FY-4A卫星在宁夏短时强降水中的适用性研究_邵建.pdf

第40卷第2期2023年2月Vol.40No.2Feb.2023干 旱 区 研 究ARIDZONERESEARCHhttp:/DOI：10.13866/j.azr.2023.02.01FY-4A卫星在宁夏短时强降水中的适用性研究邵建1,2,3，张肃诏1,4，陈敏2，李强4，郑友炯2，程瑶2，马宁5（1.中国气象局旱区特色农业气象灾害监测预警与风险管理重点实验室，宁夏 银川750002;2.银川市气象局，宁夏 银川750002;3.宁夏气象防灾减灾重点实验室，宁夏 银川750002；4.宁夏气象台，宁夏 银川750002;5.宁夏气象信息中心，宁夏 银川750002）摘要：通过收集20182020年宁夏短时强降水个例及其对应时段的FY-4A卫星资料，选取FY-4A卫星云类型CLT、云相态CLP、云顶高度CTH、对流层折叠最深深度TFTP_Z_depth、降水估计QPE等5类产品进行可用性分析。结果表明：（1）FY-4A数据接收率和物理保存情况，足以支持实时监测预警业务；（2）5类产品在宁夏短时强降水个例中有不同的表现，其中CLT、CLP具有较好的可用性，可以较好的判断云的类别；而CTH和QPE均存在较大误差且均为偏小趋势，需结合其他手段予以订正；CTT、TFTP_Z_depth两种产品与短时强降水的对应关系较为明显，而CTH高值有利于出现强降水，但并不是出现强降水的必要条件。整体来说，FY-4A卫星在宁夏短时强降水天气中具有一定可用性和参考性，可为对流性天气判别、人工影响天气作业提供较好的数据支持。关键词：FY-4A卫星；短时强降水；适用性分析；统计分析；宁夏自20世纪60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，建立了全球卫星观测体系，大大丰富了气象观测的内容和范围，突破了人类只能从底层探测大气的局限性。在以往的西北地区灾害性天气过程研究工作中，学者们更多依赖于地基观测资料1-6。然而在下垫面复杂的西北地区，地基观测存在站点稀疏和地形遮挡等问题，往往无法得到完整的对流云团信息7。与之相比，卫星观测具备覆盖范围广、连续观测、参数完备等优势，能够提供多时次、大范围、连续性的云微物理探测信息8-9，可以有效补充地基观测的不足。风云四号A星（简称FY-4A）是我国第二代地球静止轨道定量遥感气象卫星的首发星，也是世界上最先进的新一代静止气象卫星之一10-11。于2016年12月11日成功发射，2017年9月25日正式交付使用，2018年以来，中国气象局明确要求应加强风云卫星资料在气象预报中的业务应用。FY卫星数据业务应用方面的研究很多，其中利用最多的就是应用在强对流天气12-22、大气污染遥感监测23-25、辐射遥感应用26-33、云微物理34-35、天气系统跟踪识别36-37等方面。目前学者们已经对风云卫星系列产品的适用性开展了许多评估工作，以往的卫星产品检验评估方法一是利用与国内外其他卫星同类产品进行交叉检验分析，以科学评估被检验卫星参数的精度及其在天气监测中的适应性及可靠性38-41；二是通过与地面同类型观测产品进行交叉比对，如通过辐射观测数据32,42、地面人工云观测数据43、自动站数据44-46、地面积雪数据47等开展对比检验。三是通过统计分析，检验卫星观测数据，如通过分析云导风产品误差开展卫星产品同化试验48、通过构建卫星云气候数据集评估卫星数据精度49、通过多种误差灵敏度分析卫星探测仪性能50。也有研究卫星数据在不同地区的适用性的，如有学者针对卫星降水产品在太行山区41、黄河源区51、中亚地区52的适用性分别进行了评估。更多FY卫星产品的应用以及适用性还需开展收稿日期：2022-08-29；修订日期：2022-10-15基金项目：宁夏回族自治区青年拔尖人才项目（2017-RQ0086）；中国气象局预报员专项（CMAYBY2020-131）；宁夏回族自治区重点研发项目（2018BEG030020）联合资助作者简介：邵建（1981-），男，高级工程师，从事天气预报和气象防灾减灾技术研究.E-mail:163172页40卷干旱区研究进一步的研究，尤其是近年来气候变化使得宁夏暴雨的极端性、影响性日益凸显53-57，利用多源资料做好暴雨尤其是致灾的短时强降水监测预警尤为重要。本文试图从数据传输保存、数据适用性两个方面着手，采用数据传输率结合天气学分析方法，对云类型CLT、云相态CLP、云顶高度CTH、对流层折叠最深深度TFTP_Z_depth、降水估计QPE等5类产品的适用性进行分析。1资料及方法1.1 所用资料1.1.1 FY-4A资料FY-4A卫星搭载仪器有多通道扫描成像辐射计（AGRI）、干涉式大气垂直探测仪（GIIRS）、闪电成像仪（LMI）和空间天气监测仪等4种探测器，主要有32类定量产品。本文主要在多通道扫描成像辐射计（AGRI）观测数据中，选取云类型CLT（Cloud Type）、云相态 CLP（Cloud Phase）、云顶高度CTH（Cloud Top Height）、对流层折叠最深深度TFTP_Z_depth（Tropopause Folding Depth）、降水估计QPE（Quantitative Precipitation Estimation）等 5 类产品进行适用性分析（表1）。数据格式为MICAPS第4类格式。FY-4A卫星资料长度：20182020年的每年5月1日0:009月30日23:00。1.1.2 对比数据选取云体特征观测数据：选取银川国家基准气候站的人工云观测数据和高空探测数据，其中人工云观测数据为逐8 h观测报文；高空探测数据为每日08:00、20:00探空数据。自动站数据：小时雨量10 mmh-1；能够与对流云团卫星产品时段对应。利用自动站逐 1 min 数据，累计得到与卫星QPE产品所对应时段的15 min累计降水量。利用自动站小时雨量对比分析QPE小时累计量。卫星降水估计产品：逐15 min间隔，分析分钟级数据误差；将1 h 4个时刻QPE累计得到小时QPE结果分析小时雨量误差。数据为MICAPS第4类格式，1.25 km间隔格点。在文中构建样本序列时，利用强降水发生地经纬度位置，采用距离反比插值方法，读取改点位置的卫星产品数据，形成样本序列。上述资料长度均与FY-4A卫星数据长度一致，为 20182020 年的每年 5 月 1 日 0:009 月 30 日23:00。1.2 FY-4A数据窗设定及关键信息提取设定影响区和关键区两类数据窗（图1，蓝色框为影响区，紫色框为关键区），从而实现更为有效、快捷的数据处理、冗余数据剔除和数据分析。影响区的范围为：3050N、95115E，大致为西北地区中东部地区。关键区的范围为：3340N、102110E，包括宁夏全区及其上下游。基于FY-4A卫星MICAPS第4类格式数据，针对宁夏短时强降水灾害天气，基于其发生地经纬度，利用插值算法提取卫星数据中的关键信息和有效信息。1.3 数据接收率目前FY-4A数据产品主要通过全国综合气象信息共享平台（CIMISS）、中国气象局卫星数据广播系统接收站（CMA-Cast）及地面接收站等3个途径收集。其中，前2个途径下发的数据为MICAPS第4类格式（“.000”格点化数据，保留半年）或AWX格式（保留半年），地面接收站接收的数据为“.NC”标准数据格式（仅保留1个月），可以满足实时预警监测和短时间回溯使用。采用统计分析方法，对多通道扫描成像辐射计中L1、L2通道数据接收率进行统计分析（图2）。其中，L1通道14个通道平均接收率为84%93%，最低接收率为64%80%。L2通道30个产品，平均接收率94%99%，最低接收率为83%95%。传输率完表1 FY-4A部分产品参数Tab.1 Product parameters of FY-4Asatellite产品云相态云类型云顶高度降水估计对流层顶折叠检测英文缩写CLPCLTCTHQPETFP调取参数及产品CLP（Cloud Phase，云相态，无单位）CLT（Cloud Type，云类型，无单位）CTH（Cloud Top Height，云顶高，km）Precipitation（Quantitative Rainfall Rate Estimation，定量降水估测，mm）TFTP_Z_depth（Tropopause folding uppermost height，对流层折叠最深深度，km）最小分辨率4 km1 km更新频次 60 min 15 min 不定时1642期邵建等：FY-4A卫星在宁夏短时强降水中的适用性研究全符合宁夏强对流天气监测预警的业务需求。1.4 产品选取原则主要考虑以下原则：（1）选取与强降水相关且能够直接描述云特性的产品进行可用性分析。一般描述云体特征，大致包括云状、云底高度、云厚、云顶高度、云的类别、云顶气温（亮温）、云体结构等参数。FY-4A卫星能够观测或计算输出有云顶高度CTH、云顶气温CTT、云顶黑体亮温TBB、云顶气压CTP、云类型CLT、云相态CLP、云检测CLM等。（2）选取可以直接获取人工观测数据和计算得到的产品进行适用性研究。如云类型、云顶高度、降水估计等。因银川国家基准气候站为目前国内8个仍保留人工观测的站点之一，其人工观测数据可用于对比分析。（3）选取发生或持续时间与银川探空站的观测时间段重合的个例，作为云顶高度CTH分析的个例。即短时强降水的发生持续时间，至少包括一部分的探空气球施放时间。综合以上3条原则，选取银川国家基准气候站人工观测数据为对比值，选取云类型、云检测、云顶高度、云顶气温这4项观测产品分析其适用性。2适用性分析2.1 云类型CLT和云相态CLP从表2可以看出，在20182020年发生在银川的短时强降水过程中，云类型（CLT）产品中数据表明，54.6%为暖冷混合云（观测值为4）、24.46%为暖水云（观测值为2）、6.96%为过冷水云（观测值为3），以上3类总共占比86.02%，其他类型的云占比均较低。相对应的，云相态（CLP）数据分析结果，混合态图2 各通道接收率统计Fig.2 Statistical chart of reception rate of each channel图1 卫星数据处理数据窗Fig.1 Processing area of satellite data表2 短时强降水个例中云类型（CLT）和云相态（CLP）统计特征Tab.2 Statistical characteristics of CLT and CLPin short-time severe precipitation cases during 2018-2020产品定义云类型CLT云相态CLP取值范围数值占比/%数值占比/%无云011.0907.99暖水云或液态（水）224.46114.11过冷水云或过冷液态36.96215.52混合云或混合态454.6360.12冰云或固态（冰）50.7242.21卷云61.11-多层云70.84-不确定90-太空12601260填充值12701270无云011.0907.9916540卷干旱区研究云（观测值为3）达60.12%，过冷液态（观测值为2）为15.52%，液态（观测值为1）为14.11%，3类合计占比89.75%。表明银川的短时强降水天气所对应的云团以液态云为主（暖冷混合云、暖水云、过冷水云），固态云较少。另外，在短时强降水发生的情况下还有11.09%、7.99%被判断为无云，这可能与取值插值方法和资料时间差有关。综上所述，云类型（CLT）和云相态（CLP）在宁夏具有较好的可用性。可以较好地判断云的类别，为对流性天气判别、人工影响天气作业提供较好的数据支持。2.2 云顶高度CTH验证云顶高度CTH适用性的思路大致如下：通过经验分析得出不同云属的云底高度范围Hb，然后通过相对湿度和露点法估算云体厚度Ht，二者相加得到估算的云顶高度Htop，以此结果与CTH对比估计其可用性。则估算云顶高度的计算公式如下：Htop=Hb+Ht（1）