卫星气象学课件：第九章 由卫星资料定量估算气象参数

1、第九章 由卫星资料定量估算气象参数,第一节 卫星资料估算降水,第一节 卫星资料估算降水,一、降水因子分析 二、云指数降水估计 三、云生命史方法 四、利用半小时的增强红外云图对流性降水的估计方法,测量降水的方法： 地面雨量计直接测量降水、较高的准确度、代表性较差 雷达间接测量降水、较高时空分辨率、覆盖面积有限、目前最有效 卫星利用静止卫星云图估算降水、高的时间和空间分辨率、估计准确度有限 目前利用卫星资料估计降水主要分两类： 1.建立在云的分类基础上的云指数法 2.利用静止卫星连续观测云系变化的生命史法,一、降水因子分析,1.云厚与降水量间的关系 一般而言，云越厚，所含的液态水就越多，产生的降水

2、量也越大 例子P399图9.1 2.云厚与云的反照率 可见光云图上云越厚反照率越大 例子P400图9.2 3.云与雷达回波 云层越厚，出现雷达降水回波的百分率越高； 陆地岛屿上云与降水回波的关系，与海上云层相比，同样厚度的云层，由于受地形的影响，出现降水回波的百分数明显减小而且更加可变。图9.3,一、降水因子分析,4.不同的天气系统下的不同可见光和红外亮度等级出现的降水概率 P401图9.4 温度越低，反照率越大，降水概率越大 对于不同的天气系统，降水像点数在可见光和红外双谱段上的表现也明显不同。,二、云指数降水估计,1.原理和方法 原理：先从云图上识别云的类型然后对每一 类云给予一降水强度

3、方法：（1）降水量 （2）降水指数,二、云指数降水估计,（3）降水量R=fA,i(h) 具体操作五步： 把所要估计的降水区按经纬度分成若干区； 识别区域内云的类型； 选取有实测记录的降水区，与卫星云图上相应的云类作分析，求出每一种类型云发生的降水概率； 把每个估计区内的各种云的降水概率化为降水系数； 由气候资料求出降水系数和给定时间内的回归方程和回归系数。,二、云指数降水估计,2.日降水量估计,二、云指数降水估计,3.月降水的估计,该方法有一定的局限性： 在估计对流性降水中，当方法不能区分重要降水元时，误差很大。 方法对某种云类始终用固定的雨强和降水概率，实际情况远非如此。 实际降水是有条件的

4、，该方法没有考虑。,二、云指数降水估计,3.月降水的估计 该方法的改进： （1）对估计区作一些单点估计，以此判断整个估计区的降水分布 （2）增加某些云的权重，以修正变化较大的暴雨降水； （3）在估计暴雨降水时，可使用一些特殊方法，以增加方法的灵活性，主要有： 使用 的值加大降水估算，其中 是单点平均暴雨降水量， 是暴雨点周围区域降水； 表示较宽区域内月平均云量 的函数； 使用暴雨点的平均云量,二、云指数降水估计,4.云指数估计热带海洋地区的降水 （1）Kilonsky Ramage方法 (2)Arkin 方法,二、云指数降水估计,5.Follansbee(1973)方法估计中高纬度地区冬半年降

5、水 （1）方法概述 由气候资料确定I； 使用间隔12小时的云图，勾画出降水区，然后用云移动模式定出降水持续时间D； 根据1、2定出的I,D值，制作降水分布图。 （2）由气候资料确定降水强度I,二、云指数降水估计,5.Follansbee(1973)方法估计中高纬度地区冬半年降水 （3）由云移动模式确定降水时间D（P406） 中速移动矩形云区的持续时间： 快速移动的矩形云区 慢速移动矩形云区 圆形云区的降水持续时间的确定 锋面云系的降水持续时间的确定,二、云指数降水估计,4.方法的改进 （1）方法的改进,（9.15）,二、云指数降水估计,4.方法的改进 （2）操作步骤 使用时间序列云图将降水云与

6、非降水云区分开，勾画出降水区； 求出降水云区的计算值，与地面测云报告，定出云的厚度因子H； 利用云移动模式，确定出降水持续时间 求出地形因子Q，云类因子C，和与云发展有关的降水量 由（9.15）式计算降水量R。,三、云生命史方法,1.降水指数 2.根据云的高度（亮度）面积阈值估计降水 Doneaud等导得的体积降水强度 Atlas等,三、云生命史方法,2.根据云的高度（亮度）面积阈值估计降水 根据云的亮度和范围可以估计云的降水量，分三步： 选取有測雨雷达和地面降水观测资料稠密的区域作为该方法的试验区； 由同时刻或相近时刻的卫星和雷达资料，建立卫星云图上的亮度和面积与雷达回波的关系； 根据雷达估

7、计降水的，估计相应在卫星云图上云的亮度和面积所产生的降水。,三、云生命史方法,由以上依据介绍的几种估计方法： 2.GRIFFITH-woodley的云生命史方法 3、由云面积及其时间变率估计降水 4、云面积时间积分方法 5双光谱统计识别法估计降水 6、对流-层状云方法,三、云生命史方法,2、GW云生命史方法： 建立回波与云面积间的关系，从而估计降水。它用于估计热带和中纬度地区大范围的降水 首先，建立体积降水率Rv和云区发展的最大面积Ae的关系： 看书P410 的图9.12分析,三、云生命史方法,3、由云面积及其时间变率估计降水 1）方法依据：研究发现，对于孤立的雷暴云，其云面积的增长相对于降水

8、增长有明显的滞后。 2）估计方程： 方程使得在云增长阶段时的降水比减弱阶段降水要大。符合实际情况。,3）回归系数a0、a1的确定： 先采用阀值法确定云面积Ac，然后将卫星云图云面积与雷达估计的降水率进行回归分析，从而确定a0、a1 4）估计步骤：取时间间隔较短的一系列静止卫星云图 从云图上识别积雨云根据选定的阀值，确定积雨云的面积和位置 根据雷达测量关系式取降水率，用最小二乘法求系数a0、a1 求单个积雨云的降雨量，然后累加求得区域降雨量分布。 5）方法讨论：由书P412公式可知，实际面积变化项可当成对降水云面积的补充。,三、云生命史方法,三、云生命史方法,4、云面积时间积分方法： 在对流性降

9、水的研究中发现，对流云生命期间的体积降水率正比于云区面积-时间积分： 对流降水对降水结构很敏感，仅降水面积是主要的，这也是生命史方法成功的原因。,三、云生命史方法,5、双光谱统计判别法估算降水： 可见光资料提供了云的厚度、形状和成分，红外资料提供云的温度和云顶高度的信息，利用两种资料来估算降水。 1）早期的双光谱法： P为归一化的降水百分数，E是季节平均红外辐射率，A是季节平均可见光的反照率，该方法将强降水与弱降水区分开来,2）双光谱统计判别法估算降水： 对降水估计，在二维空间里，把目标分成有雨（R）和无雨(N)两类，赋予四个变量（P413），则一般的损失函数为： f =(lRRN+lNNR

10、)/(N+R) l为权重因子，取1则化为误差部分；取lR=(N+R)/R, LN=（N+R）/N，则损失函数为 F1=RN/R+NR/N,求出相对于f的最小函数g，定义它为降水区和无降水区之间的最优边界。 此种方法可将降水区与非降水区区分开来。,三、云生命史方法,3）双光谱集群法估算降水 修改了前者的方法，采用与云分类相似的集群方法，通过对像点集群构划降水区。这方法对对流性降水比非对流性降水效果要好。,三、云生命史方法,5、对流-层状云方法： 扼要叙述为：使用探测资料输入分析红外资料，确定温度最低的位置，筛选消去非降水云给对流单体赋予降水值，使用模式由云顶温度确定降水强度和降水面积。对比层状云

11、阈值冷的每一个点，不是对流性降水，赋给每小时2mm的降水值。,三、云生命史方法,1、方法依据： 1）在可见光云图上色调亮的云比暗的云产生较大的降水 2）可见光云图上明亮、红外云图上冷的增大着的对流云区比不增大的产生较大的降水 3）减弱消亡的对流云产生小降水的或者没有降水 4）在红外云图上冷的对流云比暖的对流云产生较大的降水，云顶温度由冷变暖的云产生小的降水或者没有降水。 5）当发生积雨云合并时，产生较大的降水 6）当有风垂直切变时，降水中心发生于积雨云上风部分、云顶最高和最冷的地方。,四、利用半小时的增强红外云图对流性降水的估计方法,降水估算方程： 半小时降水估计=云顶温度因子+云区增长因子+

12、穿越云顶因子+云区合并因子 2、估计步骤： 看阅书本P415 步骤图解,四、利用半小时的增强红外云图对流性降水的估计方法,3、对流性半小时面降水量估计： 对半小时面降水估计分成四步： 1）区分并划出活跃的对流强降水区和小雨或无雨区的等雨量线 2）勾画强降水区，并计算降水量。强降水在云图上表现为：冷云顶、水平方向快速扩张的云顶、垂直方向迅速上升的云顶、云团合并和云线合并，由刚才的第四步和第五步求得降水后，绘制等雨量线。 3）在1.27mmh-1 等值线内增加一条1.27mmh-1 等雨量线，表示强降水 4）校正对流风暴的地理位置,四、利用半小时的增强红外云图对流性降水的估计方法,4、修正的SO方

13、法: 对以下三种情况作订正：在水汽饱和的环境中发展起来，且静止少动，形成2h以上的云团有高空强辐散在干燥环境中发展起来的或云底高度较高的云团。修正后方程为： 半小时对流降水估计=云顶温度及云区扩展因子（或高空辐散因子）+穿越云顶因子+云团合并因子+云团合并因子+饱和环境保护因子地面到500hpa可降水/15 其中各因子的计算方法，参阅书本p417页。,四、利用半小时的增强红外云图对流性降水的估计方法,5、暖云顶降水的估计： 若出现一些云顶不高、降水强度大 的积雨云，其云顶温度一般大于-62C,称之为暖云顶。一般出现在： 极锋急流南侧的热带气团内对流层低层是弱的气旋性或静风，高空是反气旋的地方稳

14、定性气团内，云顶增长不很高具有合并和迅速扩展的卷云毡的饱和环境内的云团。 对暖云顶的特诊，要采用一定的修正方法： 看阅书本p418页，5点修正方法。,四、利用半小时的增强红外云图对流性降水的估计方法,5、对流性降水的趋势和预报规则 1）判别对流云发展加强的依据 如果前一小时降水的估计值有增加的趋势 如果最冷云顶的移速减慢或者停止 如果发生两单体合并、或云线相互合并、或云团合并或与团与低空辐合线或海风锋合并 如果底层暖湿输送带的方向越来越垂直于冷云顶运动的方向，将有利于地面水气辐合。 由每小时的地面资料或者卫星探空表明，低空的流入使露点增大和降水量增加，或不稳定度加大 如果系统处于发展阶段，尚未达到平均最大持续期。,四、利用