金 雪, 韩 威, 朱克云, 陈 静

(1.成都信息工程学院大气科学学院,四川成都610225;2.中国气象局数值预报中心,北京100081)

0 引言

在气象学科中,为研究各种数值模式的准确性,常将各种卫星资料进行同化,并加以研究分析。云导风在数值天气预报研究中展示了其较好的应用前景,同化来自地球静止卫星(例如:MET-9)以及极轨卫星(例如:MODIS)的高质量云导风对于提高模式预报技巧有着积极的作用[1]。Delsol等[2]指出,ECMWF数值天气预报模式应用的是MET-7、MET-9、GOES-11、GOES-12、MTSAT-IR、MODIS Aqua以及MODIS Terra卫星的风场,这些卫星通过追踪红外线、可见光和水汽通道获得风场信息。这个数据库虽然大但是不全,最为显著的是高纬度地区只有通过MODIS卫星数据稀疏取样。如何有效地利用云导风资料,使其能有效的提高应数值预报业务水平还有待进一步研究。更好的覆盖率和反演质量将得到更完善的资料,这将促使天气预报更加长足的进步。

然而,FY-2E云导风资料在数值模式中的试验研究较少,而不同的静止卫星还具有各自的误差特性,2011年FY-2E云导风资料较上一年相比会有不同的变化,需要进行大量的研究来验证以下特性:

(1)2011年FY-2E云导风资料质量提高程度。

(2)资料是否可优化及可优化的特性。

(3)验证资料在数值模式中的可用性。

卫星风场误差的主要来源在于获取云顶高度(CTHs)[3]。云顶高度通常来自辅助信息,如温度剖面模型,本身就存在一定的偏差。一个不依赖辅助信息的方法可以消除这种误差的来源,并且因此能够提高风场资料的质量。MISR(Multi-angel Imaging SpectroRadiometer)应用这样一种立体技术,可以在不借助辅助信息的情况下,同时反演出云动和云高。Katrin Lonitz,Ákos Horváth等为了确切证明MISR的观测是可靠的,使用来自独立卫星测量得到的数据来评估MISR云导风资料,比较了MISR和MET-9两种导风资料,研究不同要素下的平均偏差、均方根误差和相关系数,最终证明了MISR观测的可靠性。将FY-2E资料与MISR资料进行对比分析,就保证了研究的可靠性。

采用对比的方法研究FY-2E云导风资料质量的改进问题,做了4个方面的工作:

(1)对MISR与FY-2E资料的研究现状进行分析,研究资料的特性及应用。

(2)制定针对两种资料的研究方法,对其进行数据匹配处理。

(3)对比两种资料,对2010年与2011年1～8月FY-2E的导风资料进行对比研究,统计两种资料的相关性。

(4)分析其质量的改进程度以及有待改进之处,得出结论,验证FY-2E导风资料的质量提升。

1 资料介绍与研究方法

1.1 MISR资料

多角度成像仪MISR是美国队地观测计划中的一个重要的传感器,通过多角度观测提供了更多地表各向异性信息。以下将对MISR资料进行研究及分析。

1.1.1 MISR资料简介

美国宇航局的EOS(Earth Observing System)对地观测计划包括一系列的卫星和数据处理技术以及支持对陆地、生物圈、大气圈和海洋圈的长期观测。作为一个重要的传感器,MISR搭载在1999年12月发射的Terra卫星上。它最大优势在于多角度观测,同时提供了9个观测角度的数据,观测天顶角分别为0.0°、±26.1°、±45.6°、±60.0°和±70.5°,用户可以充分利用对地物的多角度观测信息,考察地物反射特征的各向异性。MISR在可见光和近红外部分设置了4个波段,依次为蓝(446.4nm)、绿(557.5nm)、红(671.7nm)和近红外(866.4nm)。MISR提供的观测可以同时获取多角度和多光谱信息,对同一地点,配准后可以同时得到4个波段、9个角度,共36个观测值。在全球观测模式中,MISR在红外波段和其他波段的天定方向观测的地面空间分辨率为275m,其余均为1.1km;局部观测模式中可以得到各个方向和各个波段均为274m的空间分辨率。MISR的纯几何立体技术同时反演出云动和云高,而且可能比那些依靠辅助信息得到高度场的传统卫星更加准确[4]。使用的是2010年以及2011年1～8月的MISR云导风资料。

1.1.2 MISR云导风资料的可靠性

在过去的研究中,研究人员用10年的NCEP资料和MISR标准产品对比验证MISR标准产品的优势,通过MISR标准产品找到改进方法,再对全球云导风数据的波动情况进行研究[6]。新型的全方位观测技术需要新型的机器,MISR采取多视角的观测方法来解决地球表面不是平面的问题,图像导航也可以达到很精确的程度(＜275m),通过更快的计算机运算可以得到更好的质量。Roger Davies and Aaron Herber等的研究表明MISR的优势如下[7]:

(1)MISR资料包括在高海拔在内,都有较高的覆盖率。

(2)MISR资料高海拔观测风数量较多。

(3)MISR改善了上下行的差异。

(4)MISR减小了地面情况、风的数量、雷电情况对数据的影响。

(5)用MISR可以观测到更多区域的资料,可以对情况进行更好的处理。

综上所述,MISR标准产品在云导风资料的研究上有较多优势,利用MISR资料作为标准来对比研究FY-2E导风资料在两年间的提升情况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云导风资料对FY-2E导风资料进行匹配,通过匹配结果,总结出近两年内FY-2E资料究竟有了哪些提高,还有哪些方面需要去改进。

1.2 FY-2E

FY-2E是中国的风云2号E星,其资料对于中国气象事业的发展有重要应用意义。

中国气象局卫星气象中心反演的FY-2E云导风资料包括用红外云图推算的大气运动矢量和用水汽图像资料推算的大气运动矢量[5],属于离散场,分布在50°S～50°N,55°E～155°E范围内每隔1度计算1个点,计算出风的点就记录下来,并对该点的风是否可用给出判断标识,使用的是2010年以及2011年1～8月的FY-2E导风资料。

1.3 资料的数据处理方法

所用的资料分别是2010年1～8月和2011年1～8月的MISR和FY-2E的云导风资料,以及FNL资料。分析中需要对云导风高度场进行资料的匹配和分析,并且对比分析纬向风和经向风的情况,所以应用对应时间的FNL再分析资料,将FY-2E导风资料中的气压转化成高度,便于高度场的匹配分析。再利用公式,将导风资料的风速与风向转化成u风场和v风场,便于纬向风和经向风的分析。

对两种资料进行了匹配,匹配的基本原则为两种资料观测的时间差要在60分钟之内;观测的经纬度差要在0.5°之内,在此基础上从导风资料中挑选与MISR资料高度最相近的点,作为最终匹配的结果。利用最终的匹配结果进行画图以及参数分析,最后得出FY-2E导风资料同MISR对比的结果。

在进行资料处理与分析后,对2010年与2011年1～8月的FY-2E导风资料与MISR云导风资料进行对比,以得出FY-2E在这两年中的数据的优劣程度,进而分析近两年FY-2E导风资料质量的变化趋势。用IDL对研究所需数据进行绘图,并对得出的结果进行对比。

2 结果分析与质量对比

图1给出了FY-2E和MISR云导风资料高度场分布图。从图1(a)可看出2010年FY-2E红外通道的云导风高度场发散分布于0～15km,而2011年FY-2E和MISR云导风资料高度场同时在0～3km附近分布比较集中,匹配程度加深。

图1 FY-2E和MISR云导风资料高度场分布

图2和图3分别给出了FY-2E和MISR云导风资料u风场及v风场分布图。从图知,FY-2E云导风资料u风场与MISR云导风资料的u风场匹配效果较好,而 v风场则一般。

图2 FY-2E和M ISR云导风资料 u风场分布

图3 FY-2E和MISR云导风资料 v风场分布

结合图1、图2、图3分析可以得出,大部分的风矢量是由高度范围为0～2km、风速范围在0～10m/s的纬向风和经向风组成的。如上所得结果与Katrin Lonitz,Ákos Horváth等研究MISR与MET-9云导风资料的分布结果基本一致,一定程度上证明了FY-2E资料的有效性的确有所提升。

图4 2010年、2011年FY-2E和MISR云导风高度场、U风场、V风场的差异随QI的变化情况

图4(a)、(b)分别为2010年、2011年1～8月FY-2E和MISR云导风资料高度场水平差异分布随QI的变化情况;图4(c)、(d)为分别2010年、2011年1～8月FY-2E和MISR云导风资料 u风场水平差异分布随QI的变化情况;图4(e)、(f)分别为2010年、2011年1～8月FY-2E和MISR云导风资料 v风场水平差异分布随QI的变化情况。

图4(a)、(b)给出了FY-2E和MISR云导风资料高度场水平差异分布随QI指标的变化情况。QI指标越大表明资料的质量越好,由图可以看出FY-2E与MISR云导风资料高度场水平差异分布较小的区域主要集中在QI＞40的区域,而图4(b)即2011年的分布给出2011年差异较小的区域主要集中在了QI＞60区域,尤其是QI=80附近的区域。图4(c)、(d)和图4(e)、(f)中给出了FY-2E和MISR云导风资料 u风场及v风场水平差异分布随QI指标的变化情况,大致的分布变化情况同高度场相似,2011年QI指标的指示作用更强更有效。由图4可知,QI指标的指示作用随着时间的推移也在逐渐提高,2011年的提高还是比较明显。

图5(a)、(b)分别为2010年、2011年1～8月FY-2E与MISR云导风资料高度场差异分布随纬度的变化情况;图5(c)、(d)分别为2010年、2011年1～8月FY-2E与MISR云导风资料 u风场差异分布随纬度的变化情况;图5(e)、(f)分别为2010年、2011年1～8月FY-2E与MISR云导风资料 v风场差异分布随纬度的变化情况。

从图5(a)、(b)看出,FY-2E和MISR云导风资料高度场差异较小值主要位于15°S～30°S以及 30°N～45°N附近,较大值主要位于低纬15°S～30°N附近,高纬度的资料比较稀缺。图5(c)、(d)和图5(e)、(f)分别为FY-2E与MISR云导风资料 u风场以及v风场差异分布随纬度的变化,由图可知,分布变化情况同高度场相似,并且2011年相对2010年随纬度的差异分布有略微变化,FY-2E和MISR云导风资料差异值较小的资料数量增多,以致分布区域增大,看得出2011年FY-2E云导风资料质量还是略有提高。

图6(a)为2010年、2011年1～8月FY-2E和MISR云导风资料u风场比较均方根误差随层次的变化情况;图6(b)为2010年、2011年1～8月FY-2E和MISR云导风资料 v风场比较均方根误差随层次的变化情况。

为了检验FY-2E导风资料的质量和分析其误差结构,用逐点临近层比较的方法[9]分别进行均方根误差统计。由FY-2E与MISR云导风资料的比较均方根误差随高度的分布图上,可以看出无论是 u风场还是v风场,200hPa附近都有很大的风速误差,随高度降低,误差逐渐较少[10]。由于0～100hPa的云导风数量极少,统计样本太少不能反映真实情况。2011年相比2010年,FY-2E与MISR云导风资料比较均方根误差在200hPa附近改进较为明显,其次是在500～600hPa层次上也略有改进,而其他层次上的云导风资料,2010年和2011年两年的均方根误差差异较小,并无较大的改变。

通过图7(a)、(b)的对比,明显的看出FY-2E导风资料的覆盖率相较其他两种资料来说非常低,这是由于FY-2E卫星每天只有4个时次的资料,日后需要努力改进[11]。

3 总结与展望

统计分析了大量高质量FY-2E和MISR云导风资料。研究结果表明:

(1)无论是2010年还是2011年,FY-2E的导风资料的大部分的风矢量是由高度范围为0～2km、风速范围在0～10m/s的纬向风和经向风组成。

(2)FY-2E与MISR云导风质量较好资料主要集中在QI＞40的区域,2011年质量较好的资料主要集中在QI＞60区域,尤其是QI=80附近,QI指标的指示作用随着时间的推移也在逐渐提高,2011年FY-2E云导风资料的QI指标指示作用明显提高,表明了中国FY-2E资料的质量在进一步提高。

(3)2011年相对2010年随纬度的差异分布有略微变化,FY-2E和MISR云导风资料差异值较小的资料数量增多,以致分布区域增大,看得出2011年FY-2E云导风资料质量略有提高[12]。

(4)无论是u风场还是v风场,200hPa附近都有很大的风速误差,随高度降低,误差逐渐较少,2011年相比2010年,FY-2E与MISR云导风资料比较均方根误差在200hPa附近改进较为明显,其次是在500～600hPa;以上研究结果都与Katrin Lonitz,Ákos Horváth等针对MISR资料同MET-9导风资料所做的匹配试验的研究结果比较一致,这说明FY-2E卫星在2010～2011年,导风资料的质量都有了长足的提高。

但是通过分析,2011年高度差异的极值要远远大于2010年,并且资料的覆盖率也远远低于MISR以及MET-9等云导风资料,这些都是需要进一步研究和改进的方面,希望未来FY-2E导风资料可以真正有效的应用到数值预报业务中,促使天气预报更加长足的进步。

[1] Comparison of MISR and Meteosat-9 Cloud Motion Winds by Katrin Lonitz and Akos Horvath Tenth International Winds Workshop,Tokyo 25 February 2010.

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