风云气象卫星资料在暴雨监测和预报中应用-国家卫星气象中心

武汉中心气象台 徐双柱2014 年 5 月,2014 年全国气象卫星应用技术交流会风云气象卫星资料在暴雨监测和预报中应用,内容,一、引言,二、暴雨云团识别跟踪,三、卫星资料暴雨短时预报,四、卫星云图 12 小时暴雨预警,五、暴雨卫星监测预报应用平台,一、引 言,随着风云系列气象卫星的发射，我国的气象卫星遥感技术得到了快速的发展，自主卫星产品也日益丰,富。武汉中心气象台 2007-2009 年通过风云 3 号 A 星的开发与应用项目， 2009-2012 年通过公益性行业科研专项“卫星云图解译技术研究”， 2013 年以来通过风,云三号气象卫星应用系统二期工程应用示范项目等持续性研究工作，卫星资料的应用水平得到明显的提升。本文介绍近几年武汉中心气象台利用风云气象卫星资料在暴雨监测预报中应用的研究成果。,二、暴雨云团识别跟踪,1.1 资料, FY3A-VIRRD 红外 2 通道 （波段范围 10.3-11.3 m,）辐射率数据，分辨率达 1.1 km 。, FY2E- 红外云图 ，格点分辨率 5 km ，等经纬度投影,方式。, 湖北省 SWAN 拼图 ： MCR 、 MTOP 、 MVIL ，格点分辨率,1 km 。, 湖 北 省 加 密 雨 量 站 小 时 降 水 资料 。, 云团识别区域为长江中上游地区，范围 100-120 E,， 25-37.5 N 。,E100 ,E120 ,N25 ,N37.5 ,1.2 云团识别,云团形状描叙方式, Freeman 链码表示轮廓,作用：计算云团的几何参数,（如椭圆参数）及保存外形 。,多阈值法分离粘连云团,第一阈值识别云团区域,下一温度阈值,结束,NO,云 团 边 界 相 交检测云团面积过滤多阈值法识别云团算法流程图,YES云 团 中 心 区 域识别云 团 中 心区 域 和上 一级别 云 团 区 域 扩展,-40 ,-50 云团 1,-55 云团 2,粘连云团：包含多亮温中心的云团,1.3 云团跟踪, 云团跟踪实现对不同时次云图中 同一云 团识 别。 采 用 面 积 重 叠 法 ， 即 相 邻 时 次 内 两 个 云 团 的 重 叠,程度越大，则为同一云团的可能 性越高 ，同 一云团所对应的重叠程度最大。,1.3 云团跟踪,云团匹配,云团合并,T,T+1,T,T+1,T,T+1,云团分裂云团跟踪示意图,1.4 云团参数计算,几 何 参 数 :,以 Freeman 链码表示的 云团轮廓 。椭圆参数 ，包括中心位置、长半轴长度、短半轴长度及长半轴旋转角度。云团质心位置 ，以亮温值为权重的中心。,1.4 云团参数计算,物 理 量 参 数 :,云团面积 。移动矢 （移向、移速）。根据云团历史移动路径，采用最小二乘法计算得出。平均亮温、最低亮温、平均亮温变率、最低亮温变率 。最大 MCR 、 MTOP 、 MVIL 。过程最大降雨量、过程平均降雨量、 1 小时最大降雨量、1 小时平均降雨量 。,1.4 云团参数计算 过程最大降雨量定义为云团在最近时次经过雨量站点所产生的最大降雨。,过程时间： 至少有一个格点能代表云团从开 始抵达到离开的时间。雨量站点： 云团在过程时间内经过的站点。最大降雨量： 所有站点降雨量的最大值。,X,Y,移动矢,a,b,l,Y,X,t0,t0- t,云团降水过程时间的计算示意图,1.5 云团临近预报, 根据当前云团移动矢，假定云团形状不变，采用 线性外推法 ，分别预报未来 1 、 2 、 3 小时的位置。 根据当前云团过去 1 小时最大（平均）降水量，采用 线性外推法 ，分别预报未来 1 、 2 、 3 小时的累积降水量。,1.6 实例分析2013 年 7 月 20 日江汉平原暴雨云团特征,50mm,100mm,初始暴雨云团,未识别出的云团,减弱暴雨云团,1.6.1 暴雨云团特征2013 年 7 月 20 日 21 时云团识别,暴雨云团跟踪,移动路径,异常路径,3,1,2,1,3,3,1,6,5,2,2,（ a ） 05:00,（ c ） 07:00 云团分裂,1,1,2,（ b ） 06:00 云团分裂,（ d ） 07:30,（ d ） 08:00 云团分裂,未识别出粘连云团,云团分裂现象识别,亮温（）,160000140000120000100000800006000040000200000,2013- 2013- 2013- 2013- 2013- 2013- 2013-7-20 7-20 7-21 7-21 7-21 7-21 7-2121:00 23:00 1:00 2:00 4:00 6:00 7:30时间,面积（Km2 ）,1009080706050403020100,2013-7-2021:00,2013-7-2023:00,2013-7-211:00,2013- 2013-7-21 7-212:00 4:00,2013-7-216:00,2013-7-217:30,时间,雨量(mm),最低 平均亮温-30-35 2013- 2013- 2013- 2013- 2013- 2013- 2013-40 7-20 7-20 7-21 7-21 7-21 7-21 7-2121:00 23:00 1:00 2:00 4:00 6:00 7:30-45-50-55-60-65-70,云团面积云团面积,-75-80时间云团逐时最大降雨量,分裂,分裂,1.6.2 暴雨云团的雷达回波特征,强降水回波： 带状混合型降水CR:45-55 dBz ， VIL:5-15 kg/m2,经过统计分析得到：, 系统能正确识别出范围较大对流云团。 系统能正确跟踪单个云团和识别云团分裂。, 云团变化趋势：亮温先降低再上升，面积先增后降。云团,分裂加剧亮温、面积变化。 云顶最低亮温低于 - 50。, 云团面积在最低亮温达到峰值之后维持增加趋势。 强降水呈双峰分布，最强降水集中在云团发展阶段。,0.20.10,0.3,,-50,-60,-70,-80,-90,-100,50-59mm60-69mm,70-79mm80-89mm,90-99mm100-109mm110-119mm120-199mm,1.7 暴雨云团特征统计分析,暴雨云团最低亮温概率,呈单峰分布，,-60 70出现的概率最大 。,三、卫星资料暴雨短时预报,利用 FY-3A/B 提供的相应时次高分辨率 微波湿度计产,品、风云系列气象卫星多通道探测资料 、卫星气象中心,下发的相关导出产品、以及欧洲中心细网格模式预报相,应预报时段的物理量产品，用“配料法”思想建立 0 6小时暴雨短时预报模型。每日提供 4 次长江中游 0 6 小时（北京时 02 时、 08 时、 14 时、 20 时）分县点对点 0 6 小,时暴雨以上量级短时预报产品。,暴雨短时定量落区预报流程,微波湿度计产品,hs1 ：第 1 通道亮温（水平极化），用来探测云中含水量和强降雨、卷云等,大气参数。,hs2 ：第 2 通道亮温（垂直极化） , 同上,hs3 ：第 3 通道亮温，主要探测 400hPa 的大气水汽分布特征。hs4 ：第 4 通道亮温，主要探测 600hPa 的大气水汽分布特征。hs5 ：第 5 通道亮温，主要探测 800hPa 的大气水汽分布特征。ave= （ hs1+hs2 ） /2 ：极化均值hv=hs2-hs1 ：极化差hv1=hs2/hs1 ：极化比,Pct= （ 1+a ） *hs1-a*hs2 ：极化修正亮温， a=0.8181hs34=hs3-hs4: 3 、 4 通道亮温差hs35=hs3-hs5: 3 、 5 通道亮温差hs45=hs4-hs5: 4 、 5 通道亮温差,sdl ：深对流分布，深对流结构判识算法如下 ,hs3-hs40.05 ， hs3-hs50.05 ， hs4-hs50.05,红外辐射计产品,virr4 ： FY3B 4 通道亮温，相当于 Fy2E 红外 1 通道,亮温数据。,virr5 ： FY3B 5 通道亮温，相当于 Fy2E 红外 2 通,道亮温数据。,中分辨率光谱成像仪产品,配料因子的选取,微波湿度计资料分析,个例分析 1-2013071702,（微波湿度计通道产品）,17 日 02-08 时加密自动站降水实况,17 日 01 时 05 分微波湿度计 1 通道亮温 hs1,17 日 01 时 05 分微波湿度计 2 通道亮温 hs2,17 日 01 时 05 分微波湿度计 3 通道亮温 hs3,17 日 01 时 05 分微波湿度计 4 通道亮温 hs4,17 日 01 时 05 分微波湿度计 5 通道亮温 hs5,109,110,111,112,113,114,115,116,33323130,微波湿度计 1 5 通道亮温： 与 6 小时暴雨落区吻合较好,个例分析 1-2013071702,（微波湿度计通道计算产品）,17 日 01 时 05 分微波湿度计极化均值 ave,17 日 01 时 05 分微波湿度计极化差 hv,17 日 01 时 05 分微波湿度计极化比 hv1,17 日 01 时 05 分微波湿度计深对流分布 sdl,17 日 01 时 05 分微波湿度计极化修正亮温 pct,17 日 02 时 -08 时加密自动站降水实况,109,110,111,112,113,114,115,116,33323130,微波湿度计极化均值、极化修正亮温与 6 小时暴雨落区吻合较好 ；极化比和极化差在暴雨落区附近分别出现了大、小值中心对，更好的标识短时暴雨区。,个例分析 1-2013071702,（微波湿度计通道计算产品）,17 日 01 时 05 分微波湿度计 4 、 5 通道亮温差,17 日 01 时 05 分微波湿度计 3 、 5 通道亮温差,17 日 01 时 05 分微波湿度计 3 、 4 通道亮温差,109,110,111,112,113,114,115,116,33323130,17 日 02 时 -08 时加密自动站降水实况,个例分析 2-2012050720,（微波湿度计通道产品）,7 日 20 时 -8 日 02 时加密自动站降水实况,8 日 00 时 43 分微波湿度计 1 通道亮温 hs1,8 日 00 时 43 分微波湿度计 2 通道亮温 hs2,8 日 00 时 43 分微波湿度计 3 通道亮温 hs3,8 日 00 时 43 分微波湿度计 4 通道亮温 hs4,8 日 00 时 43 分微波湿度计 5 通道亮温 hs5,微波湿度计 1 5 通道亮温：与 6 小时暴雨落区吻合较好,7 日 20 时 -8 日 02 时加密自动站降水实况,8 日 00 时 43 分微波湿度计极化均值 ave,8 日 00 时 43 分微波湿度计极化差 hv,8 日 00 时 43 分微波湿度计极化比 hv1,8 日 00 时 43 分微波湿度计深对流分布 sdl,极化比、极化差：大、小值中心对，偏小一侧对应短时暴雨区鄂西南： ave 负值中心， hv 和 hv1 无大小值中心，可排除短时暴雨,8 日 00 时 43 分微波湿度计极化修正亮温 pct,个例分析 2-2012050720,（微波湿度计通道计算产品）,7 日 20 时 -8 日 02 时加密自动站降水实况,个例分析 2-2012050720,（微波湿度计通道计算产品）,8 日 00 时 43 分微波湿度计 4 、 5 通道亮温差,8 日 00 时 43 分微波湿度计 3 、 5 通道亮温差,8 日 00 时 43 分微波湿度计 3 、 4 通道亮温差,红外辐射计资料分析,109,110,111,112,113,114,115,116,323130,50403020100,108,109,110,111,112,113,114,115,116,28,29,30,333231,100,91.9 89.4 51.682.4,200,205,210,220215,240235230225,个例分析 1 ： 201206261426 日 14 时 20 时加密自动站降水实况3360,26 日 14 时 VIRR4 通道,26 日 14 时 VIRR5 通道,108,109,110,111,112,113,114,115,116,28,29,30,333231,100,91.9 89.4 51.682.4,195,200,205,210,220215,240235230225,109,110,111,112,113,114,115,116,323130,0,5040302010,个例分析 2 ： 201207231423 日 14 时 20 时加密自动站降水实况3360,108,109,110,111,112,113,114,115,116,302928,333231,34,51.2,99.1 52,61.7,286284282280,288,296294292290,108,109,110,111,112,113,114,115,116,302928,333231,34,51.2,99.1 52,61.7,260258256254,262,270268266264,23 日 14 时 VIRR4 通道,3 日 14 时 VIRR5 通道,TS 评分表,第 4 通道 TS 较高,中分辨率光谱成像仪资料分析,109,110,111,112,113,114,115,116,323130,33,个例分析 1 ： 201206261426 日 14 时 20 时加密自动站降水实况,109,110,111,112,113,114,115,116,117,28108,3029,31,3332,34,190,200,220210,230,240,250,270260,280,109,110,111,112,113,114,115,116,117,28108,60 335032403130302010 29,34,10,20,90807060504030,100,109,110,111,112,113,114,115,116,117,28108,3332313029,34,100,91.9 89.4 51.682.4,10,20,90807060504030,100,109,110,111,112,113,114,115,116,117,28108,3029,31,3332,34,100,91.9 89.4 51.682.4,10,20,4030,50,60,70,9080,100,109,110,111,112,113,114,115,116,117,28108,3029,31,3332,34,10,20,4030,50,60,70,9080,100,26 日 14 时 meris1 通道,26 日 14 时 meris2 通道,26 日 14 时 meris3 通道,26 日 14 时 meris4 通道,26 日 14 时 meris5 通道,109,110,111,112,113,114,115,116,30,31,32,33,96.8,0,2010,4030,50,60,个例分析 2 ： 20130705145 日 14 时 20 时加密自动站降水实况,109,110,111,112,113,114,115,116,117,28108,29,30,31,32,33,34,200,210,220,230,240,250,260,270,280,109,110,111,112,113,114,115,116,117,28108,3029,31,32,33,34,30,60,12090,180150,210,240,270,109,110,111,112,113,114,115,116,117,28108,3029,31,32,33,34,30,60,12090,180150,210,240,270,109,110,111,112,113,114,115,116,117,28108,29,30,31,32,33,34,30,60,90,120,150,180,210,240,270,5 日 14 时 meris4 通道,5 日 14 时 meris5 通道,5 日 14 时 meris1 通道,5 日 14 时 meris2 通道,109,110,111,112,113,114,115,116,117,28108,29,30,31,32,33,34,30,60,90,120,150,180,210,240,270,5 日 14 时 meris3 通道,TS 评分表,第 5 通道数据指示效果好,配料因子卫星资料的选取：,FY-3B 配料选择 hs1 、 hs5 、 meris5,FY2 配料选择 y2c_grad 、 fy2c_convec,lift2=vor_850_t639_max-div_850_t639_min,（中尺度抬升）,lift3= - qxy_850_t639_min,（垂直运动）,zonghe0=2*rain_japan_6h+rain_t639_6h -( fy3a_hs1 +meris5)/2 （降水产品）( 注意： max ， min 指的是 6h 预报实效内的最大值（最小值）。rain_6h 代表 6 小时的降水总和。 Fy3a_hs1,5 表示 fy3a 微波湿度计第 1,5 通道亮温值。,配料综合指数方程表示 6 小时强降水趋势的综合指数命名为 SCI （ satellite-based Comprehensive Index)认为该指数大于 45 时，对应着 6 小时暴雨的出现。 ICI 的设计方程如下：SCI= （ qqq*(insta+lift1+lift2+lift3)/100+zonghe0)/4, 其中：qqq=(rh_850_ec_max-( fy3a_hs5 -273.15)/(1+(t-td)_850_t639_min) ( 水汽含量，饱和度）insta=aki_t639_max-mpv2_850_t639_min+ fy2c_grad+fy2c_convec ( 不稳定 )Fy2c_convec=250-(fy2c_tbb) (fy2c_tbb250k, 否则， fy2c_convec=0, 表征深对流 )lift1=vor_850_ec_max+div_200_ec_max （大尺度抬升）,2010-2013 年 6 小时暴雨个例反演 TS 评分,由上可以看出，加入 fy2E 比单纯用数值预报产品配料的效果比其又有提高，在此基础上加入 fy3B 的效果比 fy2E 的效果更好， 而数值预报、 fy2c 、 fy3B 三者结合起来达到了最好的预报效果 , Ts 评分达到了 25% 以上。,四、卫星云图 12 小时暴雨预警,12 小时暴雨定义,0 12 小时暴雨定义：规定 12 小时站点累计降,水量超过 50mm 为暴雨。,将湖北省划分为：鄂西北、鄂东北、鄂西南、江汉平原、鄂东南。（如图）,关键区示意图（实心圆圈表征强降雨云团）,（分别为鄂西北、鄂西南、鄂东北、江汉平原、鄂东南关键区）, 卫星云图参数阈值选取,针对区、区 16 个红外云图参数，最终得出该地区的短时暴雨概率：P=In/16*100% 。,NCEP 数值模式物理量选取方法, 从暴雨形成所需的动力、热力、水汽条件出发， 利用 NCEP预报场资料 ，选取表征动力，水汽、热力、水汽辐合等指标的低空急流（ 700hPa ， 850hPa ）、 850hPa 露点温度、850hPa 比湿、 850hPa 假相当位温、 850hPa 与 500hPa 温度之差， K 指数等物理量做为判据因子，, 结合湖北省中尺度分析规范，选取 露点温度、假相当位温、比湿、 K 指数、 500hPa 与 850hPa 温差等物理量指标 ，利用以上物理量体现出的共同特征，提炼针对暴雨预报的物理参数释用方法。,NCEP 数值模式物理量选取方法, NCEP 物理量阈值,卫星云图 12 小时暴雨预警流程,预报暴雨站数 40 站，实况为 25 站，正确 25 站次，空报 15 站次，漏报 0 站TS 评分为 62.5%,2013 年 6 月 6 日个例预报2013 年 6 月 6 日 20 时预报6 月 20 时至 7 日 08 时暴雨结果,2013 年 6 月 6 日 20 时至6 月 20 时至 7 日 08 时实况,2013 年预报个例与日本降水模式对比,五 、暴 雨 卫 星 监 测 预 报 应 用 平 台,建立了暴雨卫星监测预报应用平台，实现 资料收集、处理及对各类监测预报产品 的集成显示功能，为业务人员提供最终的可视化 使用界 面。,所有产品均 在统一的 WEB 页面下进行显示 ，便,于预报员使用，方便推广应用。,信息发布,暴雨卫星监测预报平台结构暴雨卫星监测预报应用平台卫星数据接收与存储数据分类存储静止卫星数据极轨卫星数据卫星数据解码和处理数据解码及格式转换HDF 文件处理卫星数据定标卫星数据图形化处理静止卫星数据,极轨卫星数据,暴雨预报产品处理,卫星数据显示卫星产品数据显示暴雨预报产品显示暴雨预报技术文档系统后台管理,暴雨预报产品图形化暴雨概率预报暴雨落区预报暴雨云团跟踪识别暴雨云团临近预报,暴雨卫星监测预报平台信息流程,数据分类接收存储卫星数据首先湖北省信息保障中心通过 CMA_CAST 共享下载实现卫星数据（ FY-2 、 FY-3 ）实时下载，并以 FTP 服务器的方式实现同步存储，然后利用卫星地面应用系统卫星天气应用平台（ SWAP ）的自动处理分系统以 FTP 的方式实现实时下载、分类存储及历史数据删除，为系统提供数据保障。,卫星数据产品下载列表, 静止卫星数据定标,使用定标数据块，按照 查找表 的方式即可获得像素点的,定标量值，定标数据块位于文件内部。, 极轨卫星数据定标,使用文件内部定标系数及定标计算方法相结合的方式完成，目前项目只完成与暴雨相关通道的数据定标。,卫星数据定标