（大气物理学与大气环境专业论文）利用卫星等遥感方法对云特征的研究.pdf

趴嬲煳 第四章基于支持向量机和f y 静止卫星云参数的降水预测2 5 4 2 数据介绍2 6 4 2 1 f y 静止卫星反演云参数产品2 6 4 2 2 降水资料j 2 6 4 2 3 微波辐射仪资料2 6 4 2 4 资料的时空对应处理。2 7 4 3 方法介绍2 7 4 3 1 支持向量机简介2 7 4 3 2 模型建立2 8 4 4 结果分析。2 9 4 5 结论与讨论2 9 参考文献3 0 第五章c l o u d s a t 卫星数据对云内外相对湿度及其判别阈值的统计研究3 l 5 2 资料与方法3 2 5 2 1 所用资料3 2 5 2 2 相对湿度的计算3 3 5 2 3 云判别方法。3 4 5 2 4 统计方法3 4 5 3 结果分析3 5 5 3 1 全球云内相对湿度统计3 5 5 3 2 不同分区云内相对湿度统计3 8 5 3 - 3 云外相对湿度统计4 l 5 3 4 连续云云中与云外的相对湿度统计4 5 5 3 5 全球不同高度云内相对湿度统计4 9 5 4 ，j 、l 右5 ：! 参考文献5 3 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 第一章绪论。1 1 1 弓i 言1 1 2 国内外相关研究进展。3 1 2 1f y 2 c 卫星反演云光学厚度与液水路径统计研究3 1 2 2 降水估计研究进展4 1 2 3 云区湿度的研究5 13 本文研究动机和主要研究内容5 参考文献6 第二章资料介绍1 0 2 1f y 静止卫星反演云参数介绍。1 0 2 2c l o u d s a t 资料介绍l l 2 3 微波辐射计资料介绍1 2 2 4m i c a p s 资料介绍1 2 第三章f y 2 c 静止卫星反演云光学厚度与微波辐射计探测液水路径间统计研究。1 3 3 1 引言1 3 3 2 资料介绍1 4 3 2 1 资料简介1 4 3 2 2 数据的时空对应处理15 3 3 研究方法1 5 3 3 1 云液水路径与云光学厚度间的关系：1 5 3 3 2 f y 静止卫星反演光学厚度与m w r p 观测液水路径的拟含统计1 6 3 4 结果分析1 7 3 4 1 所有样本云光学厚度与微波辐射计液水路径的拟合统计1 7 3 4 2 去除降水样本后云光学厚度与微波辐射计液水路径的拟合统计1 8 3 a - 3 不同温度下各类样本云光学厚度与微波辐射计液水路径的拟合统计。1 9 3 5 小结2 2 第六章结论与讨论5 5 6 1 总结5 5 6 1 1f y 2 c 静止卫星反演云光学厚度与液水路径统计研究5 5 6 1 2 基于支持向量机和f y 静止卫星云参数的降水预测5 5 6 1 3c l o u d s a t 卫星数据分析云中相对湿度的分布特征5 5 6 2 讨论5 6 作者简介5 9 j $ 【谢61 摘要 云是影响地气系统辐射收支平衡的重要因素，对于天气和气候的变化，云不仅是指示 器，而且是调节器。云也是人工影响天气催化作业的主要对象。利用各种遥感观测手段， 分析研究云的温湿分布、云内液水以及云与降水的关系等，对于作业条件分析识别、可播 云区的有效捕获，人工播云催化的科学实施等是十分重要和有用的。本文综合利用f y 2 c 卫 星反演云参数产品、地基m w r p 微波辐射计、c l o u d s a t 云参数产品、地面雨量资料及支持向 量机方法等，研究了f y 2 c 卫星云光学厚度产品同液水含量的关系、云内外的相对湿度分布 及其判别阈值以及云与降水的关系等，主要研究内容和结果为： 1 利用2 0 0 8 年5 月至1 1 月寿县m w r p 微波辐射计以及f y 2 c 卫星反演云光学厚度， 在去除降水样本点后，对两者进行拟合统计。同时利用f y 2 c 卫星反演的云项温度，将0 ( 2 - 4 0 1 2 间分为四档，对所有样本进行分类，单独进行统计拟合，统计结果表明：相关系 数一般都在0 5 以上，对于暖云其相关系数为o 6 8 ，有较好相关性。说明f y 静止卫星反演 的光学厚度，对云内垂直积分液水含量以及垂直方向厚实程度等云层特征有很好的指示意 义。 2 基于f y 静止卫星的云产品，利用支持向量机技术进行降水预测。使用f y 静止卫 星云产品以及地面一小时雨量数据分别作为特征分量和类别标签，建立预测降水与非降水 的分类模型。预测结果表明，所得模型对于非降水类的预测准确率较好，降水类的预测准 确率比较低。特别是在训练的特征分量中增加了液水路径参量后，所得预测结果对降水类 的预测准确率有一定的提高 3 利用c l o u d s a t 的2 b g e o p r o f 产品和e c m w f - a u x 产品，分别统计了全球和不同分 区云内云外相对湿度分布的情况、连续云云内云外相对湿度分布情况以及不同高度云内云 外相对湿度分布。并通过云内云外相对湿度累加频率的交点获得不同情况下的判别云相对 湿度阈值及其准确率。结果表明： 不同区域云中相对湿度统计结果表明，不同分区判别云的相对湿度阈值的大值和小 值与不同分区的云相对湿度的累加频率统计结果中的大值与小值的分区基本是对应的。其 中，欧洲是相对湿度阈值最大( 6 9 ) ，亚洲相对湿度阈值最小( 4 7 ) ，两者之间的差别 可达2 0 。 不同尺度连续云的统计表明，相对湿度阈值都在7 0 以上，判别的准确率为8 5 以上， 较非连续云中的统计结果有所提高，连续云的尺度越大，其判别云的相对湿度阈值越大； 不同高度云的统计结果表明，当累加频率为2 5 时，不区分高度的统计结果中对应的相对 i 湿度为7 7 ，略小于低云对应的7 9 而略大于中云对应的7 5 ；对于暖云在2 5 累加频率处， 也有同样的规律。随着云顶的增高，相对湿度阈值有减小的趋势，低云与中云相对湿度阈 值差别不大，而高云时明显减小；不同高度相对湿度阈值判别的准确率都在8 0 以上。低 云与中云统计结果中的相对湿度阈值大于不区分高度统计时的相对湿度阈值，而小于不区 分高度连续云的相对湿度阈值。 关键字： 液水路径光学厚度支持向量机c l o u d s a te c m w f - a u x 相对湿度 a b s 仃a c t c l o u dp l a y sn i li m p o r t a n tr o l ei nt h er a d i a t i v eb u d g e to fc l i m a t es y s t e m ， i ti sn o to n l ya n i n d i c a t o r ，b u ta l s oac o n d i t i o n e ri nt h ep r o c e s so fw e a t h e ra n dc l i m a t ec h a n g e c l o u di st h e o b j e c to fa r t i f i c i a lp r e c i p i t a t i o ne n h a n c e m e n t u s em a n yr e m o t es e n s i n go b s e r v a t i o nt e c h n i q u e st o s t u d yt h e d i s t r i b u t i o no f t e m p e r a t u r ea n dh u m i dp r o f i l e ， c l o u dl i q u i dw a t e ra n dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nc l o u da n dp r e c i p i t a t i o ne t c ，w h i c ha 他i m p o r t a n t f o ri d e n t i f i c a t i o no f o p e r a t i o n a lr a i n f a l le n h a n c e m e n tc o n d i t i o n ，e f f i c i e n tc a p t u r eo f t h ee x t e n d i n g c l o u da r e a ，s c i e n t i f i cs t a n d a r d so fa r t i f i c i a l l ys e e d i n gc l o u d sa n dc a t a l y t i c t h er e s e a r c hi nt h i s p a p e r ，u s ef y 2 c s a t e l l i t ei n v e r s i o nc l o u dp a r a m e t e rp r o d u c t s ，g r o u n d - b a s e dm w r pm i c r o w a v e r a d i o m e t e r ，c l o u d s a tc l o u dp a r a m e t e rp r o d u c t s ，s u r f a c er a i n g u a g ed a t aa n ds u p p o r tv e c t o r m a c h i n e ( s v m ) t os t u d yt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nc l o u do p t i c a lt h i c k n e s sr e t r i e v e db yf y 2 ca n d l i q u i dw a t e rc o n t e n tf r o mm w r p ，t h ed i s t r i b u t i o na b o u tr e l a t i v eh u m i d i t yi n s i d ea n do u t s i d e c l o u da n di t st h r e s h o l dv a l u e ，t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nc l o u da n dp r e c i p i t a t i o n t h er e s u l t s r e p o r t e dh e r es h o w t h a t ： 1 u s es t a t i s t i c a lf i t t i n gm e t h o d st os t u d yt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nm w r pm i c r o w a v e r a d i o m e t e ra n dc l o u do p t i c a lt h i c k n e s sr e t r i e v e db yf y 2 co nm a yt on o v e m b e r ，2 0 0 8i n s h o u x i a n ，a f t e rr e m o v i n gt h es a m p l ep o i n t so fp r e c i p i t a t i o n m e a n w h i l e ，u s ec l o u dt o p t e m p e r a t u r er e t r i e v e db yf y 2 ct od i v i d e0 c - 4 0 c i n t of o u rc a t e g o r i e sf o ra l ls a m p l ep o i n t s a n ds t a t i s t i c a lf i t t i n gi n d e p e n d e n t l y t h er e s u l t ss h o wt h a t ：c o r r e l a t i o nc o e f f i c i e n ti sa b o v e0 5 c o m m o n l yw h i c hi sa9 0 0 do n et o0 6 8f o rw a r mc l o u d i ti m p l y st h a tc l o u do p t i c a lt h i c k n e s s r e t r i e v e db yf y 2 ch a sa9 0 0 di n d i c a t o rr o l ei nv e r t i c a li n t e g r a ll i q u i dw a t e rc o n t e n t ，t h ee x t e n t o f c l o u dt h i c k n e s si nt h ev e r t i c a ld i r e c t i o na n ds oo na b o u tc l o u d sf e a m r e s 2 p r e c i p i t a t i o nf o r e c a s t su s i n gs v m i sb a s e do nc l o u dp r o d u c t sr e t r i e v e db yf y 2 c t a k e t h ec l o u dp r o d u c t sr e t r i e v e db yf y - 2 cg e o s y n c h r o n o u ss a t e l l i t e st ob eaf e a t u r ec o m p o n e n ta n d t h ec l a s sl a b e l i sm i c a p sr a i n f a l ld a t ao fa nh o u rw i t hw h i c hm a k e sap r e d i c t i o nm o d e la b o u t p r e c i p i t a t i o na n dn o n p r e c i p i t a t i o n r e s u l t ss h o wt h a ta l lo f t h em o d e l sh a v eag o o da c c u r a c yr a t e t o n o n - p r e c i p i m t i o nf o r e c a s t sa n dal o w e ra c c u r a c yr a t et op r e c i p i t a t i o nf o r e c a s t s w h e nl i q u i d w a t e rp a t hf r o mm i c r o w a v er a d i o m e t e r 笛ak i n do ff e a t u r ec o m p o n e n tp u ti n t ot h em o d e l ，t h e a c c u r a c yr a t eo fp r e c i p i t a t i o nf o r e c a s t sc a t e g o r yw i l lb ea l i t t l er a i s i n ge s p e c i a l l y 3 t h es t u d i e sh a v eb e e nc a r r i e do u tb ys t a t i s t i c a la n a l y s i so f t h ed i s t r i b u t i o na b o u tr e l a t i v e i h h u m i d i t yi n s i d ea n do u t s i d ec l o u d ，t h ed i s t r i b u t i o na b o u tc o n n e c t e dc l o u dm a s sr e l a t i v e h u m i d i t ya n dt h ed i s t r i b u t i o na b o u td i f f e r e n th e i g h tr e l a t i v eh u m i d i t yi n s i d ea n do u t s i d ec l o u d w i t hc l o u d s a t2 b - g e o p r o fp r o d u c ta n de c m w f - a l r xp r o d u c ti ng l o b a ld i f f e r e n ta r e a t a k e r e l a t i v eh u m i d i t yt h r e s h o l dv a l u eu n d e rv a r i o u sc o n d i t i o n sa n dt h ea c c u r a c yr a t ea c c o r d i n gt o a c c u m u l a t ef r e q u e n c yi n t e r s e c t i o n so fr e l a t i v eh u m i d i t yi n s i d ea n do u t s i d ec l o u d t h er e s e a r c h a b o u ts t a t i s t i c a lr e l a t i v eh u m i d i t yi nd i f f e r e n ta r e as h o wt h a tt h em a xo rm i nr e l a t i v eh u m i d i t y t h r e s h o l dv a l u et oi d e n t i f yc l o u di sc o r r e s p o n d st ot h em a xo rm i nr e l a t i v eh u m i d i t ya c c u m u l a t e f r e q u e n c yv a l u eo f s t a t i s t i c a la n a l y s i si nd i f f e r e n tc a t e g o r i e s e u r o p eh a sam a xr e l a t i v e h u m i d i t yt h r e s h o l dv a l u eo f 6 9 ，a s i a h a sam i nr e l a t i v eh u m i d i t yt h r e s h o l dv a l u eo f 4 7 ，t h e d i f f e r e n c ei su pt o2 0 t h er e s e a r c ha b o u ts t a t i s t i c a lc o n n e c t e dc l o u dm a s sr e l a t i v eh u m i d i t yi nd i f f e r e n ts c a l es h o w t h a tr e l a t i v eh u m i d i t yt h r e s h o l dv a l u ei sa l la b o v e7 5 ，t h ed i s c r i m i n a n ta c c u r a c yr a t ei sa b o v e 8 0 ，t h e r ei sah i g h e re n h a n c e m e n ti nt h er e l a t i v eh u m i d i t ys t a t i s t i c a lr e s u l t sc o m p a r e dt o u n c o n n e c t e dc l o u dm a s s ab i g g e rs c a l eo fc o n n e c t e dc l o u dm a s s ，ah i g h e rr e l a t i v eh u m i d i t y d i s c r i m i n a n tt h r e s h o l dv a l u e t h er e s e a r c ha b o u ts t a t i s t i c a lr e l a t i v eh u m i d i t yi nd i f f e r e n th e i g h t s h o wt h a tw h e na c c u m u l a t ef r e q u e n c yv a l u ei su pt o2 5 ，t h ec o r r e s p o n d i n gr e l a t i v eh u m i d i t y i s7 7 ，l o w e rt h a n7 9 o fl o w - l e v e rc l o u d ，h i g h e rt h a nm i d d l e - l e v e lc l o u d i ti st h es a n l ef o r w a r mc l o u dw h e ni t sa c c u m u l a t ef r e q u e n c yi su pt o2 5 t h er e l a t i v eh u m i d i t yt h r e s h o l dv a k m h a sa r e d u c i n gt r e n da c c o r d i n gt ot h er a i s i n go f t h ec l o u dt o ph e i g h t ，t h e r ei sl i t t l ed i s t i n c t i o no f r e l a t i v eh u m i d i t yb e t w e e nl o w - l e v e rc l o u da n dm i d d l e l e v e lc l o u d ，b u tas i g n i f i c a n t l yr e d u c i n gi n h i g h - l e v e lc l o u d t h ed i s c r i m i n a n ta c c u r a c y 眦i sa b o v e8 0 i nd i f f e r e n th e i g h t t h er e l a t i v e h u m i d i t yt h r e s h o l dv a l u ei nl o w - l e v e rc l o u da n dm i d d l e - l e v e lc l o u di sb i g g e rt h a nr e l a t i v e h u m i d i t yt h r e s h o l dv a l u eo fn od i s t i n g u i s hb e t w e e nh e i g h t ，s m a l l e rt h a nr e l a t i v eh u m i d i t y t h r e s h o l dv a l u eo f c o n n e c t e dc l o u dm a s s o f n od i s t i n g u i s hb e t 、煳h e i g h t k e yw o r d s ：l i q u i dw a t e rp a t h c l o u do p t i c a lt h i c k n e s ss v mc l o u d s a te c m w f - a u x r e l a t i v eh u m i d i t y 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 自2 0 世纪6 0 年代第一颗气象卫星成功发射至今，卫星探测技术得到迅速发展，卫星 可以鸟瞰大地并连续监视大气中云系的发展和演变，推知天气系统发展和演变中的某些特 点，是当前天气预报和人工影响天气作业指挥时重要的工具之一 气象卫星观测体系的建立，极大的丰富了气象观测的内容和范围，每日观测的可见光、 红外和水汽等多谱段图像资料，有利于辨认云系的演变和发展，从而对冰雹、暴雨、台风 等各类天气系统的云系演变进行分析【l 】。卫星资料在气候变化的研究中也发挥着巨大作用， 利用卫星资料估算云量的研究已经开展了很多年【】，云控制着入射到地球表面的太阳辐射 和地球自身发射的红外辐射，因此云对地球的辐射收支有重要影响，从而对地球的增暖和 冷却起着直接的作用。卫星在人工影响天气领域中的应用也越来越多，我国多次人工降水 外场试验都是飞机、雷达配合卫星的联合探测，利用卫星云图了解云系的分布及形态上的 特征、水汽分布网。不仅如此，周毓荃等 6 - 8 j 利用卫星遥测的多光谱资料，通过一定的反演 算法，获得了很多有关云特征性质的云参数，如云顶温度、光学厚度、云中液态水含量、 云顶粒子有效半径等，这些云参数能够反映云内部的一些性质，为了解云系的发展程度、 演变趋势和人工增雨云系播云温度窗的选择提供了帮助。 不同的云参数反映了云中不同的物理性质，云中液态水含量是非常重要的一个云参 数，它是地气系统能量和水分循环中的一个重要物理量，是人们了解云物理过程的必不 可少的研究对象，其对某些天气系统和天气过程的发生发展及变化起着重要的作用。在 人工影响天气领域，云中液态水含量更是决定人工增雨条件的前提。因此，如何了解云中 液水含量的分布是一项很有意义的工作。 云光学厚度不仅是描述云辐射特性的重要参数阴，同时也用来表示云的厚实程度，云 的光学厚度是指云系在整个路径上云消光的总和，为无量纲参数，光学厚度越大，表示消 光越多，说明云越厚实。刘晓春【1 0 】利用公式，基于一定的假设，推导出光学厚度与液水含 量间存在着密切的关系。云液水路径产品可以反映云中垂直方向的液水含量，蔡淼【1 1 】利用 光学厚度和液水路径分析了一次对流云的合并过程，得到光学厚度和液水路径对地面降水 有较好的指示意义。 降水估计一直都是人们比较关心的问题，它对国民经济的影响也是很重要的，定量降 水估计对于天气预报，尤其是对产生强降水等灾害性天气的监测和预报，具有十分重要的 意义，是当今气象学中最具挑战性的问题之一。由于降水的强度以及时空尺度变化很大， 南京信息工程大学硕士学位论文 常随时间、地点而异，影响因子错综复杂，现有的常规测站密度显得非常的不足。随着卫 星技术的发展，卫星数据的来源非常丰富，利用卫星数据来预报降水有了很大的发展。 神经网络等非线性统计方法在降水估计中发挥了重要作用，在降水量估计和降水量自 动计算中广泛应用【协1 4 l 。支持向量机是近年来倍受瞩目的一种处理高度非线性分类、回归 等问题的计算机学习的新方法，陈永义等【1 5 】简要介绍了支持向量机( s 田方法，分析了 这一方法的特点及其在数值预报产品释用及气象研究业务中的应用前景。 地球表面约有6 0 的地域被云所覆盖，云是影响地气系统辐射收支平衡的重要因素之 【1 6 1 。在气候模式中，许多观测到的云的尺度小于模式中网格的尺度，绝大多数单体云对 一般天气分析模式来说，都是次网格尺度的【1 7 。1 9 1 。因此，几乎所有的云参数化方案中都把 网格内云量作为最关键的因素之一，网格中云量的多少称为云覆盖量( c l o u df r a c t i o n ) 。在云 参数化方案中云覆盖量是由网格内的平均相对湿度推导出来，通常假设认为，当云凝结核 c c n 充足时，网格内局地相对湿度超过其饱和值就形成了云例。云物理学的理论认为，相 对湿度接近1 0 0 才有云的存在，j w a m e r l 9 6 8 年分析得到云内中值相对湿度为1 0 0 1 【2 ， 而在实际观测时，受到探测手段的限制，云中相对湿度不到1 0 0 。因此在大尺度模式中， 通过定义一个临界相对湿度r h c 来确定云覆盖量，当相对湿度小于r h c 时，云覆盖量为0 ； 而当整个网格都达到饱和时，云覆盖率为l ，这种利用r h c 来确定云覆盖率的函数关系在 很多模式中广泛应用【2 = 瑚】。由于云覆盖量在模式中的重要性，尽量精确的描述临界相对湿 度的值是非常重要的。 c l o u d s a t 卫星是美国宇航局启动“地球观测系统科学探路者0 三s s p ) 计划中的一颗重要 卫星剀，它能够相对定量的来识别云，其辅助产品e c m w f - a u x 中提供了气压、温度、 比湿等大气状态参量，这些大气状态参量是由欧洲中尺度天气预报中心提供的大气状态参 量数据插值到c l o u d s a tc p r 雷达的每一距离库后得到的。欧洲中期天气预报中心c m w f ) 的模式产品普遍认为是相对可靠的，很多模式将其作为初始场使用，因此利用 e c m w f - a u x 产品中的大气状态参量计算出对应位置的相对湿度，可以得到全球大范围云 中相对湿度的分布情况，得到较为准确的判别云的相对湿度阈值。 2 第一章绪论 1 2 国内外相关研究进展 1 2 1f y 2 c 卫星反演云光学厚度与液水路径统计研究 1 2 1 1 光学厚度研究进展 云的微物理特性( 云量、高度、粒子尺度、含水量、光学厚度等) 及其时空分布演变 特征对气候学、大气辐射学、人工影响天气研究的重要性不言而喻。而卫星遥感是在区域 乃至全球尺度上获取这些参量的主要手段，也是云遥感未来的发展方向。利用卫星辐射资 料准确反演云的光学厚度、尺度分布、高度( 包括云底和云顶高度) 和云量等还有一定的局 限性，其中以光学厚度的和云滴粒子尺度问题最为突出，而这些参量也恰恰是当前人工 影响天气作业中最为关心的问题。 刘健掣2 5 】利用f y 2 1 c 极轨气象卫星扫描辐射计的通道1 ( o 5 8 - 0 6 8s tm ) 、通道3 0 5 5 - 3 9 5s tm ) 和通道6 ( 1 5 8 - - 1 6 4i im ) 所提供的探测数据进行了水云光学厚度和粒子有效 半径的反演试验。王越等 2 6 - 1 提出了一种利用地基观测透射太阳辐射反演层状云光学厚度和 有效例子半径的方法。张言等【2 7 】对2 0 0 4 年5 月1 2 号欧空局s c i a m a c h y 仪器通道4 得到的氧 气a 带基线区域数据进行处理，尝试反演有代表性的海洋和亚热带区域云的光学厚度，得 到较好的结果。证明了氧气a 吸收带基线区域对于反演云光学厚度的应用具有一定的潜 力。周毓荃等1 6 - 7 1 利用我国f y 2 c d 静止卫星观测数据融合其它多种观测，开发了包括云光 学厚度、云粒子有效半径等近1 0 种云宏微观物理特征参数系列产品，并将反演产品同 m o d i s 反演的同类产品进行对比分析，发现两者具有较好的一致性。 1 2 1 2 微波辐射计探测云中液水的研究进展 垂直方向上的云积分液态含水量即为云液水路径。对液水含量的研究开展的较多，飞 机搭载的p m s 能够进行云中液水含量的测量【2 8 1 ，探空资料可获得每天2 3 次云系水场结 构，特别是水汽场结构。国内外多年研究【2 9 3 0 】表明地基微波辐射计探测晴天和非降水云天 的水汽和云液态水的原理、方法和实验技术已经成熟，徐桂荣等【3 l 】利用同址g p s 无线电探 空和g p s 气象学( g p s m e t ) 的观测数据，对微波辐射计反演的气象要素进行了对比分析。 与g p s 无线电探空结果对比，微波辐射计的温度和水汽密度廓线具有很好的正相关。 如何利用不同手段反演液水含量以及结果之间的对照，国内外学者已经做了很多研究 工作。n a k a j i m a 掣3 2 】利用不同观测平台( m o d i s 、地基微波辐射计、飞机) 所获得的l p 、 粒子有效半径和云光学厚度c o t ( c 1 0 u d o p t i c a l t h i c k n e s s ) 进行了同项问的一一对比，结果 3 南京信息工程大学硕士学位论文 认为由不同观测平台所得泞相关较好，其余二者也较为一致。姚展予等p 3 1 利用地基双频 微波辐射计和t r m m i t m i 两种被动微波遥感资料为基础，运用统计回归方法分别得到安 徽寿县地区云中液水含量的反演公式。他们利用公式分别反演了该地区1 9 9 8 年6 一- 7 月的云 中液水含量，结果较为一致。 1 2 1 3 光学厚度同液水路径关系的研究进展 云光学厚度是用于描述云辐射特性最重要的参数，之前很多的研究多集中在不同途径 观测或反演的液水含量或其他物理量的一一比较上，刘晓春等【l o 】利用地基双波段微波辐射 计积分液水含量资料与e o s m o d i s 云产品的云光学厚度分别进行了相应计算，得到了云 光学厚度与液水含量的两关系式。发现两组数据的拟合线斜率十分接近，前者关系式比后 者更为合理。应用此关系式推算了某时刻的云中液水含量分布，并用于验证m o d i s 反演 的液水路径，发现在层云覆盖下二者有很好的一致性。 1 2 2 降水估计研究进展 1 2 2 1 神经网络方法估计降水研究 非线性统计方法中使用较多的是神经网络方法和支持向量机方法。江吉喜瞰】运用逐时 g m si r 数字展宽数据和气象站雨量观测以及地面压、温、湿数据，采用双重检测逐步回归 方法，研究出了一种夏季6 h 降水量自动计算方法。李伟钢等f 3 5 】采用多分辨小波分析对卫星 图像进行预处理，减小了数据量后。采用神经网络根据g o e s 2 8 的红外亮温图像和气象雷 达数据对巴西圣保罗州中部的降水量估计进行了试验，取得了良好的效果。熊秋芬等【蚓 利用g m s 卫星4 个信道( 远红外、近红外、水汽信道和可见光信道) 的数据，采用非线性 的人工神经网络方法来估算单站降水量。桂海林等【3 7 】用b p 神经网络对日本g m s 的v i s ( 可见光) 、i r l ( 红外1 ) 、w v ( 水汽波段) 、及红外l 与红# b 2 波段亮温差数据进行降水 强度与降水落区的估测 1 2 2 2 支持向量机方法在气象中的应用 支持向量机是近年来倍受瞩目的一种处理高度非线性分类、回归等问题的计算机学习 的新方法。在气象研究业务中有较好的应用前景。陈永义等【15 】简要介绍了支持向量机( s v m ) 方法，分析了这一方法的特点及其在数值预报产品释用及气象研究业务中的应用前景。冯 汉中等删将支持向量机分类和回归方法首次应用于气象预报试验。试验结果显示对应的 4 第一章绪论 s v m 推理模型具有良好的预报能力。冯汉中等【3 9 】利用e c m w f 北半球的5 0 0 h p a 高度、 8 5 0 ”a 温度、地面气压的小时分析场数据构造预报因子，建立了代表站的日平均气温、日 最高气温、日最低气温的s v m 回归预报模型及其在业务化运用中的效果。 以上研究中大多采用国外静止卫星各原始信道数据作为对降水的影响因子进行统计。 近些年随着我国卫星技术的不断发展，我国的f y 静止卫星得到了更多的应用，卫星反演 的云参数对降水分析有非常重要的作用，蔡淼等【l l 】通过卫星等综合观测资料对一次对流 云团合并进行分析，认为f y 卫星反演云参数对地面降水有一定的指示意义。而应用支持 向量机方法和云参数联合估计降水方面的研究目前还较为欠缺。 1 2 3 云区湿度的研究 空气中湿度的测量以及通常的空气湿度的连续记录，是大多数气象活动领域的重要需 求，在气象分析和预报、气候研究领域都有重要的应用。云物理学的理论认为，相对湿度 达到1 0 0 才有云的存在，j w a m e r1 9 6 8 年分析得到云内中值相对湿度为1 0 0 1 ，而在实际 观测时，受到探测手段的限制，云中相对湿度不到1 0 0 。 国外对云和相对湿度关系的研究开展的较早，主要是利用探空仪器测量相对湿度，再 进行云区的判断。1 9 9 5 年p o o r e 4 0 】用探空的湿度( 露点温度差) 廓线判定云顶和云底高度， 同年，w a n g 等1 4 l 】改进了p 0 0 r e 的方法，提出用相对湿度的阈值以及云顶和云底相对湿度负 和正的跳跃变化来判断云层。1 9 9 6 年c h e m y k h 等t 4 2 】又提出了一种新的方法，利用探空的温 度和湿度二阶导数随高度的变化判断云层的垂直结构。w a n g 等t 4 3 】在1 9 9 9 年利用全球2 0 年探 空测量的温、湿、风廓线数据来估计云项、云底高度，云层厚度及单层云和多层云的数目。 除了探空的应用较为广泛以外，飞机机载仪器测量和微波辐射计探测也都可以得到云 内湿度的分布情况，也有较多相关研究【】，但由于其探测范围很有限而无法得到全球大范 围的相对湿度的分布情况，c l o u d s a t 的成功发射给解决这一问题提供了条件。 1 3 本文研究动机和主要研究内容 综合利用f y 静止卫星反演产品及c l o u d s a t 的大气状态参量产品e c m w f a u x ，结 合地面微波辐射仪观测和地面雨量观测，研究云光学厚度同地面积分液态含水量关系、利 用云参数判别降水技术、以及不同地区观测的云内外相对湿度分布及其判别阈值的统计关 系研究。为天气、气候和空中云水资源的开发利用，为利用各种手段研究云水资源分布特 征、研究云和降水的关系及云水资源开发潜力提供基础。 研究内容包括：云区相对湿度研究、云光学厚度同液态含水量的关系、云参数判别降 5 南京信息工程大学硕士学位论文 水方法探索。 云参数包括云项高度、云顶温度、光学厚度、液水路径、有效粒子半径等，它能够反 映云内部的一些性质，为了解云系的发展程度、演变趋势和人工增雨云系播云温度窗的选 择提供帮助。f y 2 系列卫星是我国自主研制的静止卫星，它可以获得大范围及较高时间分 辨率的云信息，连续观测某一固定区域的天气系统的形成和发展演变。因此本文使用f y 2 卫星反演的云参数资料重点研究了光学厚度和液水路径的关系，并使用支持向量机方法， 用云参数进行降水的判别。 一 云内相对湿度的分布对于大尺度气候模式中积云参数化方案分析十分重要，因此本文 利用c l o u d s a t 的大气状态参量产品e c m w f - a u x ，计算全球大范围云中相对湿度到的分布 情况，得到不同区域判别云的相对湿度阈值及其判别准确率。 参考文献 【