FY-3气象卫星微波水汽三维可视化及其在强天气监测中的应用
高大伟1, 樊高峰1, 胡永亮2, 张小伟1, 何月1, 郁珍艳1
1.浙江省气候中心,杭州 310017
2.浙江省气象信息网络中心,杭州 310017

第一作者简介: 高大伟(1982-),男,工程师,主要从事气象卫星遥感开发和应用方面的研究。Email:davidgao82@163.com

摘要

基于风云三号(FY-3)气象卫星上的可见光红外扫描辐射计(visible and infrared radiometer,VIRR)和微波湿度计(microwave humidity sounder,MWHS)数据,通过IDL语言开发设计了“FY-3微波水汽三维显示软件”。该软件可根据白天或夜晚监测时次的不同,自动生成由VIRR的3个通道(B6,B2,B1)合成且叠加4个高度(地表、850 hPa,500 hPa和300 hPa)的微波水汽分布图(白天)或由VIRR热红外通道(B5)的云顶亮温图叠加微波水汽分布图(夜晚)。在热带气旋和梅雨监测预警中的应用表明: 微波水汽三维可视化的结果综合了FY-3可见光红外数据在空间分辨率上和微波湿度数据在不同大气高度层垂直探测能力上各自的优势,其表达形式简洁、直观。该方法可以作为强天气监测预警的有效补充手段,具有一定的推广应用价值。

关键词: 风云三号(FY-3); 可见光红外扫描辐射计(VIRR); 微波湿度计(MWHS); IDL; 三维可视
中图分类号:TP79 文献标志码:A 文章编号:1001-070X(2014)01-0139-05 doi: 10.6046/gtzyyg.2014.01.24
3D visualization of humidity distribution from FY-3 MWHS and its application to severe weather monitoring
GAO Dawei1, FAN Gaofeng1, HU Yongliang2, ZHANG Xiaowei1, HE Yue1, YU Zhenyan1
1. Zhejiang Climate Center, Hangzhou 310017, China
2. Zhejiang Meteorlogocal Information Network Center, Hangzhou 310017, China
Abstract

Using IDL and based on the VIRR and MWHS instruments on the FY-3 satellite, the authors developed a software called “FY-3 microwave humidity 3D visualization display”. According to different monitoring periods, the software can automatically generate a series of pictures composed by VIRR B6,B2,B1 and microwave humidity distribution at 4 different altitudes (ground, 850 hPa, 500 hPa and 300 hPa) from MWHS (day), or can generate a series of pictures from black body temperture(TBB) of VIRR B5 and microwave humidity distribution at 4 different altitudes from MWHS (night). The utilization of this software in tropical cyclone ‘SOALA’ and rainfall monitoring shows that the 3D visualization, which combines and strengthens the advantages from VIRR and MWHS data on FY-3, is simple and easy to understand. The software can be a useful means in monitoring and warning of severe weathers such as tropical cyclone and rainfall.

Keyword: FY-3; visible and infrared radiometer(VIRR); micro ware humidity sounder(MWHS); IDL; 3D visualization
0 引言

风云三号(FY-3)系列气象卫星作为我国第二代极轨气象卫星, 其第一批试验星FY-3A和FY-3B已分别于2008年5月和2010年11月发射成功, 目前已经形成上、下午星的组网观测能力[1]。相比FY-1系列气象卫星, FY-3在探测能力和应用领域都有了质的飞跃, 主要表现在: 卫星共携带11台载荷, 探测谱段包括紫外、可见光、红外和微波, 实现了全球、全天候和全天时对地球大气、海洋和陆地环境的综合遥感探测; 增加了红外大气垂直探测和微波辐射探测能力, 实现了对大气温度、湿度等物理参数的三维探测; 光学成像探测的空间分辨率从FY-1的1.1 km提高到250 m, 地面应用系统增加了极地接收能力, 大大提高了全球资料获取时效[2, 3]。而如何综合利用好FY-3气象卫星中这些由我国自主研发的新型载荷所获取的微波观测数据, 使其在天气、气候和环境等领域发挥最大的功效, 是当前摆在每位气象卫星工作者面前亟待思考的问题。

浙江省境内的气象灾害种类较多, 且出现频率高、影响范围广、危害程度重, 是我国气象灾害最严重的省份之一。在浙江省的主要气象灾害中, 排名前2位的分别是热带气旋和暴雨(雪)。本研究将FY-3气象卫星上的可见光红外扫描辐射计(visible and infrared radiometer, VIRR)和微波湿度计(microwave humidity sounder, MWHS)数据相结合, 构建一个多尺度、立体、准全天候的卫星遥感强天气监测预警平台, 服务于浙江省梅汛期和台风季, 为气象预报分析人员提供更多科学依据。

1 FY-3微波水汽三维显示软件设计与主要功能
1.1 数据来源和介绍

目前, 各个省(直辖市)气象局业务上使用的FY-3气象卫星数据主要是通过中国气象局卫星数据广播(CMAcast)系统下发到省气象局信息网络中心服务器上的数据, 主要包括FY-3A星的中分辨率光谱成像仪(medium resolution spectral imager, MERSI)、可见光红外扫描辐射计(VIRR)、微波湿度计(MWHS)和微波温度计(microwave temperature saunder, MWTS)4个载荷的L1B数据, 数据格式统一为HDF5[4]。其中, MERSI数据量较大, 传送速度相对较慢。而强天气监测对数据时效要求很高, 综合考虑到数据处理的时效和稳定性, 本研究开发的“ 微波水汽三维显示软件” 系统以FY-3A的VIRR和MWHS数据为主要数据来源。

VIRR作为FY-3卫星上携带的2台光学成像类仪器之一, 其功能类似于美国NOAA卫星系列的AVHRR, 是唯一从FY-1系列继承的仪器, 用以确保气象卫星升级换代过程中观测资料的业务连续性。VIRR有10个光谱通道, 星下点空间分辨率是1.1 km, 刈幅为2 800 km, 可以每日昼夜实现无缝隙覆盖全球观测各一次, 主要用于获取地表、海表和云表的信息[5]

MWHS拥有5个探测通道(表1), 分别位于大气窗区150 GHz的水平极化(H)、垂直极化(V)2个通道和位于水汽吸收带的(183.31± 1)GHz, (183.31± 3)GHz和(183.31± 7)GHz 3个通道。位于大气窗区的2个极化通道主要用于测量云中液态水含量、降雨和积分水汽含量等信息[6]; 在183.31 GHz水汽吸收线附近设置的3个通道对大气不同高度层水汽分布特征有不同响应, 位于水汽吸收带中心的通道能探测大气上层约300 hPa 的水汽分布信息, 逐渐远离吸收带中心移向翼区的通道, 穿透能力逐渐加大, 可以探测大气中层500 hPa和底层850 hPa的水汽分布信息[3]。此外, MWHS配合红外分光计(IRAS)还可以获取有云情况下的大气湿度廓线信息[5]

表1 MWHS通道技术参数[3, 7] Tab.1 Channel characteristics of FY-3A MWHS[3, 7]
1.2 数据拷贝和预处理

FY-3微波水汽三维显示系统主要利用IDL语言设计开发[8]。其主界面主要包括顶部的菜单栏、左侧的视图区和右侧的数据交互设置区(图1)。

图1 FY-3 微波水汽三维显示系统主界面Fig.1 Main interface of FY-3 microwave humidity software

顶部菜单栏的基本功能如下:

1)通过点击按钮和调用相关程序, 实现从省网络中心服务器中获取浙江省及周边区域FY-3A气象卫星L1B数据并进行本地备份的功能, 而后台程序是通过PYTHON及其HDF5库编程实现的。

2)该软件利用IDL并结合ENVI二次开发函数接口, 同时参考中国气象局国家卫星气象中心公布的FY-3A定标信息参数[9], 实现了包括FY-3A MERSI 250 m/1 km, VIRR和MWHS在内的L1B数据的快速定标和投影, 形成统一格式(LDF)的卫星影像数据库, 为后续进行FY-3微波三维可视化提供准确及时的遥感数据(图2)。

图2 FY-3/VIRR数据预处理模块界面Fig.2 FY-3/VIRR data pre-processing model interface

1.3 FY-3微波水汽三维可视化的实现

利用本软件预处理后的FY-3 VIRR和MWHS的LDF局地文件, 结合IDL的对象图形法(object graphics), 最终将VIRR的可见光成像云图和MWHS窗区, 850 hPa, 500 hPa和300 hPa的水汽分布信息在同一图像中以不同高度叠加并展现出来。在具体的三维显示实现过程中, 不同数据源在三维地理坐标中的设置、转化和统一是实现FY-3微波水汽三维可视化的关键点。

图1系统主界面的右侧, 通过选择投影后的FY-3 VIRR数据, 并通过确定影像拍摄时间是白天或者夜晚后, 点击“ 生成缩略图” 按钮, 在主界面左侧的视图区, 即可显示B6, B2, B1三通道合成的云图(白天)或者B5红外亮温云图(夜晚)。此外, 通过菜单栏中的“ 显示” 模块下的相应功能菜单, 可以对视图区中的图像进行拉伸增强显示; 然后, 通过交互选择确定MWHS对应文件、所叠加的GIS矢量数据(shapefile格式)以及确定MWHS的5个通道亮温中的最大和最小亮温值, 点击“ 确定” 便可自动生成FY-3微波水汽三维可视化图像和gif动画文件。

2 在强天气监测预警中的应用
2.1 在热带气旋监测分析中的应用

2012年第9号热带风暴“ 苏拉” 于7月28日8时(北京时)在菲律宾马尼拉以东的西北太平洋洋面上生成, 7月29日14时发展为强热带风暴, 7月30日14时发展为台风, 8月1日22时在台湾东部近海发展为强台风, 8月2日3时15分在台湾省花莲市秀林乡沿海登陆, 登陆时中心附近最大风力达14级(42 m/s), 中心最低气压950 hPa。“ 苏拉” 水汽较充足, 台湾省宜兰县最大过程降雨量为1 786 mm, 福建省受其影响出现大范围的暴雨和大暴雨天气, 浙江省大部分地区也出现大到暴雨, 局部大暴雨天气。

图3显示的是运用“ FY-3微波水汽三维显示软件” 制作生成的2012年8月1日10时的“ 苏拉” 可见光云图及叠加不同高度的微波水汽信息后的三维显示结果。

图3 FY-3A微波湿度计3D监测热带气旋“ 苏拉” (2012-08-01T10:06)Fig.3 FY-3A MWHS 3D monitoring tropical cyclone “ SAOLA” (2012-08-01T10:06)

图3(a)上, “ 苏拉” 的中心眼区清晰可见, 围绕眼区的是密实的螺旋云带, 向外是呈辐散状的台风外围云系。在图3(a)上叠加了微波湿度计水汽分布图显示(图3(b)(c)(d)), 位于地表和近地面的微波水汽分布已经出现明显的空心环区, 台风眼区晴空少云, 眼区周围的水汽分布整体呈数字“ 9” 型, 与可见光云图中的螺旋云带落区一致。强降水落区(微波亮温低值区)主要分布在台风中心的东北侧和南侧, 且南侧降水较东北侧更强。受台风外围云系尾部与西南季风结合影响, 位于“ 苏拉” 的南部强降水区的西南侧水汽充足, 明显可见2个不连续分布的强降水区(图上呈深蓝色)。随着高度的增加, “ 苏拉” 区域的微波亮温也逐渐升高, 但是在500 hPa高度(图3(c)), 依旧可以看到完整的密闭降水区环状结构, 说明“ 苏拉” 螺旋云带内部的气流在垂直方向上对流运动旺盛, 该云区易出现台风暴雨和大风天气。

2.2 在梅雨监测分析中的应用

2011年6月3日以后, 浙江省发生旱涝急转, 浙北和浙中暴雨不断, 至6月20日连续出现4次强降水过程, 17 d内出现16个暴雨日, 呈现“ 雨势强劲、袭击面广、落去重叠、持续时间长及总雨量大” 的特点, 浙江全省平均降水量达332 mm, 暴雨强度为50 a来之最, 造成钱塘江流域、太湖流域的东苕溪及杭嘉湖平原等地发生流域性洪水, 洪涝灾害严重, 全省10个市和57个县(市、区)受灾, 直接经济损失达108亿元。

图4显示的是运用“ FY-3微波水汽三维显示软件” 制作生成的2011年6月14日21时梅雨期降水的可见光云图及其叠加不同高度的微波水汽信息后的三维显示结果。

图4 FY-3A 微波湿度计3D监测强降水 (2011-06-14T21:32)Fig.4 FY-3A MWHS 3D monitoring rainfall (2011-06-14T21:32)

图4(a)反映的是FY-3A VIRR热红外分裂窗通道(第5通道)云顶亮温在反向增强后的信息。从中可以清楚地看出位于赣北和浙西的2个发展旺盛的对流云团(在图中呈亮白色), 在其周围还可见许多中小尺度对流系统。从叠加了微波水汽分布图(图4(b)(c)(d))上可见: 整个梅雨降水带呈典型的西南-东北走向且连续分布, 降水最强的区域位于赣北和皖南交界处(图上呈绿色或蓝色), 浙西也有一个较明显的微波亮温相对低值区, 与可见光云图中的对流云团位置一致。随着高度的增加, 微波亮温逐渐升高, 但直至500 hPa降水雨带依稀可见, 在300 hPa高度的图中(图4(d)), 2处的微波亮温仍维持在200 K左右。说明对流云区的云顶伸展到很高的高度上, 云顶温度低, 其内部气流在垂直方向上的对流运动旺盛, 这是孕育强降水最剧烈的区域。

3 结论

本研究利用搭载在国内自主研发的新一代极轨气象卫星FY-3A上的可见光红外扫描辐射计(VIRR)和微波湿度计(MWHS)数据, 借助ENVI/IDL设计了微波水汽三维显示系统。在该系统界面功能中, 集成了对FY-3 L1B数据的定标和投影等预处理功能, 利用其生成的LDF局地文件, 并根据白天或夜晚监测时次的不同, 自动生成VIRR的B6, B2, B1三通道合成云图(白天), 以及叠加4个高度(地表、850 hPa, 500 hPa和300 hPa)的微波水汽分布图, 显示了VIRR热红外通道的云顶亮温叠加微波水汽分布状况(夜晚)。该系统和FY-3A数据应用于浙江省的梅雨和台风监测预警的结果表明:

1) 将FY-3A的可见光云图和不同高度的微波水汽分布图以三维形式呈现, 充分体现了FY-3A卫星上不同载荷综合监测的优势。既利用了VIRR可见光数据在空间分辨率(1.1 km)方面的优点, 也突出了微波湿度计(MWHS)在不同大气高度层垂直探测的能力, 二者取长补短, 互为补充。这种形式可以较好地用于热带气旋、暴雨及强对流等天气系统精细化结构的分析, 并可作为常规监测手段的有效补充, 对促进国产气象卫星数据的应用与推广具有积极作用。

2)“ FY-3微波水汽三维显示系统” 完全利用IDL语言进行开发, 既可以作为独立的软件系统, 也可以方便地嵌入到ENVI等通用遥感商业软件中进行定制; 其次, IDL语言是跨平台的, 源程序在Windows, Linux或者Mac系统的机器上都可以运行, 且维护简单; 该软件所需要的数据格式统一, 结果表达简单、直观, 具有在全国范围内推广应用的潜力和价值。

3)利用“ FY-3微波水汽三维显示系统” 主要显示的是微波观测的亮温, 通过亮温的高低可以半定量地判断出系统降水的中心区域, 可以较好地利用FY-3卫星数据进行临近降水落区及强降水中心的预报预警, 但还不能很好地依据FY-3卫星数据反演这些区域的短时可降水量或者冰水厚度等更为具体实际的物理量。

临近降水预报预警是一个极具挑战的研究工作, 除了需要用到气象卫星数据, 还需要风场、地形和大气环流等综合影响因素的观测数据, 需要精细和复杂的算法和模型支撑。这是今后需要进一步开展研究的方向和重点。

The authors have declared that no competing interests exist.

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