红外卫星资料的云检测

摘 要：借鉴MC NALLY的红外资料云检测方法，结合具体实例和具体大气状态进行参数调整和步骤简化，将其应用于台风初始场时刻红外卫星资料的云检测中，并通过与实测的云量资料和实时卫星云图的对比来验证该方法的准确性。结果发现，将该云检测方法的效果较好，与实测云量资料对比时，云区和晴空区的分布比较对应；与实时卫星云图对比时，云顶较高和较低的区域也是较对应的。

关键词：云检测；红外；卫星云图；云量

引言

由于卫星遥感受云和降水的影响严重，模拟的云区辐射与实测辐射之间的差值往往较大[1]，在云区卫星资料的同化方面，目前是通过云检测方法判断卫星视场是否有云后直接去掉有云视场，只同化晴空资料。有研究指出[2]，解决红外辐射资料云污染的问题主要有以下几种方法：只选择晴空资料；将云污染影响取出；选择不受云污染的通道；发展能计算云对红外辐射率影响的辐射模式和它的伴随算子。王云峰等[3]在研究AIRS资料质量控制对飓风路径模拟的影响试验时指出目前常用的WRFDA同化系统中通过云水路径检测、长波窗口通道亮温检测、海表面温度（SST）检测和云覆盖面积指数来判断某视场是否存在云，从而进行剔除；朱文刚等[4]利用McNally和Watts提出的云检测方案，针对GRAPES-3Dvar系统和AIRS仪器特征，对AIRS各个视场通道进行云检测，剔除受云污染的通道。

文章在MC NALLY的红外资料云检测方法[17]基础上进行了一些修改，在保证精度的前提下做了一些步骤简化与参数调整，使之能够快速便捷的开展针对大范围卫星视场的云检测工作。

1 资料介绍

光栅式红外大气探测器AIRS（Atmospheric Infrared Sounder）搭载于美国地球观测系统（Earth Observation System，EOS）的第二颗Aqua卫星，每2.667秒横向扫描一次，49.5°的扫描角可覆盖地球表面1650km，称之为一条扫描线，每个景由135条扫描线组成，每条扫描线有90个观测视场，每个视场包含2378个光谱取样。AIRS星下点水平分辨率为13.5km，垂直分辨率为1km，能够提供从地面到40km高度的大气信息，第一次真正意义上实现了对大气、海洋环境的高光谱分辨率大气红外探测。

2 云检测方法介绍

如果以卫星观测的某一含云视场上方各通道的一组亮温值为真值，同时，以该视场的大气状态廓线为输入资料，利用CRTM模拟另一组晴空状态下的通道亮温。这两组亮温必然存在差别，而这种差别正是由视场中云的存在所导致的。正是基于这样的理论，MC NALLY最早提出了针对红外探测的云检测方案用于找出晴空通道，具体用流程图表示这种方法如图1。ilow表示对云最敏感的通道，其亮温值受云的影响最大；d表示一组实测亮温与模拟的晴空亮温的偏差矢量；dLP表示经过低通滤波处理之后的的偏差矢量；dLPi表示通道i的偏差矢量；Grad（dLPi）表示通道i处的偏差矢量的梯度值。

从对云最敏感的通道ilow=1开始，逐个判断通道i的偏差矢量dLPi和通道i处的偏差矢量的梯度值Grad（dLPi）与各自阈值dmax和Gradmax的大小，直到这两个值都小于各自阈值为止时，得出相应的通道编号i。该编号对应的通道即为临界通道，将该通道所处高度视为云顶高度，同时编号大于i的通道为云顶以上通道，编号小于i的通道为云顶以下通道。

3 云检测试验

结合台风实例，运用实时AIRS的卫星资料，开展了2组云检测试验，通过将实时卫星云图和观测的云量分布图与云检测出的云顶高度分布图的对比分析来检验云检测方法的可行性。要指出的是，所有视场最终得出的云顶高度均以长波CO2通道检测出的为准，但是在批量处理时发现，并不是每个视场都能检测得到一个云顶高度，即所有通道对应的亮温偏差和亮温偏差梯度都达不到标准，但这种视场占总视场的比例小于2%，对于下一步AIRS云区资料的同化影响不大，因此本论文中对于无法检测出云顶高度的视场采用临近视场的云顶高度值代替。

选取的2个实例分别是初始场时刻为2011年8月5号06时的台风“梅花”，初始场时刻为2011年8月28号06时的台风“南玛都”。将各初始场时刻的NCEP资料放入CRTM中模拟各视点的281个通道亮温值，结合AIRS卫星观测通道亮温判断出各视场的云顶高度，得出云顶高度分布。将云顶高度分布与实测的云量分布和卫星云图作比较，如图2所示。

图2（a1）（a2）中是AIRS卫星资料提供的对应时刻的云量分布，单位为百分比，图2（b1）（b2）中是利用上文阐述的云检测方法得到的云顶高度分布，单位为hPa，图2（c1）（c2）是对应时刻该区域的卫星云图。图2（b1）（b2）中，当检测出的通道高度位于1000hPa时该通道为地面通道，所以可以将接近1000hPa的云顶高度区域认为是晴空区，将云检测出的5组试验的云顶高度分布与图2（a1）（a2）和图2（c1）（c2）的观测资料对比发现均有较好的一致性。台风“梅花”（图2（a1）（b1）（c1））中心位于台湾东北方向，这一区域检测出的云顶高度较高，在100hPa左右，海南岛地区、北京以北、黄海和日本海检测出的晴空区与实际情况也是比较相符。台风“南玛都”（图2（a2）（b2）（c2））云图上位于台湾地区和日本以南的台风中心在云检测分布图上表现为对应地区存的云顶高度较高，位于华中地区和两个台风之前的晴空带在检测出的云顶高度分布上也是比较明显。

4 结束语

文章对MC NALLY的红外资料云检测方法进行步骤简化和参数修改，得到能够进行批量处理的快速云检测方法，将该方法用于快速检测大范围初始场中各AIRS视场的云顶高度，通过与实时云图和实测云量分布的对比分析来验证该云检测方法的可行性，将该云检测方法运用于卫星初始场实例发现，该云检测的效果较好，云区和晴空区的分布与实时卫星云图比较对应。

参考文献

[1]English S J. Issues in the assimilation of cloud and precipitation affected radiances and prospects for future instruments // Proceeding of ECMWF Seminar on Recent Developments in of Satellite Observations in Numerical Weather Prediction. ECMWF Publication，Reading UK，2007，59-74.

[2]皇群博.云水污染的卫星微波资料变分同化技术[D].国防科学技术大学，2011.

[3]王云峰，韩月琪，马刚，等. AIRS资料质量控制对飓风路径模拟的影响试验[J].气象科学，2014，4：383-389.

[4]朱文刚，李刚，张华，等.高光谱大气红外探测器AIRS资料云检测及晴空通道应用技术初步研究[J].气象，2013，5：633-644.