角度成像儀MISR是美國隊地觀測計劃中的一個重要的傳感器,通過多角度觀測提供了更多地表各向異性信息。以下將對MISR資料進(jìn)行研究及分析。

1.1.1 MISR資料簡介

美國宇航局的EOS(Earth Observing System)對地觀測計劃包括一系列的衛(wèi)星和數(shù)據(jù)處理技術(shù)以及支持對陸地、生物圈、大氣圈和海洋圈的長期觀測。作為一個重要的傳感器,MISR搭載在1999年12月發(fā)射的Terra衛(wèi)星上。它最大優(yōu)勢在于多角度觀測,同時提供了9個觀測角度的數(shù)據(jù),觀測天頂角分別為0.0°、±26.1°、±45.6°、±60.0°和±70.5°,用戶可以充分利用對地物的多角度觀測信息,考察地物反射特征的各向異性。MISR在可見光和近紅外部分設(shè)置了4個波段,依次為藍(lán)(446.4nm)、綠(557.5nm)、紅(671.7nm)和近紅外(866.4nm)。MISR提供的觀測可以同時獲取多角度和多光譜信息,對同一地點,配準(zhǔn)后可以同時得到4個波段、9個角度,共36個觀測值。在全球觀測模式中,MISR在紅外波段和其他波段的天定方向觀測的地面空間分辨率為275m,其余均為1.1km;局部觀測模式中可以得到各個方向和各個波段均為274m的空間分辨率。MISR的純幾何立體技術(shù)同時反演出云動和云高,而且可能比那些依靠輔助信息得到高度場的傳統(tǒng)衛(wèi)星更加準(zhǔn)確[4]。使用的是2010年以及2011年1～8月的MISR云導(dǎo)風(fēng)資料。

1.1.2 MISR云導(dǎo)風(fēng)資料的可靠性

在過去的研究中,研究人員用10年的NCEP資料和MISR標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品對比驗證MISR標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品的優(yōu)勢,通過MISR標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品找到改進(jìn)方法,再對全球云導(dǎo)風(fēng)數(shù)據(jù)的波動情況進(jìn)行研究[6]。新型的全方位觀測技術(shù)需要新型的機(jī)器,MISR采取多視角的觀測方法來解決地球表面不是平面的問題,圖像導(dǎo)航也可以達(dá)到很精確的程度(＜275m),通過更快的計算機(jī)運算可以得到更好的質(zhì)量。Roger Davies and Aaron Herber等的研究表明MISR的優(yōu)勢如下[7]:

(1)MISR資料包括在高海拔在內(nèi),都有較高的覆蓋率。

(2)MISR資料高海拔觀測風(fēng)數(shù)量較多。

(3)MISR改善了上下行的差異。

(4)MISR減小了地面情況、風(fēng)的數(shù)量、雷電情況對數(shù)據(jù)的影響。

(5)用MISR可以觀測到更多區(qū)域的資料,可以對情況進(jìn)行更好的處理。

綜上所述,MISR標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品在云導(dǎo)風(fēng)資料的研究上有較多優(yōu)勢,利用MISR資料作為標(biāo)準(zhǔn)來對比研究FY-2E導(dǎo)風(fēng)資料在兩年間的提升情況具有非常好的可靠性[8],所以采用的方法是用2010年和2011年1～8月的MISR云導(dǎo)風(fēng)資料對FY-2E導(dǎo)風(fēng)資料進(jìn)行匹配,通過匹配結(jié)果,總結(jié)出近兩年內(nèi)FY-2E資料究竟有了哪些提高,還有哪些方面需要去改進(jìn)。

1.2 FY-2E

FY-2E是中國的風(fēng)云2號E星,其資料對于中國氣象事業(yè)的發(fā)展有重要應(yīng)用意義。

中國氣象局衛(wèi)星氣象中心反演的FY-2E云導(dǎo)風(fēng)資料包括用紅外云圖推算的大氣運動矢量和用水汽圖像資料推算的大氣運動矢量[5],屬于離散場,分布在50°S～50°N,55°E～155°E范圍內(nèi)每隔1度計算1個點,計算出風(fēng)的點就記錄下來,并對該點的風(fēng)是否可用給出判斷標(biāo)識,使用的是2010年以及2011年1～8月的FY-2E導(dǎo)風(fēng)資料。

1.3 資料的數(shù)據(jù)處理方法

所用的資料分別是2010年1～8月和2011年1～8月的MISR和FY-2E的云導(dǎo)風(fēng)資料,以及FNL資料。分析中需要對云導(dǎo)風(fēng)高度場進(jìn)行資料的匹配和分析,并且對比分析緯向風(fēng)和經(jīng)向風(fēng)的情況,所以應(yīng)用對應(yīng)時間的FNL再分析資料,將FY-2E導(dǎo)風(fēng)資料中的氣壓轉(zhuǎn)化成高度,便于高度場的匹配分析。再利用公式,將導(dǎo)風(fēng)資料的風(fēng)速與風(fēng)向轉(zhuǎn)化成u風(fēng)場和v風(fēng)場,便于緯向風(fēng)和經(jīng)向風(fēng)的分析。

對兩種資料進(jìn)行了匹配,匹配的基本原則為兩種資料觀測的時間差要在60分鐘之內(nèi);觀測的經(jīng)緯度差要在0.5°之內(nèi),在此基礎(chǔ)上從導(dǎo)風(fēng)資料中挑選與MISR資料高度最相近的點,作為最終匹配的結(jié)果。利用最終的匹配結(jié)果進(jìn)行畫圖以及參數(shù)分析,最后得出FY-2E導(dǎo)風(fēng)資料同MISR對比的結(jié)果。

在進(jìn)行資料處理與分析后,對2010年與2011年1～8月的FY-2E導(dǎo)風(fēng)資料與MISR云導(dǎo)風(fēng)資料進(jìn)行對比,以得出FY-2E在這兩年中的數(shù)據(jù)的優(yōu)劣程度,進(jìn)而分析近兩年FY-2E導(dǎo)風(fēng)資料質(zhì)量的變化趨勢。用IDL對研究所需數(shù)據(jù)進(jìn)行繪圖,并對得出的結(jié)果進(jìn)行對比。

2 結(jié)果分析與質(zhì)量對比

圖1給出了FY-2E和MISR云導(dǎo)風(fēng)資料高度場分布圖。從圖1(a)可看出2010年FY-2E紅外通道的云導(dǎo)風(fēng)高度場發(fā)散分布于0～15km,而2011年FY-2E和MISR云導(dǎo)風(fēng)資料高度場同時在0～3km附近分布比較集中,匹配程度加深。

圖1 FY-2E和MISR云導(dǎo)風(fēng)資料高度場分布

圖2和圖3分別給出了FY-2E和MISR云導(dǎo)風(fēng)資料u風(fēng)場及v風(fēng)場分布圖。從圖知,FY-2E云導(dǎo)風(fēng)資料u風(fēng)場與MISR云導(dǎo)風(fēng)資料的u風(fēng)場匹配效果較好,而 v風(fēng)場則一般。

圖2 FY-2E和M ISR云導(dǎo)風(fēng)資料 u風(fēng)場分布

圖3 FY-2E和MISR云導(dǎo)風(fēng)資料 v風(fēng)場分布

結(jié)合圖1、圖2、圖3分析可以得出,大部分的風(fēng)矢量是由高度范圍為0～2km、風(fēng)速范圍在0～10m/s的緯向風(fēng)和經(jīng)向風(fēng)組成的。如上所得結(jié)果與Katrin Lonitz,ákos Horváth等研究MISR與MET-9云導(dǎo)風(fēng)資料的分布結(jié)果基本一致,一定程度上證明了FY-2E資料的有效性的確有所提升。

圖4 2010年、2011年FY-2E和MISR云導(dǎo)風(fēng)高度場、U風(fēng)場、V風(fēng)場的差異隨QI的變化情況

圖4(a)、(b)分別為2010年、2011年1～8月FY-2E和MISR云導(dǎo)風(fēng)資料高度場水平差異分布隨QI的變化情況;圖4(c)、(d)為分別2010年、2011年1～8月FY-2E和MISR云導(dǎo)風(fēng)資料 u風(fēng)場水平差異分布隨QI的變化情況;圖4(e)、(f)分別為2010年、2011年1～8月FY-2E和MISR云導(dǎo)風(fēng)資料 v風(fēng)場水平差異分布隨QI的變化情況。

圖4(a)、(b)給出了FY-2E和MISR云導(dǎo)風(fēng)資料高度場水平差異分布隨QI指標(biāo)的變化情況。QI指標(biāo)越大表明資料的質(zhì)量越好,由圖可以看出FY-2E與MISR云導(dǎo)風(fēng)資料高度場水平差異分布較小的區(qū)域主要集中在QI＞40的區(qū)域,而圖4(b)即2011年的分布給出2011年差異較小的區(qū)域主要集中在了QI＞60區(qū)域,尤其是QI=80附近的區(qū)域。圖4(c)、(d)和圖4(e)、(f)中給出了FY-2E和MISR云導(dǎo)風(fēng)資料 u風(fēng)場及v風(fēng)場水平差異分布隨QI指標(biāo)的變化情況,大致的分布變化情況同高度場相似,2011年QI指標(biāo)的指示作用更強(qiáng)更有效。由圖4可知,QI指標(biāo)的指示作用隨著時間的推移也在逐漸提高,2011年的提高還是比較明顯。

圖5(a)、(b)分別為2010年、2011年1～8月FY-2E與MISR云導(dǎo)風(fēng)資料高度場差異分布隨緯度的變化情況;圖5(c)、(d)分別為2010年、2011年1～8月FY-2E與MISR云導(dǎo)風(fēng)資料 u風(fēng)場差異分布隨緯度的變化情況;圖5(e)、(f)分別為2010年、2011年1～8月FY-2E與MISR云導(dǎo)風(fēng)資料 v風(fēng)場差異分布隨緯度的變化情況。

從圖5(a)、(b)看出,FY-2E和MISR云導(dǎo)風(fēng)資料高度場差異較小值主要位于15°S～30°S以及 30°N～45°N附近,較大值主要位于低緯15°S～30°N附近,高緯度的資料比較稀缺。圖5(c)、(d)和圖5(e)、(f)分別為FY-2E與MISR云導(dǎo)風(fēng)資料 u風(fēng)場以及v風(fēng)場差異分布隨緯度的變化,由圖可知,分布變化情況同高度場相似,并且2011年相對2010年隨緯度的差異分布有略微變化,FY-2E和MISR云導(dǎo)風(fēng)資料差異值較小的資料數(shù)量增多,以致分布區(qū)域增大,看得出2011年FY-2E云導(dǎo)風(fēng)資料質(zhì)量還是略有提高。

圖6(a)為2010年、2011年1～8月FY-2E和MISR云導(dǎo)風(fēng)資料u風(fēng)場比較均方根誤差隨層次的變化情況;圖6(b)為2010年、2011年1～8月FY-2E和MISR云導(dǎo)風(fēng)資料 v風(fēng)場比較均方根誤差隨層次的變化情況。

為了檢驗FY-2E導(dǎo)風(fēng)資料的質(zhì)量和分析其誤差結(jié)構(gòu),用逐點臨近層比較的方法[9]分別進(jìn)行均方根誤差統(tǒng)計。由FY-2E與MISR云導(dǎo)風(fēng)資料的比較均方根誤差隨高度的分布圖上,可以看出無論是 u風(fēng)場還是v風(fēng)場,200hPa附近都有很大的風(fēng)速誤差,隨高度降低,誤差逐漸較少[10]。由于0～100hPa的云導(dǎo)風(fēng)數(shù)量極少,統(tǒng)計樣本太少不能反映真實情況。2011年相比2010年,FY-2E與MISR云導(dǎo)風(fēng)資料比較均方根誤差在200hPa附近改進(jìn)較為明顯,其次是在500～600hPa層次上也略有改進(jìn),而其他層次上的云導(dǎo)風(fēng)資料,2010年和2011年兩年的均方根誤差差異較小,并無較大的改變。

通過圖7(a)、(b)的對比,明顯的看出FY-2E導(dǎo)風(fēng)資料的覆蓋率相較其他兩種資料來說非常低,這是由于FY-2E衛(wèi)星每天只有4個時次的資料,日后需要努力改進(jìn)[11]。

3 總結(jié)與展望

統(tǒng)計分析了大量高質(zhì)量FY-2E和MISR云導(dǎo)風(fēng)資料。研究結(jié)果表明:

(1)無論是2010年還是2011年,FY-2E的導(dǎo)風(fēng)資料的大部分的風(fēng)矢量是由高度范圍為0～2km、風(fēng)速范圍在0～10m/s的緯向風(fēng)和經(jīng)向風(fēng)組成。

(2)FY-2E與MISR云導(dǎo)風(fēng)質(zhì)量較好資料主要集中在QI＞40的區(qū)域,2011年質(zhì)量較好的資料主要集中在QI＞60區(qū)域,尤其是QI=80附近,QI指標(biāo)的指示作用隨著時間的推移也在逐漸提高,2011年FY-2E云導(dǎo)風(fēng)資料的QI指標(biāo)指示作用明顯提高,表明了中國FY-2E資料的質(zhì)量在進(jìn)一步提高。

(3)2011年相對2010年隨緯度的差異分布有略微變化,FY-2E和MISR云導(dǎo)風(fēng)資料差異值較小的資料數(shù)量增多,以致分布區(qū)域增大,看得出2011年FY-2E云導(dǎo)風(fēng)資料質(zhì)量略有提高[12]。

(4)無論是u風(fēng)場還是v風(fēng)場,200hPa附近都有很大的風(fēng)速誤差,隨高度降低,誤差逐漸較少,2011年相比2010年,FY-2E與MISR云導(dǎo)風(fēng)資料比較均方根誤差在200hPa附近改進(jìn)較為明顯,其次是在500～600hPa;以上研究結(jié)果都與Katrin Lonitz,ákos Horváth等針對MISR資料同MET-9導(dǎo)風(fēng)資料所做的匹配試驗的研究結(jié)果比較一致,這說明FY-2E衛(wèi)星在2010～2011年,導(dǎo)風(fēng)資料的質(zhì)量都有了長足的提高。

但是通過分析,2011年高度差異的極值要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于2010年,并且資料的覆蓋率也遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于MISR以及MET-9等云導(dǎo)風(fēng)資料,這些都是需要進(jìn)一步研究和改進(jìn)的方面,希望未來FY-2E導(dǎo)風(fēng)資料可以真正有效的應(yīng)用到數(shù)值預(yù)報業(yè)務(wù)中,促使天氣預(yù)報更加長足的進(jìn)步。

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