衛(wèi)星氣象學(xué)課件：衛(wèi)星資料估計(jì)降水

1、第九章 由衛(wèi)星資料定量估算氣象參數(shù),第一節(jié) 衛(wèi)星資料估算降水,第一節(jié) 衛(wèi)星資料估算降水,一、降水因子分析 二、云指數(shù)降水估計(jì) 三、云生命史方法 四、利用半小時(shí)的增強(qiáng)紅外云圖對(duì)流性降水的估計(jì)方法,測(cè)量降水的方法： 地面雨量計(jì)直接測(cè)量降水、較高的準(zhǔn)確度、代表性較差 雷達(dá)間接測(cè)量降水、較高時(shí)空分辨率、覆蓋面積有限、目前最有效 衛(wèi)星利用靜止衛(wèi)星云圖估算降水、高的時(shí)間和空間分辨率、估計(jì)準(zhǔn)確度有限 目前利用衛(wèi)星資料估計(jì)降水主要分兩類： 1.建立在云的分類基礎(chǔ)上的云指數(shù)法 2.利用靜止衛(wèi)星連續(xù)觀測(cè)云系變化的生命史法,一、降水因子分析,1.云厚與降水量間的關(guān)系 一般而言，云越厚，所含的液態(tài)水就越多，產(chǎn)生的降水

2、量也越大 例子P399圖9.1 2.云厚與云的反照率 可見光云圖上云越厚反照率越大 例子P400圖9.2 3.云與雷達(dá)回波 云層越厚，出現(xiàn)雷達(dá)降水回波的百分率越高； 陸地島嶼上云與降水回波的關(guān)系，與海上云層相比，同樣厚度的云層，由于受地形的影響，出現(xiàn)降水回波的百分?jǐn)?shù)明顯減小而且更加可變。圖9.3,一、降水因子分析,4.不同的天氣系統(tǒng)下的不同可見光和紅外亮度等級(jí)出現(xiàn)的降水概率 P401圖9.4 溫度越低，反照率越大，降水概率越大 對(duì)于不同的天氣系統(tǒng)，降水像點(diǎn)數(shù)在可見光和紅外雙譜段上的表現(xiàn)也明顯不同。,二、云指數(shù)降水估計(jì),1.原理和方法 原理：先從云圖上識(shí)別云的類型然后對(duì)每一 類云給予一降水強(qiáng)度

3、方法：（1）降水量 （2）降水指數(shù),二、云指數(shù)降水估計(jì),（3）降水量R=fA,i(h) 具體操作五步： 把所要估計(jì)的降水區(qū)按經(jīng)緯度分成若干區(qū)； 識(shí)別區(qū)域內(nèi)云的類型； 選取有實(shí)測(cè)記錄的降水區(qū)，與衛(wèi)星云圖上相應(yīng)的云類作分析，求出每一種類型云發(fā)生的降水概率； 把每個(gè)估計(jì)區(qū)內(nèi)的各種云的降水概率化為降水系數(shù)； 由氣候資料求出降水系數(shù)和給定時(shí)間內(nèi)的回歸方程和回歸系數(shù)。,二、云指數(shù)降水估計(jì),2.日降水量估計(jì),二、云指數(shù)降水估計(jì),3.月降水的估計(jì),該方法有一定的局限性： 在估計(jì)對(duì)流性降水中，當(dāng)方法不能區(qū)分重要降水元時(shí)，誤差很大。 方法對(duì)某種云類始終用固定的雨強(qiáng)和降水概率，實(shí)際情況遠(yuǎn)非如此。 實(shí)際降水是有條件的

4、，該方法沒有考慮。,二、云指數(shù)降水估計(jì),3.月降水的估計(jì) 該方法的改進(jìn)： （1）對(duì)估計(jì)區(qū)作一些單點(diǎn)估計(jì)，以此判斷整個(gè)估計(jì)區(qū)的降水分布 （2）增加某些云的權(quán)重，以修正變化較大的暴雨降水； （3）在估計(jì)暴雨降水時(shí)，可使用一些特殊方法，以增加方法的靈活性，主要有： 使用 的值加大降水估算，其中 是單點(diǎn)平均暴雨降水量， 是暴雨點(diǎn)周圍區(qū)域降水； 表示較寬區(qū)域內(nèi)月平均云量 的函數(shù)； 使用暴雨點(diǎn)的平均云量,二、云指數(shù)降水估計(jì),4.云指數(shù)估計(jì)熱帶海洋地區(qū)的降水 （1）Kilonsky Ramage方法 (2)Arkin 方法,二、云指數(shù)降水估計(jì),5.Follansbee(1973)方法估計(jì)中高緯度地區(qū)冬半年降

5、水 （1）方法概述 由氣候資料確定I； 使用間隔12小時(shí)的云圖，勾畫出降水區(qū)，然后用云移動(dòng)模式定出降水持續(xù)時(shí)間D； 根據(jù)1、2定出的I,D值，制作降水分布圖。 （2）由氣候資料確定降水強(qiáng)度I,二、云指數(shù)降水估計(jì),5.Follansbee(1973)方法估計(jì)中高緯度地區(qū)冬半年降水 （3）由云移動(dòng)模式確定降水時(shí)間D（P406） 中速移動(dòng)矩形云區(qū)的持續(xù)時(shí)間： 快速移動(dòng)的矩形云區(qū) 慢速移動(dòng)矩形云區(qū) 圓形云區(qū)的降水持續(xù)時(shí)間的確定 鋒面云系的降水持續(xù)時(shí)間的確定,二、云指數(shù)降水估計(jì),4.方法的改進(jìn) （1）方法的改進(jìn),（9.15）,二、云指數(shù)降水估計(jì),4.方法的改進(jìn) （2）操作步驟 使用時(shí)間序列云圖將降水云與

6、非降水云區(qū)分開，勾畫出降水區(qū)； 求出降水云區(qū)的計(jì)算值，與地面測(cè)云報(bào)告，定出云的厚度因子H； 利用云移動(dòng)模式，確定出降水持續(xù)時(shí)間 求出地形因子Q，云類因子C，和與云發(fā)展有關(guān)的降水量 由（9.15）式計(jì)算降水量R。,三、云生命史方法,1.降水指數(shù) 2.根據(jù)云的高度（亮度）面積閾值估計(jì)降水 Doneaud等導(dǎo)得的體積降水強(qiáng)度 Atlas等,三、云生命史方法,2.根據(jù)云的高度（亮度）面積閾值估計(jì)降水 根據(jù)云的亮度和范圍可以估計(jì)云的降水量，分三步： 選取有測(cè)雨雷達(dá)和地面降水觀測(cè)資料稠密的區(qū)域作為該方法的試驗(yàn)區(qū)； 由同時(shí)刻或相近時(shí)刻的衛(wèi)星和雷達(dá)資料，建立衛(wèi)星云圖上的亮度和面積與雷達(dá)回波的關(guān)系； 根據(jù)雷達(dá)估

7、計(jì)降水的，估計(jì)相應(yīng)在衛(wèi)星云圖上云的亮度和面積所產(chǎn)生的降水。,三、云生命史方法,由以上依據(jù)介紹的幾種估計(jì)方法： 2.GRIFFITH-woodley的云生命史方法 3、由云面積及其時(shí)間變率估計(jì)降水 4、云面積時(shí)間積分方法 5雙光譜統(tǒng)計(jì)識(shí)別法估計(jì)降水 6、對(duì)流-層狀云方法,三、云生命史方法,2、GW云生命史方法： 建立回波與云面積間的關(guān)系，從而估計(jì)降水。它用于估計(jì)熱帶和中緯度地區(qū)大范圍的降水 首先，建立體積降水率Rv和云區(qū)發(fā)展的最大面積Ae的關(guān)系： 看書P410 的圖9.12分析,三、云生命史方法,3、由云面積及其時(shí)間變率估計(jì)降水 1）方法依據(jù)：研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)于孤立的雷暴云，其云面積的增長相對(duì)于降水

8、增長有明顯的滯后。 2）估計(jì)方程： 方程使得在云增長階段時(shí)的降水比減弱階段降水要大。符合實(shí)際情況。,3）回歸系數(shù)a0、a1的確定： 先采用閥值法確定云面積Ac，然后將衛(wèi)星云圖云面積與雷達(dá)估計(jì)的降水率進(jìn)行回歸分析，從而確定a0、a1 4）估計(jì)步驟：取時(shí)間間隔較短的一系列靜止衛(wèi)星云圖 從云圖上識(shí)別積雨云根據(jù)選定的閥值，確定積雨云的面積和位置 根據(jù)雷達(dá)測(cè)量關(guān)系式取降水率，用最小二乘法求系數(shù)a0、a1 求單個(gè)積雨云的降雨量，然后累加求得區(qū)域降雨量分布。 5）方法討論：由書P412公式可知，實(shí)際面積變化項(xiàng)可當(dāng)成對(duì)降水云面積的補(bǔ)充。,三、云生命史方法,三、云生命史方法,4、云面積時(shí)間積分方法： 在對(duì)流性降

9、水的研究中發(fā)現(xiàn)，對(duì)流云生命期間的體積降水率正比于云區(qū)面積-時(shí)間積分： 對(duì)流降水對(duì)降水結(jié)構(gòu)很敏感，僅降水面積是主要的，這也是生命史方法成功的原因。,三、云生命史方法,5、雙光譜統(tǒng)計(jì)判別法估算降水： 可見光資料提供了云的厚度、形狀和成分，紅外資料提供云的溫度和云頂高度的信息，利用兩種資料來估算降水。 1）早期的雙光譜法： P為歸一化的降水百分?jǐn)?shù)，E是季節(jié)平均紅外輻射率，A是季節(jié)平均可見光的反照率，該方法將強(qiáng)降水與弱降水區(qū)分開來,2）雙光譜統(tǒng)計(jì)判別法估算降水： 對(duì)降水估計(jì)，在二維空間里，把目標(biāo)分成有雨（R）和無雨(N)兩類，賦予四個(gè)變量（P413），則一般的損失函數(shù)為： f =(lRRN+lNNR

10、)/(N+R) l為權(quán)重因子，取1則化為誤差部分；取lR=(N+R)/R, LN=（N+R）/N，則損失函數(shù)為 F1=RN/R+NR/N,求出相對(duì)于f的最小函數(shù)g，定義它為降水區(qū)和無降水區(qū)之間的最優(yōu)邊界。 此種方法可將降水區(qū)與非降水區(qū)區(qū)分開來。,三、云生命史方法,3）雙光譜集群法估算降水 修改了前者的方法，采用與云分類相似的集群方法，通過對(duì)像點(diǎn)集群構(gòu)劃降水區(qū)。這方法對(duì)對(duì)流性降水比非對(duì)流性降水效果要好。,三、云生命史方法,5、對(duì)流-層狀云方法： 扼要敘述為：使用探測(cè)資料輸入分析紅外資料，確定溫度最低的位置，篩選消去非降水云給對(duì)流單體賦予降水值，使用模式由云頂溫度確定降水強(qiáng)度和降水面積。對(duì)比層狀云

11、閾值冷的每一個(gè)點(diǎn)，不是對(duì)流性降水，賦給每小時(shí)2mm的降水值。,三、云生命史方法,1、方法依據(jù)： 1）在可見光云圖上色調(diào)亮的云比暗的云產(chǎn)生較大的降水 2）可見光云圖上明亮、紅外云圖上冷的增大著的對(duì)流云區(qū)比不增大的產(chǎn)生較大的降水 3）減弱消亡的對(duì)流云產(chǎn)生小降水的或者沒有降水 4）在紅外云圖上冷的對(duì)流云比暖的對(duì)流云產(chǎn)生較大的降水，云頂溫度由冷變暖的云產(chǎn)生小的降水或者沒有降水。 5）當(dāng)發(fā)生積雨云合并時(shí)，產(chǎn)生較大的降水 6）當(dāng)有風(fēng)垂直切變時(shí)，降水中心發(fā)生于積雨云上風(fēng)部分、云頂最高和最冷的地方。,四、利用半小時(shí)的增強(qiáng)紅外云圖對(duì)流性降水的估計(jì)方法,降水估算方程： 半小時(shí)降水估計(jì)=云頂溫度因子+云區(qū)增長因子+

12、穿越云頂因子+云區(qū)合并因子 2、估計(jì)步驟： 看閱書本P415 步驟圖解,四、利用半小時(shí)的增強(qiáng)紅外云圖對(duì)流性降水的估計(jì)方法,3、對(duì)流性半小時(shí)面降水量估計(jì)： 對(duì)半小時(shí)面降水估計(jì)分成四步： 1）區(qū)分并劃出活躍的對(duì)流強(qiáng)降水區(qū)和小雨或無雨區(qū)的等雨量線 2）勾畫強(qiáng)降水區(qū)，并計(jì)算降水量。強(qiáng)降水在云圖上表現(xiàn)為：冷云頂、水平方向快速擴(kuò)張的云頂、垂直方向迅速上升的云頂、云團(tuán)合并和云線合并，由剛才的第四步和第五步求得降水后，繪制等雨量線。 3）在1.27mmh-1 等值線內(nèi)增加一條1.27mmh-1 等雨量線，表示強(qiáng)降水 4）校正對(duì)流風(fēng)暴的地理位置,四、利用半小時(shí)的增強(qiáng)紅外云圖對(duì)流性降水的估計(jì)方法,4、修正的SO方

13、法: 對(duì)以下三種情況作訂正：在水汽飽和的環(huán)境中發(fā)展起來，且靜止少動(dòng)，形成2h以上的云團(tuán)有高空強(qiáng)輻散在干燥環(huán)境中發(fā)展起來的或云底高度較高的云團(tuán)。修正后方程為： 半小時(shí)對(duì)流降水估計(jì)=云頂溫度及云區(qū)擴(kuò)展因子（或高空輻散因子）+穿越云頂因子+云團(tuán)合并因子+云團(tuán)合并因子+飽和環(huán)境保護(hù)因子地面到500hpa可降水/15 其中各因子的計(jì)算方法，參閱書本p417頁。,四、利用半小時(shí)的增強(qiáng)紅外云圖對(duì)流性降水的估計(jì)方法,5、暖云頂降水的估計(jì)： 若出現(xiàn)一些云頂不高、降水強(qiáng)度大 的積雨云，其云頂溫度一般大于-62C,稱之為暖云頂。一般出現(xiàn)在： 極鋒急流南側(cè)的熱帶氣團(tuán)內(nèi)對(duì)流層低層是弱的氣旋性或靜風(fēng)，高空是反氣旋的地方穩(wěn)

14、定性氣團(tuán)內(nèi)，云頂增長不很高具有合并和迅速擴(kuò)展的卷云氈的飽和環(huán)境內(nèi)的云團(tuán)。 對(duì)暖云頂?shù)奶卦\，要采用一定的修正方法： 看閱書本p418頁，5點(diǎn)修正方法。,四、利用半小時(shí)的增強(qiáng)紅外云圖對(duì)流性降水的估計(jì)方法,5、對(duì)流性降水的趨勢(shì)和預(yù)報(bào)規(guī)則 1）判別對(duì)流云發(fā)展加強(qiáng)的依據(jù) 如果前一小時(shí)降水的估計(jì)值有增加的趨勢(shì) 如果最冷云頂?shù)囊扑贉p慢或者停止 如果發(fā)生兩單體合并、或云線相互合并、或云團(tuán)合并或與團(tuán)與低空輻合線或海風(fēng)鋒合并 如果底層暖濕輸送帶的方向越來越垂直于冷云頂運(yùn)動(dòng)的方向，將有利于地面水氣輻合。 由每小時(shí)的地面資料或者衛(wèi)星探空表明，低空的流入使露點(diǎn)增大和降水量增加，或不穩(wěn)定度加大 如果系統(tǒng)處于發(fā)展階段，尚未達(dá)到平均最大持續(xù)期。,四、利用