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静止卫星全天时云物理特性反演及其应用

成果评价编号： 中气科成评[2025]036
评价结果： 优秀二等
成果名称： 静止卫星全天时云物理特性反演及其应用
完成单位： 复旦大学
成果形式： 基础研究类-新方法
研究领域： 基础研究
评价年份：
完成人： 张峰、李雯雯
成果简介： 由于热红外通道对厚云的穿透能力有限，夜间厚云定量反演一直是被动云遥感中的瓶颈问题。针对静止卫星被动成像仪红外通道，申请人创新性地建立了联合考虑云空间结构和光谱特征信息的全天时云物理特性人工智能反演算法，突破单一像元热红外通道只能反演薄云的极限，实现了夜间光学厚度100以内的厚云云物理特性反演。新算法将云光学厚度反演均方根误差降低11%，云相态识别准确率提升5%。该成果依托国家自然科学基金项目支持完成。
近些年来，被动卫星遥感已成为获取大范围、高频次云物理特性的主要手段。传统物理方法主要通过联合使用可见光和短波红外通道来反演云物理特性。但由于夜间缺乏可见光通道观测数据，使得该方法无法应用于夜间云物理特性的反演。热红外通道具备昼夜连续观测能力，为实现全天时云物理特性的反演提供了可能。然而，热红外通道对厚云的穿透能力较弱（极限穿透能力是光学厚度约为6的薄云），导致在反演光学厚度较大的厚云物理特性时存在局限性。因此利用热红外通道实现全天时云物理特性的高精度反演是被动云遥感中亟需解决的关键科学问题。
申请人首次针对静止卫星成像仪（国产风云四号静止卫星AGRI成像仪和日本葵花八号静止卫星AHI成像仪）构建了全天时云物理特性的人工智能反演新算法。新算法利用云的空间结构信息来弥补热红外通道对厚云穿透能力不足的缺陷，实现了静止卫星成像仪云相态、云顶高度、云粒子有效半径以及云光学厚度的高精度反演。相比于未考虑云空间结构信息的随机森林模型，新算法将云相态识别准确率提升了4%（75.81%提升至79.82%），并将云顶高度、云粒子有效半径和云光学厚度反演的均方根误差分别降低15.7%（2.36 km降至1.99 km）、9.0%（7.81 μm降至7.11 μm）和11.3%（14.51降至12.87）。
基于新算法反演得到的全天时云产品，申请人提出了一种基于云物理特性的深对流追踪方法。该方法能够消除局地大气和地表条件的干扰，更适用于各种地区复杂大气环境下的深对流追踪，并成功应用于中国东部和青藏高原地区。研究发现：受局地热力不稳定和海风环流的共同影响，中国东部陆地上中小尺寸的深对流在下午生成最多，而夜间近海区域的大尺寸深对流则与陆风和季风的相互作用以及重力波密切相关；此外，基于新的全天时云产品，研究成果首次揭示了青藏高原地区云物理特性的全日变化特征。
研究成果已在国际权威气象与遥感期刊Geophys. Res. Lett.、Clim. Dyn.和IEEE Trans. Geosci. Remote Sens.等发表多篇高水平论文，并在实际业务及重大活动保障中获得了广泛的应用与显著成效：
(1)中国气象局人工影响天气中心已实现全天时云物理特性反演算法的业务化运行，新算法提供的云产品能够及时、稳定地为人工影响天气常态化作业提供可靠的数据支撑，充分满足人影中心对全天时云产品的需求；
(2)国家卫星气象中心已成功完成全天时云物理特性反演算法的部署，并在业务试运行阶段对其性能进行了测试。试运行测试阶段该算法具备良好、稳定、高效的性能，可以实现国产风云四号静止卫星多种云宏微观物理特性的高精度、近实时反演，满足国家卫星气象中心对全天时云产品的需求；
(3)服务于重大活动或事件的气象保障：在2024年春季西南地区森林火灾应急服务和上海进博会期间，全天时云物理特性反演算法为开展云结构及作业条件监测，指导飞机作业方案设计等工作提供了重要的数据支持及服务保障，弥补了地基观测不足及现有业务产品夜间云微物理特性产品空白。
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