卫星测风及其应用(1)

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1、卫 星测风 及其应用全球的赤道上空,目前有五颗同步气 象卫星在工作,其中一颗是日本于1977年7月发射的,位于140“E(命名为“葵花号”,即GMS),观测范围为90“E17 0”W、50ON49“s。GMs的各种观测资料在我国已得到广泛应用,其中由卫星导得的风矢资料早已应用在我们 的85 0mb和2 0Omb热带天气图的流线分析中,使广大 海洋空白地 带的资料状况得到了极大的改善。了解这种卫星风矢的特性,是正确使用这些资料所必须的。本文主要对日本的卫星风矢资料的测定方法、精度以及误差因素等作 一些介绍。1.卫星风 矢的计测方法1.1.卫星风矢计测方法的分类简单说来,卫星风矢资料是通 过卫星

2、追踪云体的移动而推 导得来的。目前美国、欧洲和日本对于 风场计算的处理方式,大体分为以下三类:(1 )计算机全自动法;(2 ) 以人工 和计算机对话方式选择追踪目标云的人机 对话法,(3)用云的传真图象进行投影追踪的 影片法。参见表1。表1卫星风矢的计测方法分类_硫_一_一万目I 方、1 一止二一二三!目标云的目标云的 使用机构全自动法自动自动NE SS(美)(下 层云)ESA(欧 洲)人机对话法日本(下层云、MM一1法)SSEC(美)人机 对话法日本(下层云、MM一2法)影片法脱机式人工追踪法日本(上层云) NE SS(上层云)ESA注:本文图表未注 明作者的皆为滨田忠昭制作上述三类方法各有

3、千秋。全自动法全部由计算机处理,可获得大量稳定的数据,但存在一个选择良好目标云的问题,它只是机械式地进行下 层风矢的计算(不能获得可靠的高层风 矢),对 于不 良目标云算出的风矢,其精度 自然 就较差。人机对话法可以通过操作人员的识别来选择良好的 目标云,但由于操作能力的限制,测算的风矢数量就受到限制。影片法由于依靠熟练的操作人员可以追踪计算机难以追踪的薄的卷云,因此能够获得高层的风矢。另外,亦能追踪与卷云 重迭的下层积云而获得下层的风矢。下面介绍日本的卫星风计算体系。1.2.GMS的风场计算体系GMS的风场计算体系称为CWE S(Clo udWindEstimationsystem)。它以M

4、M一i法和FL法为主体,此外还有MM一2法(另外尚有一些补助手段,但业务中尚未实施)。MM一1法是用人机对 话方式进行 目标云的选取,而 由计算机自动地进行追踪的,称为人机对话一点指定法。FL法是将云的图象制作成循环胶片,由操作人员通过连续投影进行目标云的选择和 追踪的,称为循环影片法,简称为影 片法。MM一2法则是使用电视显象,依靠人工来选择 目标云,并确定云体移 行初、终点的一种人机对话法。下面就 前两种主要计算方法作一些介绍。1.2.1.MM一l法(人机对话一点指定法)MM一l法使用三部落地式 电视显象仪,显示全圆或蠢的图象,操作人员先作初步的分辨,一边审视,一边对适宜追踪的云进行指定。

5、良好的目标云的云形,应是串珠状的,即具有间隙的、排列规整的细胞状云。轮廓模糊不清、相互联结的长条形线状云,不适宜 作为示踪云。日本在当前 业务中使用002、1 22的各种可见光和红外云图进行目标云的指定(为了根据红外图象计算出云顶高度,在指定 目标云的同时,还需要输人该云的辐射率)。目标云被指定后,由计算机自动追踪处理,计算出被追踪云的位移量。MM一1法通常使用间隔为三十分钟的图象三张 (例如按时间顺序排列为A、B、C三张图象)进行位移量的计算。计算机的自动追踪和计算 较为复杂,仅 举例作简单说明。现取中间时 间的图象B,在B图片上选定适宜的目标云,然后抽出以目标云为中心的 3 2X3 2象素

6、(可见光图象),或1 6x1 6象素(红外图象)作为模板或目标网格,另外在相隔三十分钟的C图片上切割出大小为64、64象 素的网格 作为搜索 面 积(其中心位置与B图象上 的目标 位置相同)。在搜索区内搜索 目标云的去向,其方法是用互相关 法计算出搜索区内各象素面积上与目标网格的辉度相关系数值来进行匹配,其中最大相关值所在处存在 着最佳匹配,这里就是半小时后目标云在C图片上的 位置。最后根据目标云移行的初、终点计算出云的位移量,这样就可求出风矢v。CWES体系的实际匹配计算过程比上述要复杂得多,譬如说,对于一个几。,在搜索区内就要计算6 4x6 4个数据。另外,对于一个目标云,除了要计算V.c

7、外,还要计算V人。以及三个云顶高度值尸A、PB尹C(最终输出的只是V,C和尸c两个终端结果,其余仅在自动质量检验中使用)。最后,经匹配处理得到的云体位移量,接着还必须进行坐标变换。这种坐标变换,是使用在获得上 述云体的位置参数(即云的移行初、终点位置)时的卫星轨道及姿态的预测数据而变换为地球经纬度的。在进行坐标变换的同时,还要根据温度 辉度算出云顶温度,然后把云顶温度根据温度铅直分布资料(月平均值)变换为云顶高度,这个 高度值 由机 器或人工添加在风矢资料上,是输出的风矢资料的一 部分,它表明风矢所代表的高度,一般以气压值来 表示,称为风矢的附属高度。12.2.FL法(影片法)r L法除使用M

8、M一1法中的A、B、C三张图片外,还要使用A图片三十分钟前的一张图象(称作Z图片),根据这四张图片制作循环胶片。其中作为始、终点 的Z和C图象分别用3 5幅,A、B两图象分 别用3幅,按时间顺序用3 5m m胶片连续摄影,制成循环胶片。然后把循环胶片放在具有数值化坐标装置的投影机上连续放映,由操作者测定目标云的移动,将测定值穿孔输人大型计算机,算出目标云的位移量,并且作与MM一1法相同的座标变换,从而即可获 得风矢数据。与此同时,在算得的风 矢上添加上高度数值(即附属高度,以气压等表示)。在F L法中,这种高度值的获得有两种途径。一是与M M一1法中一样,根据红外资料算出云顶高度;二是根据温度

9、铅直分布资料的气候值(月平均值)推算出对流层顶的高度分布,以此作为云顶高度。这后一种高度值是由操作人员进行确定和添加的。上述两种高度计算法,不管哪一种,在追踪卷云的情况下,要得到正确的风矢高度值是困难的。这 种不准确的高度值是造成卫星风矢误差的一个最重要来源,这一点在后面还要说到。象上述那样算出的FL风矢和 MM一1风矢,都还要作下述的质量检验处理。1.3.卫星风矢的质量控制为提高所得风矢的质量,必须进行一系列检验处理,以剔除其中的不合理值。这种处理,先由计算机进行自动检验评价,舍除不合理值,然后再用人 机对话检验法由操作人员进行诊断判别,进一步剔除不良的风矢值。现将检验步骤简述如下。(一)自

10、动检验(l )云形匹配参数化检验把云的外形特征参数化,用计算机检验云体外形匹配的优劣。(2)风矢的连续性 检验用A、B、C三张 图片分别计算出同一 目标云的两个连续的凤矢VA ,、V, C,比较二者差异的大小。(3 )云高检验对同一目标云计算出每张图片上的云顶高度值,即尸*、尸。、尸。,检查其差异的大小。(二)人机对话检验法(1 )空间连续性 检验将算出的风 矢以羽矢表示,由人工进行 目测检验。(2)与探空风矢比较用A D E Ss ( 气象资料自动编集中继装置)输人的无线电测风 资料与 卫星风矢作比较,由人工按一定的比较标准将两种风矢进 行比较,以其差值表示出来。(3 )云体外形匹配检验观察

11、以三维结构表示的外形匹配,检验其是否良好。这就是自动检验中的第一项,在那里是由计算机自动处理的。(4 )风矢结果检验在彩色屏幕上以不同颜色表示同一时序的两张图片,重新 计算风 矢,以检验风矢结果是否良好。(5 )影片法检验用影片法计算出风矢,检验与其它方法的计算结果是否一致。1.4.资料的输出和存贮上 述经过检验处理的全部风矢,以国际气象电码的形式编写,通过接在自动线内的计算机输往东京气象厅的A DE S S(气象资料 自动编 集中继 装置),A DEsS再通过气象专用线路送到用户的接收装置 内。“葵花号”的风场资料从观测正 点(002、1 2Z)开始,在四小时以内进行风矢信息的处理。其它则以

12、磁带、行式打印机、xy绘图机输出到各气象卫星中心保存起来,或作为云 分析的资料使用。日本气象卫星中心 每月出一次观测月报。一70一2.卫星导得的风矢的性质与 精度2.1.云体的运动与周围凤场的关系严格说,所谓卫星风矢实际只是云体的运动矢量,二者的一致性如何呢了这就需要弄清楚云体的运动与周围风场究竟存在着什么样 的关系。关于这一点,Hasle r等人用飞机分别对积云和卷云体 进行观测试验。他们指出云体的移动与周围风场存在一定的差异。对于积云体来说,二者一致性较好的部位在云 底附近,而卷云体则看不出在云层的哪一部分与风场的一致性更好些。参见表2、表3。表2积云的移动与周围风场的关系(Ha sler

13、等,1975)V云一V风 户瓜卜一巨云的移速1 5om云底云体 中部平均标准差8.7m/s3.6m/s1。3】1.230.610.6】1.4表3卷云的移动与周围风场的关系(Hasle r等,1975)云的移速V 云一V风云层 平均云底平均 (最大一最小)标谁 差1 1.0m/s(2 D5一8.1)云顶Fu ji ta等1975年作过试验,发现凤的垂直 切变对云体的移动影响较大。他指出不要把云的移动速度单纯看作就是周围的风场。如若能根据云的动力学、云高、云 型等有关参数来进行风矢的推算,其误差就可能更小些。如上所述,虽然云体的移动与周 围风场存在一定的差异,但试验表明,用卫星 云图来进行风场的推

14、算还是可能的。日本卫星气象中心对卫星风矢的可靠性进行了一些比较检验,把CWES的 计算结果与无 线 电测风进行比较,其标准偏差为:风向约 1 0。上下,风速约lm/ s左右,以上是指下层风,上层风的 标 准偏差,风 向为3.9、7.6。 ,风 速为1.14.8m/ s。这些结果表明,CWES算 出的风与探空风矢有着 较好的吻合,是可信的。2.2.卫 星风矢跳误差因素上面说到,卫星风 矢和实测风矢有较好的一致性,然而仍存在一定的差异。产生这种差异 的原因较为复杂,根据到目前为止的分析研究,认为有三个重要的误差来源。(1 )目标云的选取不当产生 的误差。(2 )观测体系的系统误差。(3 )被测云的

15、不正确的高度值(即风矢的附属高度)引起的误差。第三点是风矢计算过程中的最大误差来源。2.2.1.目标云的选取不当引起的误差目标云最好是非对流的、机械式移动的和非发展的云。发达的大块积雨云、地形性云、重力波形成的云,其移动与周围风场不一致,不要选取。最重要的是应追踪那些与大尺度流场不矛盾的云体。由于对目标云的选择以及追踪(指FL法)是 依靠人 工进行的,所以操作人员的技术熟练程度和对云形、云高等的判断能力,直 接影响卫星风矢的精度。2.2.2.系统误差产生系统误差的主要原因,一是图象间的位置拼接误差,二是云的匹配误差(在FL法中则是操作人员的追踪误差)。(1 )拼接误差凤的计 算处理,是通过一系

16、列图象推算出云的位移矢量,这些图象在拼接时产生的位置误 差,也就会导致风 矢量出现误差。在CWES体系中,实际位置的拼接是 根 据卫星的轨道和姿势的预侧数据,将各图象的位置独立地变换为地球经纬度的,因此这时产生 的图象位置的 误差大部分是起因于卫星的轨道和姿势的误差。卫星轨 道(即位置)的误差只引起图面的平移误差,而卫星的 姿势误差则会产生较大 的平移和旋转误差。为了预测正确的卫星姿势,需要进行可见光图象上 的陆地标记(岛屿、海岸线、湖泊等地形 )位置的匹配处理。这些误差的大小,总合起来大约在四个象素以内(相当于视准线角度。.0 08度,或星下点约sk。的长度),可使星下点的风矢产生2.8m/s的误差。若对卫星的轨道、姿势(特别是姿势)的变化作出正确的预测,上述位置拼接误差是可以进一步得到缩小的。前田等人分析了间隔为三十分钟的两张图象(B、C)的拼接资料,结果表明可见光图象大约存在两个象素的拼接误差,这相当于在星下点引 起1.奋一7 1彝鱼乞多曰昌释于二一端斌冥丰粱矛箫件子淤杯)舀己术离度 召黔介02N动0,2劲必加护Nn