[发明专利]适用于静止卫星资料同化的晴空通道检测质量控制方法

说明书

本发明公开一种适用于静止卫星资料同化的晴空通道检测质量控制方法，包括如下步骤：(1)对静止气象卫星AHI成像仪资料的观测辐射亮温和模拟亮温进行预处理；(2)建立最小余差算法，估算AHI观测像元的云顶气压和云比例；(3)建立云判据算法，识别云类型，对云像元进行评判；(4)将步骤(2)的最小余差算法与步骤(3)的云判据算法形成耦合方案，建立双重云检测方案。通过本发明的方法将提高静止卫星成像仪红外通道的资料质量控制水平，通过改善卫星资料同化分析，改进数值模式预报水平。

技术领域

本发明涉及大气科学研究领域，具体是涉及一种适用于新一代静止气象卫星红外成像仪资料同化的晴空通道质量控制方法。

背景技术

随着气象静止卫星观测技术的不断发展，卫星红外辐射资料同化被越来越广泛的应用于数值天气预报模式。卫星接收的地气系统红外辐射能够反映大气温度、湿度的垂直结构特征，可为台风、暴雨和对流等灾害性天气预报提供重要的观测信息。因此，静止卫星资料同化对于改善数值模式的初始场从而提高数值天气预报水平具有重要价值。

卫星辐射资料直接同化采用的方法是，利用数值模式预报的大气温度和水汽等要素和辐射传输模式进行卫星的辐射亮温模拟，与卫星观测的实际辐射亮温进行比较，通过最优化算法最终改善数值模式的初始条件。由于红外辐射无法穿透云，因此在资料同化之前必须进行云检测和晴空资料筛选，将被云污染的卫星观测像元和观测通道剔除，否则“云污染”将导致温度和湿度等要素的分析场偏差。

现有的云检测方法，主要分为晴空像元检测法和晴空通道检测法两类。晴空像元检测法是将云观测像元的所有观测通道剔除，以保留晴空像元对应的观测通道用于资料同化，是目前静止卫星红外成像仪所采用的主要方法。Heidingerand Straka(2013)基于红外多通道观测对云的敏感性差异和时空特征差异构建判据以建立云像元检测方案；Zhuge等(2017)建立只包含可见光通道的快速的云像元检测方案。这些方法的局限性在于，只能确定卫星的观测像元是否有云，而不能确定卫星仪器的观测通道是否被云污染，因为云的高度决定了对不同高度敏感的观测通道是否被影响。

晴空通道检测法是通过检测云高来判断通道是否被云影响，常见的方法有CO₂切片法和基于观测-模拟(O-B)亮温差的最小余差法。另外McNally利用红外高光谱观测和模拟差的单向排列进行滤波处理，来检测云污染通道。这些方法常用于红外通道数较多的极轨卫星仪器，如NOAA的HIRS，Suomi-NPP的CrIS,MetopA-B的IASI，NASA的AIRS等，并未广泛应用于静止卫星红外仪器。由于观测特性差异，这些方法应用于红外通道相对较少的静止卫星成像仪时亟需进一步改进。此外，由于晴空通道检测法主要基于观测亮温和模拟亮温差异性，在检测精度上存在局限性，尤其当可用的卫星通道较少或云比辐射率随通道变化较大时，检测结果有待进一步改进。

自2016年起，以中国风云4号(Yang et al.2017)、日本葵花8号(Bessho etal.2016)和美国GOES-R(Schmit et al.2016)为首的新一代静止气象卫星已完成业务运行。相比以往的静止卫星观测仪器，新一代红外成像仪自具备探测精度优势的同事，还具有更高的时空分辨率和光谱分辨率。以日本葵花8卫星为例，其Advanced Himawari Imager(AHI)成像仪的10个红外通道中包含了高层、中高层和中层的水汽敏感通道，如果采用目前常用的晴空像元检测方案，会导致高层不受云影响的观测通道被错误剔除。

综合来说，现有的静止卫星红外云检测采用晴空像元检测方案，只能确定卫星的观测像元是否有云，而不能确定对大气不同高度层敏感的卫星仪器各观测通道是否被云影响。基于晴空像元检测的质量控制方法会导致在低云的情况下高层的晴空通道被错误剔除，降低了卫星资料的利用效率。此外，考虑到晴空通道检测方案应用于静止卫星仪器时，受通道数少等的因素影响，存在两方面缺陷：(1)光学厚度薄云和云边缘的像元可能被漏报；(2)对高层卷云和重叠云的云高估计存在偏差。因此，需要建立新一代静止卫星的晴空通道检测方法，对通道的晴空状况进行检测。