[发明专利]一种基于极轨气象卫星MERSI的白天云相态反演方法

说明书

本发明涉及气象分析领域，公开了一种基于极轨气象卫星MERSI的白天云相态反演方法，利用我国第二代极轨气象卫星FY‑3D的中分辨率光谱成像仪MERSI的辐射观测，开发了白天云相态的识别产品。基于辐射定标和地理定位的MERIS L1数据和云检测产品，结合地表类型数据，利用可见光、红外、近红外通道的光谱和纹理特性，利用云顶粒子的热力学相态不同，采用阈值方法对有云像元进行云相态识别，得到1km分辨率的云相态产品。实施本发明可有效提高云相态的判识精度，尤其是对混合云相态能够进行有效的判识。

技术领域

本发明涉及气象分析领域，尤其涉及一种基于极轨气象卫星MERSI的白天云相态反演方法。

背景技术

云对地气系统的辐射收支平衡、热量平衡和湿度分布有重大影响，参与多种正负反馈过程，是气候系统的内部参数。低云反射大部分太阳辐射，高云阻止长波辐射射向太空。对不同云类的正确检测、识别和应用，可以在气候研究中更合理地使用云的信息。云与天气也存在密切关系，不同的云相态反映了不同的大气状况，因而对云进行正确的分类有助于改善天气预报精度。精确的云相态探测非常重要。水云和冰云对地球能量平衡的影响不同，水云反射短波辐射，而冰云可以吸收地球向外的辐射或者将其返回地球表面。

目前FY-3DMERSI的云相态产品提供5分钟段轨道产品和全球日合成产品。风云三号 (FY-3)气象卫星是我国第二代极轨气象卫星，目标是实现在全球大气和地球物理要素的全天候、多光谱和三维观测，主要为中期数值天气预报提供气象参数，并监测大范围自然灾害和生态环境，同时为研究全球环境变化、探索全球气候变化规律以及海洋、农业、林业、航空和军事等部门提供气象信息。FY-3D星于2017年11月15日发射，是目前国内光谱分辨率最高的对地观测卫星，极大提高了对地球大气动力、热力参量和温室气体的获取能力，提升了我国中长期数值天气预报、全球气候资源普查和气候变化的能力和水平。经过在轨测试后，将投入业务运行，并接替B星作为我国太阳同步下午轨道天基气象观测的主业务卫星，与风云三号C星共同组网进一步强化我国极轨气象卫星上、下午星组网观测的业务布局，能够为天气预报、全球数值预报、气象防灾减灾、气候资源普查和气候变化应对、军事气象应用、农林牧渔等非气象领域应用服务提供全球及地区的气象信息，为国家生态文明建设的实施保驾护航。FY-3D的MERSI仪器的可见光通道(0.58-0.68μm)、近红外通道(1.55-1.64、3.55-3.93μm)，2个长波红外通道(10.3～11.3μm和11.5～12.5μm)可用于反演云相态。FY-3DMERSI CPT反演精度高度依赖于MERSI仪器的性能、定位精度和定标的精度，还依赖于其上游产品——云检测产品的精度。

因此，云相态的反演研究对于揭示天气气候系统发生发展的物理机制有着十分重要的意义。而现有技术中极轨气象卫星的云相态反演中多使用红外通道计算，例如美国MODIS卫星的业务云相态判识方法就分别使用了2个红外通道进行计算。红外通道判识云相态主要是依据不同相态的云粒子在8～13μm波谱范围内对相同入射辐射的吸收存在较大差别。水和冰粒子折射指数的差异导致了对相同太阳辐射的不同反应。在8～10μm有折射指数虚部的最小值，说明这一波段是粒子的弱吸收波段。大于10μm时，水和冰的折射指数的虚部均随波长的增加而增大，且二者相互分离。在8～12um波段，在相同含水量的情况下，冰粒子比水离子对辐射有更强的吸收，导致了在相同高度、厚度和粒子大小的情况下，冰的黑体温度比水云低。在8～9μm波段，冰与水粒子对辐射有最小吸收的同时，大气中水汽对辐射的吸收为中等。在这几个波段即可区分云的相态。如果8～11μm存在大的亮温差，说明有卷云出现，这是由于冰的折射指数虚部在8～11μm的增长速度大于水。在晴空条件下，8～11μm亮温差会有很小的正值，甚至为负值，因为大气中水汽在8μm的吸收大于11μm。与8～11μm波段相比，水在11～12μm波段的吸收增长较大，而冰的情况与水相反。因此，水云的11与12μm亮温差大于8与11μm的亮温差，冰云则相反。冰云和水云就可在8～11与11～12μm亮温差的点聚图上分离出来：冰云位于45°对角线的上方，水云位于45°对角线的下方，混合相态云位于45°对角线附件。MODIS正是采用这种三通道组的特性对云的相态进行判识的。