基于星载多通道辐射成像仪的多层云云顶高度反演方法技术

本发明专利技术公开了基于星载多通道辐射成像仪的多层云云顶高度反演方法，基于多层云检测及云相态检测结果，将有云像元分类为单层冰云，单层水云和多层云；搜索目标多层云像元一定范围内的相邻单层云；根据目标多层云像元原始的云顶高度和云光学厚度反演结果，估计其实际云顶高度的最大值和最小值；分别搜索满足云顶高度规范的单层冰云和单层水云；计算所有筛选的单层冰云的平均云顶高度，得到目标多层云上层冰云的云顶高度反演结果；计算所有筛选的单层水云的平均云顶高度，得到目标多层云下层水云的云顶高度反演结果。本发明专利技术利用外推方法快速有效的反演多层云云顶高度，同时反演上层冰云和下层水云的云顶高度；对计算资源的要求低。对计算资源的要求低。对计算资源的要求低。

Inversion method of cloud top height of multi-layer clouds based on Spaceborne multi-channel radiation imager

【技术实现步骤摘要】
基于星载多通道辐射成像仪的多层云云顶高度反演方法


[0001]本专利技术属于大气探测与遥感
，尤其涉及基于星载多通道辐射成像仪的多层云云顶高度反演方法。

技术介绍

[0002]云顶高度是主要的云物理参数，不仅是地球系统模式的重要参数，还被广泛用于气候变化研究和航天气象保障。气象卫星遥感是获取准确的全球云顶高度信息主要途径。目前绝大多数星载多通道辐射成像仪的云顶高度产品由于星载多通道光谱辐射成像仪的自身局限，难以探测云的垂直结构，因而在反演云顶高度时通常将假设所有云都是水平均匀的单层云，而实际大气中存在大量的多层云，这些多层云不可避免地会使云顶高度的反演产生误差。利用准确的雷达探测结果验证发现，目前的风云卫星云顶高度产品中单层云的反演结果较好，但对于多层云存在较大的误差。风云卫星的高质量的气象产品对于保障社会生产生活具有重要意义。针对多层云云顶高度反演的难题，已经有一些基于多光谱辐射模拟的方法，但这些方法需要对下层云信息进行先验假设，在实际应用中存在较大的不确定性，验证也发现这些多光谱方法对于上层冰云较厚的情况效果较差。另外，由于多层云模型相比传统的单层云模型需要进行更多的辐射传输计算，其计算效率相对较低，难以被用于星载多通道辐射成像仪的业务算法中。
[0003]因而，设计针对多层云的云顶高度反演方法具有迫切的实际需求。气象卫星具有强大的气象海洋环境观测能力，其高质量的大气海洋产品有助于更好地进行天气预报、防灾减灾和气候变化研究。目前国际上绝大多数基于星载多通道辐射成像仪的云顶高度产品在多层云存在时都会有较大的反演偏差，为了进一步提升基于星载多通道辐射成像仪的云顶高度产品质量，急需新的算法解决多层云云顶高度反演问题。

技术实现思路

[0004]有鉴于此，本专利技术提出了基于星载多通道辐射成像仪的多层云云顶高度反演方法，包括以下步骤：步骤1：基于多层云检测及云相态检测结果，将有云像元分类为单层冰云，单层水云和多层云；步骤2：搜索目标多层云像元预设范围内的相邻单层云；步骤3： 根据目标多层云像元原始的云顶高度和云光学厚度反演结果，估计其实际云顶高度的最大值和最小值；步骤4：分别搜索满足云顶高度规范的单层冰云和单层水云；步骤5：计算所有筛选的单层冰云的平均云顶高度，得到目标多层云上层冰云的云顶高度反演结果；计算所有筛选的单层水云的平均云顶高度，得到目标多层云下层水云的云顶高度反演结果。
[0005]进一步的，步骤1中所述多层云检测利用机器学习模型区分单层云与多层云；云相
态检测结果利用FY
‑
4A卫星云相态进行检测。
[0006]进一步的，步骤2所述的预设范围为以目标多层云像元为中心，半径为200 km的区域；相邻单层云指该区域内与任意多层云相邻的单层云像元。
[0007]进一步的，在步骤3中，利用多层云的云光学厚度COT与云顶高度原始反演结果CTH
o
，分别估计其上层冰云和下层水云实际云顶高度的最大值CTH
max
和最小值CTH
min
，计算方式如下：CTH
min = CTH
o
+α
×
CTHD
min
；CTH
max =
CTH
o
+β
×
CTHD
max
；其中，CTHD
min
和CTHD
max
根据相邻单层云的CTH
s
和COT
s
确定，结果如下：确定，结果如下：α和β为权重系数，计算方法如下：α和β为权重系数，计算方法如下：λ
i
为第i个单层云的光学厚度COT
s
，n为单层云数量，h
i
为第i个单层云的云顶高度CTH
s
。
[0008]进一步的，在步骤4中，筛选满足步骤3设定的冰云云顶高度范围的给定区域内的相邻单层冰云；筛选满足步骤3设定的水云云顶高度范围的给定区域内的相邻单层水云。这里的单层云云顶高度为FY
‑
4A卫星业务产品。
[0009]进一步的，在步骤5中，计算所有筛选的满足云顶高度规范的相邻单层冰云的平均云顶高度，得到目标多层云像元的上层冰云云顶高度；计算所有筛选的满足云顶高度规范的相邻单层水云的平均云顶高度，得到目标多层云像元的下层水云云顶高度。
[0010]本专利技术与现有技术相比，具有以下显著优点：利用外推方法快速有效的反演多层云云顶高度，传统的基于单层的反演算法只能提供最上层云的反演结果，且通常会存在较大误差，而本算法可以同时反演上层冰云和下层水云的云顶高度，对于航空气象保障具有重要意义；
仅使用星载多通道辐射成像仪自身的云特性反演产品作为输入，且不需要进行辐射传输模拟，对计算资源的要求较低，且结果明显优于现有的基于单层假设的业务产品，可为国产风云气象卫星未来业务应用提供更加准确高效的多层云云顶高度反演结果。
附图说明
[0011]图1本专利技术的流程图；图2是本专利技术的实验结果。
具体实施方式
[0012]下面结合附图对本专利技术作进一步的说明，但不以任何方式对本专利技术加以限制，基于本专利技术教导所作的任何变换或替换，均属于本专利技术的保护范围。
[0013]本专利技术充分考虑目前基于星载多通道辐射成像仪云顶高度产品的技术特征，以外推理论为基础，旨在开发快速、有效的多层云云顶高度反演算法，以提供更准确的多层云云顶高度反演结果，可用于提升国产风云气象卫星精细化保障水平。
[0014]本专利技术提出了基于星载多通道辐射成像仪的多层云云顶高度反演方法，包括以下步骤：步骤1：基于多层云检测及云相态检测结果，将有云像元分类为单层冰云，单层水云和多层云。其中，多层云检测利用机器学习模型区分单层云与多层云；云相态检测结果利用FY
‑
4A卫星云相态进行检测。
[0015]步骤2：搜索目标多层云像元一定范围内的相邻单层云；一定范围为以目标多层云像元为中心，半径为200 km的区域；相邻单层云指该区域内与任意多层云相邻的单层云像元。
[0016]步骤3： 根据目标多层云像元原始的云顶高度和云光学厚度反演结果，估计其实际云顶高度的最大值和最小值。其中，FY
‑
4A卫星辐射计对光学厚度较小的多层云产生更大的云顶高度反演误差；利用多层云的云光学厚度与云顶高度原始反演结果，分别估计其上层冰云和下层水云实际云顶高度的最大值和最小值。
[0017]具体的，在步骤3中，利用多层云的云光学厚度COT与云顶高度原始反演结果CTH
o
，分别估计其上层冰云和下层水云实际云顶高度的最大值CTH
max
和最小值CTH
min
，计算方式如下：CTH
min = CTH
o
+α
×
CTHD
min
；CTH
max =
CTH...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于星载多通道辐射成像仪的多层云云顶高度反演方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：基于多层云检测及云相态检测结果，将有云像元分类为单层冰云，单层水云和多层云；步骤2：搜索目标多层云像元预设范围内的相邻单层云；步骤3： 根据目标多层云像元原始的云顶高度和云光学厚度反演结果，估计其实际云顶高度的最大值和最小值；步骤4：分别搜索满足云顶高度规范的单层冰云和单层水云；步骤5：计算所有筛选的单层冰云的平均云顶高度，得到目标多层云上层冰云的云顶高度反演结果；计算所有筛选的单层水云的平均云顶高度，得到目标多层云下层水云的云顶高度反演结果。2.根据权利要求1所述的基于星载多通道辐射成像仪的多层云云顶高度反演方法，其特征在于：步骤1中所述多层云检测利用机器学习模型区分单层云与多层云；云相态检测结果利用FY
‑
4A卫星云相态进行检测。3.根据权利要求1所述的基于星载多通道辐射成像仪的多层云云顶高度反演方法，其特征在于：步骤2所述的预设范围为以目标多层云像元为中心，半径为200 km的区域；相邻单层云指该区域内与任意多层云相邻的单层云像元。4.根据权利要求1所述的基于星载多通道辐射成像仪的多层云云顶高度反演方法，其特征在于：在步骤3中，利用多层云的云光学厚度COT与云顶高度原始反演结果CTH
o
，分别估计其上层冰云和下层水云实际云顶高度的最大值CTH
max
和最小值CTH
min
，计算方式如下：...

【专利技术属性】
技术研发人员：谭仲辉，马烁，严卫，胡申森，任开军，曹小群，张卫民，余意，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，
类型：发明
国别省市：