【摘要】：云在天氣系統(tǒng)演變以及氣候變化等方面發(fā)揮著極其重要的作用,它不僅決定性地影響全球輻射能量平衡,也影響全球水汽輸送。云的類型對(duì)于天氣的狀況和未來(lái)的發(fā)展變化有著明確的指示意義,如積雨云之類的對(duì)流云與大氣不穩(wěn)定性、湍流和雷暴有關(guān)。準(zhǔn)確的云檢測(cè)和云分類對(duì)水文、氣候、天氣等研究和應(yīng)用有著重要意義。為有效提升保障華南區(qū)域航空安全與效率的能力,需要實(shí)現(xiàn)全天時(shí)高時(shí)空分辨率客觀化定量化的云類和降水反演。隨著計(jì)算性能的提升和海量數(shù)據(jù)的不斷積累,反演算法已從線性數(shù)學(xué)、數(shù)理統(tǒng)計(jì)向人工智能的機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)發(fā)展。近年來(lái)投入業(yè)務(wù)使用的新一代靜止衛(wèi)星如葵花-8提供了更精細(xì)的時(shí)空分辨率和更多的光譜通道,是否有利于云類和降水的反演值得深入研究。有如下幾個(gè)問(wèn)題需要嘗試解決:1)機(jī)器學(xué)習(xí)算法高度依賴于已標(biāo)記好的真值樣本,但云型分類真值樣本稀缺;2)過(guò)去使用舊代衛(wèi)星反演夜間云和降水的效果明顯不如白天,使用葵花-8能否得到改善;3)現(xiàn)有的一些靜止衛(wèi)星云分類產(chǎn)品所需外部依賴資料繁多、耗時(shí)長(zhǎng),業(yè)務(wù)應(yīng)用困難�；诳�-8的光譜通道對(duì)于云的輻射特性,本文研究實(shí)現(xiàn)了如何結(jié)合CloudSat的云類別廓線產(chǎn)品反演全天時(shí)云類,和如何結(jié)合地面雨量站反演降水強(qiáng)度的方法。通過(guò)與獨(dú)立數(shù)據(jù)的對(duì)比檢驗(yàn),表明本文得到的全天時(shí)云分類和降水分布結(jié)果合理可靠,夜間效果與白天基本一致,而且最終得到的算法外部資料依賴少,運(yùn)算速度極快,非常適合應(yīng)用于業(yè)務(wù)監(jiān)測(cè)。不過(guò)算法對(duì)于大雨尤其是暴雨存在低估,需要在以后的研究中改進(jìn)。全文主要內(nèi)容如下:1、將CloudSat的云類別廓線產(chǎn)品作為云分類的真值,通過(guò)和葵花-8圖像匹配樣本、基于最大似然估計(jì)和隨機(jī)森林等統(tǒng)計(jì)和機(jī)器學(xué)習(xí)算法、檢驗(yàn)Nida臺(tái)風(fēng)案例結(jié)果,并討論分析定量和定性存在矛盾的原因,得到了4個(gè)可分別用于白天和夜間的分類器。結(jié)果表明,有可見(jiàn)光的情況下的兩種算法整體準(zhǔn)確率都要比不使用可見(jiàn)光高出許多,最大似然估計(jì)算法從夜間最佳的78.95%提升到白天最佳的87.38%,而隨機(jī)森林算法則從85.23%提升到94.23%。單純從定量分析的角度看,隨機(jī)森林比最大似然估計(jì)算法明顯準(zhǔn)確率要更高,夜間隨機(jī)森林的準(zhǔn)確率甚至已經(jīng)和白天的最大似然估計(jì)效果相近。尤其是對(duì)于卷云的識(shí)別,隨機(jī)森林的表現(xiàn)明顯更為優(yōu)秀。然而,從云分類結(jié)果圖上看,明顯最大似然法更合理。分析表明隨機(jī)森林算法嚴(yán)格按照訓(xùn)練樣本的自身分布去擬合決策樹(shù)模型,因此對(duì)數(shù)據(jù)的質(zhì)量更為敏感,如實(shí)反映樣本缺陷。2、考慮到云類本身在光譜空間的聚類特性,而最大似然估計(jì)分類器通過(guò)多次聚類迭代運(yùn)算——事實(shí)上對(duì)錯(cuò)誤樣本進(jìn)行了糾偏訂正——是合理的。提出了結(jié)合最大似然估計(jì)算法和隨機(jī)森林算法的全天時(shí)云分類方法。通過(guò)與美國(guó)海洋和大氣管理局業(yè)務(wù)云類產(chǎn)品的對(duì)比檢驗(yàn)證明,該方法能充分發(fā)揮新一代靜止衛(wèi)星更多光譜通道的優(yōu)勢(shì),也對(duì)樣本本身可能存在的錯(cuò)誤具備較高的容忍度,尤其是夜間云分類能做到接近白天的水平。該分類器運(yùn)算速度極快,而且使用時(shí)只需要用葵花-8的數(shù)據(jù),便于業(yè)務(wù)化推廣應(yīng)用。3、使用地面雨量計(jì)降水量作為真值來(lái)估計(jì)葵花-8降水等級(jí),并與GPM(Global Precipitation Measurement)降水反演產(chǎn)品和地面雨量計(jì)進(jìn)行了驗(yàn)證。由于用于建模、反演和檢驗(yàn)的資料是高時(shí)空分辨率的(衛(wèi)星圖像保持0.025°的分辨率信息,實(shí)測(cè)降雨資料為10分鐘雨量計(jì)降水),保證了該方法可以實(shí)現(xiàn)高精度的降雨反演。通過(guò)充足樣本建立了較為合理的降水概率判識(shí)矩陣,因而能夠比較準(zhǔn)確地劃分雨區(qū)與非雨區(qū)。結(jié)合云分類的結(jié)果進(jìn)一步分析降水樣本和云類的關(guān)系,實(shí)現(xiàn)了基于云分類結(jié)果和隨機(jī)森林來(lái)反演降水等級(jí)的方法,得到了全天時(shí)一致的降水強(qiáng)度分類器。該分類器使用基于樣本雨量平均值得到的判據(jù)來(lái)反演降水等級(jí),分布與GPM產(chǎn)品大致一致,部分等級(jí)降水甚至比GPM產(chǎn)品略好。GPM校準(zhǔn)降水資料一般要比探測(cè)時(shí)間落后3—4個(gè)月才發(fā)布,無(wú)法用于業(yè)務(wù)應(yīng)用,分辨率也較粗,而本文提出的方法在時(shí)空分辨率和及時(shí)性上都是很大的優(yōu)勢(shì)。
【學(xué)位授予單位】：南京大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：P426.5;P412.27
【圖文】：

的影響尤為明顯。特別是全球空域最為復(fù)雜區(qū)域之一的珠三角地區(qū)，其航空和空逡逑域資源嚴(yán)重不足：在方圓不足２００ｋｍ的狹長(zhǎng)范圍內(nèi)，匯集了香港、廣州、深圳、逡逑澳門和珠海五大民用機(jī)場(chǎng)（如圖１．１所示），此外還有佛山、惠陽(yáng)等軍民合用機(jī)逡逑場(chǎng)和南頭等直升機(jī)機(jī)場(chǎng)。由于目前各個(gè)機(jī)場(chǎng)的管制空域基本上按行政區(qū)劃設(shè)，在逡逑機(jī)場(chǎng)密集的情況下，各機(jī)場(chǎng)管轄空域狹小又要保留一定的安全保護(hù)區(qū)域，所以導(dǎo)逡逑致了空域不能充分利用，再加上眾多航空交通流匯集于珠三角上空，空域重疊、逡逑航班量大、起降頻繁，使得飛行空域異常緊張，航班“塞機(jī)”現(xiàn)象較嚴(yán)重（王仁逡逑春，２０１１）。繁忙空域條件下，機(jī)場(chǎng)容量趨于飽和，不利天氣對(duì)于航班延誤影響逡逑嚴(yán)重，飛行效率和流量增長(zhǎng)的矛盾日益突出。以深圳機(jī)場(chǎng)為例，作為國(guó)內(nèi)最繁忙逡逑２逡逑

逡逑外形特征、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和云底高度將云分為４族１０屬（圖１．２）邋．？即高云（卷云、逡逑卷層云、卷積云）、中云（高層云、高積云）、低云（層云、層積云、雨層云）、逡逑直展云（積云、積雨云）。逡逑目前氣象業(yè)務(wù)上，云的分類標(biāo)準(zhǔn)是劃分為３族１０屬２９類，并定義了相應(yīng)的逡逑云狀電碼和符號(hào)（詳見(jiàn)附錄Ａ），云底高度、云的形態(tài)和結(jié)構(gòu)被認(rèn)為是人工區(qū)分逡逑ｉ類的最直接最有效的指標(biāo)。逡逑ＣＵＭＵＬＯＮＩＭＢＵＳ逡逑：：：：：：邋：：逡逑ＫＩＭＢＯＳＴＲＡＴＶＳ邐ＳＴＲＡＴＯＣＵＭＵＬＵＳ邋、邐，邐－逡逑ＳＴ＿Ｓ邐＇，擺ｆ逡逑圖１．２邋ＷＭＯ公布的１０屬主要云類逡逑（ｈｔｔｐｓ：／／ｃｌｏｕｄａｐｐｒｅｃｉａｔｉｏｎｓｏｃｉｅｔｙ．ｏｒｇ）逡逑由于衛(wèi)星俯瞰云層自上往下觀測(cè)，傳統(tǒng)的基于地面自下往上觀測(cè)的云分類標(biāo)逡逑準(zhǔn)己不再適用于衛(wèi)星。最明顯的是積雨云，在原來(lái)的地面觀測(cè)云分類中，因云底逡逑比較低被分在低云族；但在衛(wèi)星云分類中，因積雨云云頂發(fā)展比較高應(yīng)為高云。逡逑衛(wèi)星寬廣的視野和較低的空間分辨率（相對(duì)單點(diǎn)的地面觀測(cè)而言）導(dǎo)致對(duì)云的細(xì)逡逑微形態(tài)和結(jié)構(gòu)辨別能力有限

逡逑（圖１．３），其主要是基于衛(wèi)星觀測(cè)的特點(diǎn)，依據(jù)光學(xué)厚度和云頂高度對(duì)云進(jìn)行逡逑分類（Ｈａｈｎ邋ｅｔａｌ．，２００１）。逡逑５０邐Ｉ邐Ｉ邐Ｉ邋、逡逑１８０－邐＿＼逡逑？邋３］０，邋卷云邐卷層云邐深對(duì)流＿邋）高云逡逑ａ邋４４０邐Ｃ逡逑ｒ邋５６０邋？高積云邐高層云邐雨層云－〉中云逡逑ｉＷ邋６８０邐逡逑８００邋－邋積云邐層積云邐層云邐低云逡逑１００００邐１．３邐３．６邐９．４邐２３邐６０邐３７９逡逑云光學(xué)厚度逡逑圖１．３丨ＳＣＣＰ云分類（李昀英等，２０１４）逡逑Ｂａｎｋｅｒｔ邋（１９９４）將云分為低云、高層云、高云和降水性云等４類，Ｔｉａｎ等逡逑（１９９９）將云分為層云、積云、高層云、卷云和卷層云等５類，Ｙｕｅｔａｌ．邋（１９９７，逡逑１９９８，２００８）和Ｚｈａｎｇｅｔａｌ．邋（２０１１）考慮區(qū)分降水云系，將云分為積雨云、厚卷逡逑云、薄卷云、中云、低云和多層云系等６種。李昀英等（２０１４）基于大氣代表性、逡逑觀測(cè)可行性、歷史繼承性和可擴(kuò)展性原則，不考慮云高，提出了衛(wèi)星、地基、數(shù)逡逑值模式統(tǒng)一的自動(dòng)觀測(cè)云分類標(biāo)準(zhǔn)：將云分為４屬（卷云、波狀云、層狀云、積逡逑狀云）８類（薄卷云、密卷云、波云、雨波云、層云、雨層云、淺積云、深積云）

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前7條

1 李昀英;方樂(lè)鋅;寇雄偉;;衛(wèi)星-地基-模式統(tǒng)一的自動(dòng)觀測(cè)云分類原則和標(biāo)準(zhǔn)的研究[J];地球物理學(xué)報(bào);2014年08期

2 張成偉;郁凡;王晨曦;楊建宇;;Three-dimensional Extension of the Unit-Feature Spatial Classification Method for Cloud Type[J];Advances in Atmospheric Sciences;2011年03期

3 王晨曦;郁凡;張成偉;;基于MTSAT多光譜衛(wèi)星圖像監(jiān)測(cè)全天時(shí)我國(guó)華東地區(qū)的梅雨期降水[J];南京大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版);2010年03期

4 胡家美;李萍;;國(guó)際航空氣象預(yù)報(bào)的發(fā)展趨勢(shì)[J];廣東氣象;2009年04期

5 郁凡，陳渭民;雙光譜云圖的云分類探討[J];南京氣象學(xué)院學(xué)報(bào);1994年01期

6 顧鐵符;;馬王堆帛書(shū)《天文氣象雜占》內(nèi)容簡(jiǎn)述[J];文物;1978年02期

7 竺可楨;中國(guó)過(guò)去在氣象學(xué)上的成就[J];氣象學(xué)報(bào);1951年01期

本文編號(hào)：2771241