探秘中国风云四号卫星黑科技

气象学家

发布于 2020-08-24 14:32:19

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发布于 2020-08-24 14:32:19

“打雷要下雨，什么？” “下雨要打伞，这我也知道！” “为什么会打雷下雨，为什么？” “不知道的奥秘万万千千！”——海尔兄弟 “三分钟看看风云四号卫星黑科技～”

降水云的垂直发展指示着水汽、云滴和雨滴的运动、转化和相变过程，是认知云内物理过程和提升降水预测水平的一把金钥匙。20世纪90年代以来，卫星搭载的主动和被动仪器性能取得了长足的进步，在云和降水观测的作用凸显。今天咱们就来聊聊，风云四号卫星在其中的作用。

星载主动雷达观测

很多人往往一看到垂直结构就会下意识想到雷达的观测。气象雷达自身发射电磁波，利用目标物对雷达波的反射来确定云和降水的位置和特性。例如，热带测雨卫星和全球降水测量卫星都携带有测雨雷达，可以有效获得降水的垂直结构和降水性质（图1）。

图1 星载测雨雷达对青藏高原降水垂直结构观测个例(Chen et al., 2020a)

然而，星载测雨雷达的弱势也非常明显。受现有技术的制约，它们均搭载于低轨卫星，相对地球不断运动，无法对云和降水进行连续观测。

这对于强天气的实时监测还真是远不够用的。

风云四号卫星揭示云垂直发展

微信的启动背景图正是风云四号拍摄的气象云图。实际上，风云四号搭载的多通道扫描成像辐射计可以从14个通道对地球实时连续观测。用好这些通道以定量揭示云和降水特征，是挑战也是机遇。

其挑战在于，这些通道就像人眼一样，通常只能获得云顶表层信息，难以直接表征云内的情况。其机遇在于，热红外通道可以近似代表云顶温度，而可见光和近红外通道可近似用于反演云的性质（包括粒子大小和光学厚度等）。

假设同一片云的云顶粒子大小与同高度云体内部粒子大小相同，这一问题就迎刃而解了。本团队开发了最大亮温梯度方法以识别出云团，通过联立云团内云顶温度和云粒子大小，得到了该云团垂直发展廓线（图2）。该方法建立了统一标准，增加了廓线的可信度，又方便于进行不同廓线的比较。

图2 热红外亮温、云团识别结果、反演的云粒子大小和垂直廓线(Chen et al., 2020b)

多仪器融合揭示降水云垂直发展全景

单一仪器提供的信息量有限，多仪器融合才能扬长避短、物尽其用。

2020年2月15日，受冷锋过境影响，武汉地区经历了一次雨转雪过程。图3展示了星载测雨雷达反射率的等频率高度图（CFAD）和利用风云四号反演的云参数垂直廓线。从云参数垂直廓线中可清晰看到云粒子由下至上从纯水相（点1以下）向纯冰相（点0以上）变大的过程，而CFAD图则可以看到降水由上至下的增强过程。云参数垂直廓线更多地反映了点1高度以上的信息，而星载测雨雷达则能更好表征点1高度以下的信息。

图3 (a)降水和(b)降雪像素的CFAD；(c)研究区域的云参数垂直廓线(Chen et al., 2020c)

联合主动和被动仪器，就可得到降水云内微物理过程的全景，而廓线的拐点指示着主导微物理过程的变化（图4）。

图4 云和降水垂直发展与实际观测相对应的概念模型(Chen et al., 2020c)

相关成果于2020年发表于《Journal of Geophysical Research: Atmospheres》，《Atmospheric Chemistry and Physics》和《Geophysical Research Letters》。第一作者为陈逸伦博士，毕业于中国科大少年班，师从傅云飞教授，目前在中山大学黎伟标教授指导下进行博士后研究。通讯作者分别为傅云飞教授和张奡祺博士。

参考文献 >