南京航空航天大学雷达成像与微波光子技术教育部重点实验室, 江苏南京 210016
为提高双偏振雷达在水凝物相态识别方面的能力, 利用双偏振气象雷达目标回波中的反射率因子 ZH、差分反射率因子 ZDR、差分相位常数 KDP、共偏相关系数 ρHV, 构造反射率标准差 SD (ZH )和差分相位标准差 SD (.DP )。将这 6个极化参数作为输入量, 通过统计美国国家海洋和大气管理局(NOAA)提供的大量水凝物样本数据, 根据样本数随雷达回波参量分布, 提出了以 β型函数为隶属函数的模糊逻辑分类算法。该算法能够有效识别小到中雨(RA)、大雨(HR)、大滴(BD)、干雪 (DS)、湿雪 (WS)、冰晶 (IC)、霰 (GR)、雨雹 (RH)、大雹 (LH)9类气象回波和 1类地物回波 (GC)。选取美国 S波段的科罗拉多州丹佛地区的气象雷达 KFTG在不同时间点的观测资料进行测试, 识别结果与 NOAA提供的 Level Ⅲ数据中的水凝物分类结果基本一致, 验证了本文提出的模糊逻辑算法具有良好的分类效果。
双偏振雷达 气象回波 模糊逻辑 降水粒子 相态识别 polarimetric radar meteorological echo fuzzy logic precipitation particles phase identification 太赫兹科学与电子信息学报
2023, 21(12): 1476
1 西南技术物理研究所,四川 成都 610041
2 激光雷达与器件技术四川省国防科技重点实验室,四川 成都 610041
3 中国民用航空飞行学院 理学院,四川 广汉 618307
相干激光测风雷达具有体积小、探测效率高、信噪比强等特点,在气象、航空保障以及风电等行业得到了广泛的应用,但是目前雷达数据产品大多是利用回波多普勒频移信息反演的风场数据产品,未对雷达回波信号强度信息进行数据挖掘。针对当前相干激光测风雷达数据产品开发不足的问题,介绍了一种新型基于相干探测的激光雷达数据产品生成技术,该技术在探测风场的同时,实现云高、消光系数及能见度等多种气象要素数据产品的生成。首先,通过分析回波信号特性,推导出雷达回波信号功率的计算方法,获取探测范围内各距离位置的回波信号强度信息。在此基础上,利用阈值法和微分零叉法反演出云底高度,同时采用改进型Klett算法实现大气消光系数的反演,继而实现能见度的测量。最后,与气象站能见度仪、激光云高仪以及532 nm气溶胶激光雷达进行数据对比验证试验,试验数据结果显示:云高对比精度可达5.0%,能见度对比精度可达12.2%,消光系数对比有较好的一致性,并可长期在多种气象环境下连续测量。
激光雷达 气象探测 相干探测 消光系数 能见度 云高 lidar meteorological detection coherent detection extinction coefficient visibility cloud height 红外与激光工程
2023, 52(11): 20230138
1 中国气象局沈阳大气环境研究所, 辽宁 沈阳 110166 太原理工大学矿业工程学院测绘科学与技术系, 山西 太原 030024
2 太原理工大学矿业工程学院测绘科学与技术系, 山西 太原 030024
3 中国农业大学资源与环境学院, 北京 100193
4 中国气象局沈阳大气环境研究所, 辽宁 沈阳 110166
5 中国气象科学研究院, 北京 100081中国气象科学研究院与郑州大学生态气象联合实验室, 河南 郑州 450001
快速准确获取水稻种植分布对于制定区域农业生产政策、 保护区域农业稳定具有科学意义。 以风云系列为代表的卫星资料在农业遥感方面已得到了广泛使用, 但目前鲜有基于国产风云遥感数据反演水稻种植空间分布的研究。 为快速准确获取水稻种植分布, 挖掘风云遥感资料在反演水稻种植信息领域的数据价值, 以盘锦市作为实验区域, 开展基于FY-3 MERSI卫星资料的水稻种植空间分布反演。 利用5景2019年研究区域水稻生育期风云三号中分辨率MERSI(Medium Resolution Spectral Imager)光谱成像仪数据计算归一化植被指数(NDVI)、 归一化水体指数(NDWI)、 两者之间的差值(NDWI-NDVI)及比值植被指数(RVI), 对盘锦市水稻以及其他地物类型(建筑用地、 水体、 自然植被、 天然湿地和旱地)感兴趣区域进行植被指数时序分析, 利用NDVI、 NDWI、 RVI和NDWI-NDVI时间序列曲线确定最佳识别模式及其阈值, 发展水稻种植空间分布遥感反演算法。 首先根据水稻移栽期NDWI-NDVI>-0.14和抽穗期NDWI-NDVI<-0.4对水稻种植分布进行粗提取, 在此基础上依据水稻与其他地物类型NDVI、 NDWI和RVI曲线特征差异对其他地物类型进行掩膜, 得到2019年研究区域水稻种植空间分布。 基于实地调查数据对研究区域水稻种植空间分布反演结果开展验证评价, 总体精度为75%。 基于目视解译的水稻空间分布数据开展验证评价, 总体精度、 制图精度以及用户精度均达到了80%以上, Kappa值为0.61。 研究区域2019年水稻面积为116 618.75 hm2, 与2019年盘锦市统计年鉴公布数据基本一致。 研究表明, 基于风云三号卫星资料反演水稻种植空间分布能够满足区域农作物种植分布遥感监测的要求, FY-3 MERSI遥感数据在农作物种植空间分布提取中具有应用价值。 该研究丰富了农作物种植分布监测的遥感数据源, 对于深入风云卫星资料的实际应用具有重要科学意义。
遥感 水稻 植被指数 风云气象卫星 Remote sensing Paddy rice Vegetation indices FY meteorological satellite 光谱学与光谱分析
2023, 43(5): 1606
1 中国科学院上海技术物理研究所,上海 200083
2 中国科学院红外探测与成像技术重点实验室,上海 200083
3 中国科学院大学,北京 100049
在轨辐射定标是极轨气象卫星光谱成像仪定标的重要组成部分,是实现高定量化遥感的重要技术手段。星上定标器以太阳作为长期稳定的参考光源,以定标器漫透射板作为基准传递媒介,漫透射板的标定精度直接决定了星上定标精度。根据风云三号E星轨道特点和光谱成像仪工作模式,星上定标器采用了漫透射板这一特殊形式。针对星上定标器的高精度性能测试技术开展研究,提出了一种基于标准光谱仪的外场漫透射板标定方法,以解决漫透射板双向透射分布函数(BTDF)所需的大口径、高亮度均匀测试光源以及高精度自动控制覆盖测试角度矩阵等标定难题。所提方法以外场太阳作为参考光源,标准光谱仪作溯源传递,秒级高精度自动跟踪转台作角度变换,获得漫透射板的BTDF。结果表明,该方法能获得准确的漫透射板BTDF,标定精度优于2.5%,满足星上定标器的在轨定标精度要求。仪器在轨测试阶段的星上定标系数与同类载荷交叉定标的偏差优于2%。
漫透射板 BTDF 外场定标 定标精度 极轨气象卫星 光学学报
2023, 43(24): 2412002
1 成都信息工程大学大气科学学院,四川 成都 610225
2 台州市气象局网络与装备保障中心,浙江 台州 318000
深度学习技术中的生成对抗网络(GAN)方法由于能够从输入的大量数据中抽取变量特征,生成更为真实的气象图像预测,在遥感领域有较为广泛的应用。但目前该算法在大气运动矢量(AMVs)的反演中应用较少,而AMVs是数值天气预报资料同化系统所需的重要产品资料。基于此,本文提出了利用生成对抗网络pix2pix从静止气象卫星图像反演AMVs的方法,由pix2pix模型将遥感影像转换为200 hPa和850 hPa的矢量风场。在最佳的资料和模型架构条件下,该方法反演得到的AMVs与传统算法所得产品资料质量相当,且克服了传统算法高度订正困难、无法获得某一层面完整风场和低层样本数偏低等缺点。个例分析亦表明,该方法针对具体的天气系统也有良好的表现。
大气光学 气象学 大气运动矢量 深度学习 生成对抗网络 激光与光电子学进展
2023, 60(17): 1701002
1 长春理工大学光电工程学院,吉林 长春 130022
2 吉林省光电测控仪器工程技术研究中心,吉林 长春 130022
3 光电测控与光信息传输技术教育部重点实验室,吉林 长春 130022
4 吉林大学仪器科学与电气工程学院,吉林 长春 130012
5 空军航空大学飞行训练基地第二训练团,吉林 长春 130022
针对目前标准散射体定标存在定标时间长、定标后通用性差、定标结果无法溯源到气象光学视程(MOR)定义等问题,提出了一种可溯源至MOR定义的标准散射体定标方法,确定了一种标准散射体多角度同步定标光学系统架构,优化设计了照明光学系统与光场测量光学系统。照明光学系统的均匀性为98.53%,发散角为1.48°;光场测量光学系统的散射角度测量范围为20°~50°,散射角度分辨率为1°,周视角度分辨率为2°。研究了一种基于先验光场分布的定标系统能量校准方法,利用标准朗伯散射体仿真定标系统的能量校准误差,其中散射角度为31°时周视平均相对误差最大,为2.28%。据此,基于理想2700 K色温白炽灯的光谱分布仿真验证了可溯源至MOR定义的标准散射体定标方法的定标精度。结果表明:标准朗伯散射体散射角度20°~50°所表征的MOR量值范围为6.54~45.74 m,符合世界气象组织对MOR的定义,最大绝对误差为-2.41 m,优于国际民航组织规定的前向散射仪测量精度要求的1/10,为可溯源至MOR定义的标准散射体定标提供理论基础和技术支持。
测量 气象光学视程 标准散射体 散射光场 定标精度 能量校准误差 中国激光
2023, 50(10): 1004003
1 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所大气物理化学研究室, 安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学, 安徽 合肥 230026
基于自主研发的气溶胶消光光谱仪, 在安徽省寿县观测站点进行了连续观测, 并对 2016 年 5 月至 12 月期间该地区的大气气溶胶光学特性开展了研究。结合不同大气因素分析了观测结果的时间序列变化及日变化规律, 对比了消光系数与 PM2.5 质量浓度、散射系数的相关性, 并探讨了风速风向对于寿县消光系数变化的影响。结果表明: 寿县地区大气消光系数时间序列变化与日变化特征明显, 且受到不同气象要素的影响。秋季和冬季的大气污染情况较为严重, 与其他季节相比, 污染天气的天数明显增多; 与清洁天气相比, 污染天气的消光系数和 PM2.5 质量浓度、散射系数显著增大。特别在冬季, 污染事件频繁。在 12 月份出现过重度污染天, 其 24 h PM2.5 平均浓度超过 150 μg·m-3, 且该月消光系数和 PM2.5 质量浓度、散射系数均达到观测期间月平均最大值。整个观测期间, 从日变化来看, 消光系数、PM2.5 质量浓度及散射系数均是白天波动较大, 午后出现最低值; 其中消光系数最大值出现于清晨 08:00 左右, 最小值则出现于下午 16:00 左右。此外, 消光光谱仪测得的气溶胶消光系数与 PM2.5 质量浓度和散射系数的相关系数分别为 0.91 和 0.83, 说明研制的消光光谱仪同其他仪器的测量结果具有很好的一致性。
气溶胶 消光系数 气象要素 aerosol PM2.5 PM2.5 extinction coefficient meteorological parameters 大气与环境光学学报
2022, 17(5): 533
曲阜师范大学地理与旅游学院, 山东 日照 276800
为探究环渤海三大城市群空气污染特征及其与气象要素关系的异同, 基于 2015-2019 年空气质量指数日报资料及同期气象要素资料, 利用空间自相关模型和皮尔逊相关系数对其相关性进行了分析。研究表明: (1)对于 PM2.5、PM10 和 O3 这三大被研究的首要污染物, 在冬季主要以 PM2.5、PM10 为主, 夏季以 O3 为主。除 O3 外其余污染物浓度呈现下降趋势。(2) 空气质量指数 (AQI) 呈现秋季最低、冬季最高的变化特点, 年际上空气质量在逐步改善。(3) AQI 存在明显的空间集聚现象, 总体上由沿海向内陆逐渐由空气质量优良区变为空气污染区。(4) AQI、PM2.5、PM10 和 O3 在不同季节与各气象要素的相关性不同, 且相关性强度呈非线性变化。
环渤海 空气污染指数 空间自相关 气象要素 Bohai rim air pollution index spatial autocorrelation meteorological factors 大气与环境光学学报
2022, 17(5): 506