新一代静止卫星葵花-8的云分类研究及其应用

发布时间：2020-07-26 20:19

【摘要】：云在天气系统演变以及气候变化等方面发挥着极其重要的作用,它不仅决定性地影响全球辐射能量平衡,也影响全球水汽输送。云的类型对于天气的状况和未来的发展变化有着明确的指示意义,如积雨云之类的对流云与大气不稳定性、湍流和雷暴有关。准确的云检测和云分类对水文、气候、天气等研究和应用有着重要意义。为有效提升保障华南区域航空安全与效率的能力,需要实现全天时高时空分辨率客观化定量化的云类和降水反演。随着计算性能的提升和海量数据的不断积累,反演算法已从线性数学、数理统计向人工智能的机器学习、深度学习发展。近年来投入业务使用的新一代静止卫星如葵花-8提供了更精细的时空分辨率和更多的光谱通道,是否有利于云类和降水的反演值得深入研究。有如下几个问题需要尝试解决:1)机器学习算法高度依赖于已标记好的真值样本,但云型分类真值样本稀缺;2)过去使用旧代卫星反演夜间云和降水的效果明显不如白天,使用葵花-8能否得到改善;3)现有的一些静止卫星云分类产品所需外部依赖资料繁多、耗时长,业务应用困难。基于葵花-8的光谱通道对于云的辐射特性,本文研究实现了如何结合CloudSat的云类别廓线产品反演全天时云类,和如何结合地面雨量站反演降水强度的方法。通过与独立数据的对比检验,表明本文得到的全天时云分类和降水分布结果合理可靠,夜间效果与白天基本一致,而且最终得到的算法外部资料依赖少,运算速度极快,非常适合应用于业务监测。不过算法对于大雨尤其是暴雨存在低估,需要在以后的研究中改进。全文主要内容如下:1、将CloudSat的云类别廓线产品作为云分类的真值,通过和葵花-8图像匹配样本、基于最大似然估计和随机森林等统计和机器学习算法、检验Nida台风案例结果,并讨论分析定量和定性存在矛盾的原因,得到了4个可分别用于白天和夜间的分类器。结果表明,有可见光的情况下的两种算法整体准确率都要比不使用可见光高出许多,最大似然估计算法从夜间最佳的78.95%提升到白天最佳的87.38%,而随机森林算法则从85.23%提升到94.23%。单纯从定量分析的角度看,随机森林比最大似然估计算法明显准确率要更高,夜间随机森林的准确率甚至已经和白天的最大似然估计效果相近。尤其是对于卷云的识别,随机森林的表现明显更为优秀。然而,从云分类结果图上看,明显最大似然法更合理。分析表明随机森林算法严格按照训练样本的自身分布去拟合决策树模型,因此对数据的质量更为敏感,如实反映样本缺陷。2、考虑到云类本身在光谱空间的聚类特性,而最大似然估计分类器通过多次聚类迭代运算——事实上对错误样本进行了纠偏订正——是合理的。提出了结合最大似然估计算法和随机森林算法的全天时云分类方法。通过与美国海洋和大气管理局业务云类产品的对比检验证明,该方法能充分发挥新一代静止卫星更多光谱通道的优势,也对样本本身可能存在的错误具备较高的容忍度,尤其是夜间云分类能做到接近白天的水平。该分类器运算速度极快,而且使用时只需要用葵花-8的数据,便于业务化推广应用。3、使用地面雨量计降水量作为真值来估计葵花-8降水等级,并与GPM(Global Precipitation Measurement)降水反演产品和地面雨量计进行了验证。由于用于建模、反演和检验的资料是高时空分辨率的(卫星图像保持0.025°的分辨率信息,实测降雨资料为10分钟雨量计降水),保证了该方法可以实现高精度的降雨反演。通过充足样本建立了较为合理的降水概率判识矩阵,因而能够比较准确地划分雨区与非雨区。结合云分类的结果进一步分析降水样本和云类的关系,实现了基于云分类结果和随机森林来反演降水等级的方法,得到了全天时一致的降水强度分类器。该分类器使用基于样本雨量平均值得到的判据来反演降水等级,分布与GPM产品大致一致,部分等级降水甚至比GPM产品略好。GPM校准降水资料一般要比探测时间落后3—4个月才发布,无法用于业务应用,分辨率也较粗,而本文提出的方法在时空分辨率和及时性上都是很大的优势。
【学位授予单位】：南京大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：P426.5;P412.27
【图文】：

民用机场,空域,浓积云,积雨云

的影响尤为明显。特别是全球空域最为复杂区域之一的珠三角地区，其航空和空逡逑域资源严重不足：在方圆不足２００ｋｍ的狭长范围内，汇集了香港、广州、深圳、逡逑澳门和珠海五大民用机场（如图１．１所示），此外还有佛山、惠阳等军民合用机逡逑场和南头等直升机机场。由于目前各个机场的管制空域基本上按行政区划设，在逡逑机场密集的情况下，各机场管辖空域狭小又要保留一定的安全保护区域，所以导逡逑致了空域不能充分利用，再加上众多航空交通流汇集于珠三角上空，空域重叠、逡逑航班量大、起降频繁，使得飞行空域异常紧张，航班“塞机”现象较严重（王仁逡逑春，２０１１）。繁忙空域条件下，机场容量趋于饱和，不利天气对于航班延误影响逡逑严重，飞行效率和流量增长的矛盾日益突出。以深圳机场为例，作为国内最繁忙逡逑２逡逑

云分类,卫星,云类,云层

逡逑外形特征、结构特点和云底高度将云分为４族１０属（图１．２）邋．？即高云（卷云、逡逑卷层云、卷积云）、中云（高层云、高积云）、低云（层云、层积云、雨层云）、逡逑直展云（积云、积雨云）。逡逑目前气象业务上，云的分类标准是划分为３族１０属２９类，并定义了相应的逡逑云状电码和符号（详见附录Ａ），云底高度、云的形态和结构被认为是人工区分逡逑ｉ类的最直接最有效的指标。逡逑ＣＵＭＵＬＯＮＩＭＢＵＳ逡逑：：：：：：邋：：逡逑ＫＩＭＢＯＳＴＲＡＴＶＳ逦ＳＴＲＡＴＯＣＵＭＵＬＵＳ邋、逦，逦－逡逑ＳＴ＿Ｓ逦＇，擺ｆ逡逑图１．２邋ＷＭＯ公布的１０属主要云类逡逑（ｈｔｔｐｓ：／／ｃｌｏｕｄａｐｐｒｅｃｉａｔｉｏｎｓｏｃｉｅｔｙ．ｏｒｇ）逡逑由于卫星俯瞰云层自上往下观测，传统的基于地面自下往上观测的云分类标逡逑准己不再适用于卫星。最明显的是积雨云，在原来的地面观测云分类中，因云底逡逑比较低被分在低云族；但在卫星云分类中，因积雨云云顶发展比较高应为高云。逡逑卫星宽广的视野和较低的空间分辨率（相对单点的地面观测而言）导致对云的细逡逑微形态和结构辨别能力有限

云分类

逡逑（图１．３），其主要是基于卫星观测的特点，依据光学厚度和云顶高度对云进行逡逑分类（Ｈａｈｎ邋ｅｔａｌ．，２００１）。逡逑５０逦Ｉ逦Ｉ逦Ｉ邋、逡逑１８０－逦＿＼逡逑？邋３］０，邋卷云逦卷层云逦深对流＿邋）高云逡逑ａ邋４４０逦Ｃ逡逑ｒ邋５６０邋？高积云逦高层云逦雨层云－〉中云逡逑ｉＷ邋６８０逦逡逑８００邋－邋积云逦层积云逦层云逦低云逡逑１００００逦１．３逦３．６逦９．４逦２３逦６０逦３７９逡逑云光学厚度逡逑图１．３丨ＳＣＣＰ云分类（李昀英等，２０１４）逡逑Ｂａｎｋｅｒｔ邋（１９９４）将云分为低云、高层云、高云和降水性云等４类，Ｔｉａｎ等逡逑（１９９９）将云分为层云、积云、高层云、卷云和卷层云等５类，Ｙｕｅｔａｌ．邋（１９９７，逡逑１９９８，２００８）和Ｚｈａｎｇｅｔａｌ．邋（２０１１）考虑区分降水云系，将云分为积雨云、厚卷逡逑云、薄卷云、中云、低云和多层云系等６种。李昀英等（２０１４）基于大气代表性、逡逑观测可行性、历史继承性和可扩展性原则，不考虑云高，提出了卫星、地基、数逡逑值模式统一的自动观测云分类标准：将云分为４属（卷云、波状云、层状云、积逡逑状云）８类（薄卷云、密卷云、波云、雨波云、层云、雨层云、浅积云、深积云）

【参考文献】