本发明属于卫星气象应用，涉及一种利用fy-4b/agri数据反演晴空大气可降水总量的方法和系统。
背景技术：
：：1、水汽是地球大气中最重要的温室气体之一，对地球气候变化起着重要的调节作用。研究水汽的分布、变化和影响因素，可以帮助我们更好地理解气候系统的运行机制，继而预测和评估气候变化的趋势和影响。大气可降水总量(total precipitable water，tpw)是指从地表延伸到大气顶部的单位截面垂直柱中所含水汽的总量，是表征大气中水汽含量的重要指示因子。2、目前tpw的测量方法主要包括无线电探空法、地基探测法与遥感反演法等。无线电探空法是一种由探空气球搭载无线电探空仪观测大气的方法，虽观测精度极高，但一天仅能获得两次水汽廓线；地基探测法主要包括地基gnss和地基微波辐射计探测等，但在一些偏远地区和海洋上站点极其稀少；相较于前两种方法，遥感反演法具有观测范围大、频次高等优点，可以反演区域或全球尺度的水汽时空分布。3、风云四号卫星是广泛应用的地球静止轨道定量遥感气象卫星。目前针对风云四号b星(fy-4b)开发的tpw反演研究较少，官方也无正式公布的tpw产品。因此开展fy-4b反演tpw的研究对于提高天气预报和气候模拟的精度以及监测气候变化都具有重要的现实意义。此外，静止气象卫星遥感反演tpw的算法主要是基于热红外波段数据展开的。但热红外电磁波无法穿透云层，故只能反演晴空tpw。技术实现思路1、为解决现有技术中存在的问题，本发明提出一种利用fy-4b/agri l1数据的晴空大气可降水总量反演方法及系统。2、本发明的具体技术方案如下：3、一种利用fy-4b/agri数据反演晴空大气可降水总量的方法，包括以下步骤：4、s1，获取待研究区域的fy-4b/agri在预设时段的全圆盘数据，读取指定波段的像元亮度数据并转换为亮温数据，得到亮温数据集，该亮温数据集包含各像元的经纬度、时间和亮温信息；5、s2，获取对应研究区域和时段的水汽再分析产品tcwv数据，得到每个格网点的tpw数据，同时计算每个格网点的卫星观测天顶角的正割值用以角度修正，得到tpw数据集，该tpw数据集包含各网格点的经纬度、时间、tpw值和卫星观测天顶角的正割值；6、s3：将所述亮温数据集和所述tpw数据集进行时空匹配，时空匹配时基于经纬度，读取亮温数据集中数据，遍历tpw数据集的每个格网点，搜索在相同时间下亮温数据集中距离各格网点最近的像元，并将各格网点对应的tpw数据集与对应像元的亮温数据集合并，得到亮温和tpw的匹配数据集；7、s4，利用对应研究区域和时段的云检测产品clm进行晴空判别，筛除s3步骤中所述亮温和tpw的匹配数据集中处于有云状态下的数据，得到晴空阈值筛选的匹配数据集；8、s5，利用经过晴空阈值筛选的匹配数据集，以随机森林算法为基础进行建模并反演tpw。9、进一步地，s1步骤中，读取指定波段的像元亮度数据包括：第9波段到第15波段像元的亮度数据。10、进一步地，s5步骤中，通过各个参数的重要性得分，衡量各参数在反演tpw时的重要性：11、对于晴空阈值筛选的匹配数据集中第9到第11波段的亮温数据、第12到第15波段的亮温数据、第13波段与第14波段的亮温差值、卫星观测天顶角的正割值、经度、纬度和时间各参数用xj来表示，j＝1,2,3,...,12,假设模型共有i棵决策树，c个类别，将参数重要性得分用s表示，将基尼指数用gi来表示，则各参数重要性计算步骤如下：12、计算第i棵树节点q的gi指数：13、14、式中，c表示有c个类别，pqc表示节点q中类别c所占的比例；15、计算参数xj在第i棵树节点q的重要性，即节点q分枝前后的gi变化量：16、17、式中，和分别表示分枝前后两个新节点的gi指数；18、假设参数xj在决策树i中出现的节点为集合q，那么xj在第i棵树的重要性为：19、20、假设模型中共有i棵树，则参数重要性得分为：21、22、最后，将上步求得的重要性得分进行归一化处理，得到各参数的重要性得分sj(j＝1,2,3,...,12)：23、24、进一步地，步骤s2中，所述水汽再分析产品tcwv数据采用era5水汽再分析产品tcwv数据；步骤s4中，所述云检测产品clm采用fy-4b云检测产品clm。25、进一步地，步骤s1的具体过程如下：26、首先从风云卫星遥感数据服务网下载fy-4b数据行列号和经纬度查找表，将所述全圆盘数据中每个像元所在的行列号转换为经纬度，然后根据公式(1)和公式(2)分别将第9至第15波段像元的亮度值转换为亮温数据，最后读取并输入每个像元的数据生成文本，得到亮温数据集；27、通过公式(1)将亮度值dn转换为辐射亮度lλ，由公式(2)计算亮温数据t：28、lλ＝scale*dn+offset (1)29、30、式中，scale对应波长下的斜率，offset为对应波长下的截距，λ为波长，lλ为辐射亮度，c1＝3.7418×108w·m-2·μm4,c2＝14388μm·k。31、进一步地，s2步骤的具体过程如下：32、首先，从欧洲中期天气预报中心下载era5水汽再分析产品tcwv，通过公式(3)计算各个格网点对应的卫星观测天顶角的正割值vza，得到tpw数据集；33、34、式中，r为卫星到地心的距离，d为卫星到格网点的距离，中间变量γ的通过公式(4)计算得到：35、36、式中，为格网点纬度，λ为网点经度，λs为卫星星下点所在经度。37、进一步地，s4步骤的具体过程如下：38、从风云卫星遥感数据服务网下载fy-4b云检测产品(clm)，该产品中，0代表有云，1代表可能有云，2代表可能晴空，3代表晴空，126代表空值，127代表填充值；利用fy-4b数据行列号和经纬度查找表赋予云检测clm产品经纬度，根据经纬度将该云检测产品读取写入到步骤s3中匹配的数据集新的一列，并且只保留该列中数字为1，2或3所在的行数据，得到剔除了有云数据的匹配数据集，即经过晴空阈值筛选的匹配数据集。39、进一步地，s5步骤的具体过程如下：40、首先，根据经纬度，从经过晴空阈值筛选的匹配数据集中随机选取70％作为训练集，30％作为测试集，训练集作为随机森林模型建立的原始数据集；41、然后，使用bootstrap从原始训练集中随机又放回采样选出m个样本，共进行n次采样，生成n个训练集，并训练n个决策树模型，作为随机森林模型；42、最后，将测试集的数据作为自变量输入至已建立的随机森林模型中，输出模型计算的tpw数据；43、输出的tpw数据与era5水汽再分析产品tcwv数据中的tpw数据进行匹配，计算二者的精度指标，以评价fy-4b/agri基于随机森林算法反演tpw的精度，其中作为自变量输入至已建立的随机森林模型的数据包括第9到第11波段的亮温数据，第12到第15波段的亮温数据，第13波段与第14波段的亮温差值、卫星观测天顶角的正割值、tpw数据、经度、纬度和时间。44、一种利用fy-4b/agri数据反演晴空大气可降水总量的系统，包括以下各部分：45、亮温数据处理模块，获取待研究区域的fy-4b/agri在预设时段的全圆盘数据，读取指定波段的像元亮度值并转换为亮温数据，得到亮温数据集，该亮温数据集包含各像元的经纬度、时间和亮温信息；46、tpw数据处理模块，获取对应研究区域和时段的水汽再分析产品tcwv数据，得到每个格网点的tpw数据，同时计算每个格网点的卫星观测天顶角的正割值用以角度修正，得到tpw数据集，该tpw数据集包含各网格点的经纬度、时间、tpw值和卫星观测天顶角的正割值；47、亮温和tpw数据匹配模块，将所述亮温数据集和所述tpw数据集进行时空匹配，时空匹配时基于经纬度，读取亮温数据集中数据，遍历tpw数据集的每个格网点，搜索在相同时间下亮温数据集中距离各格网点最近的像元，并将各格网点对应的tpw数据集与对应像元的亮温数据集合并，得到亮温和tpw的匹配数据集；48、晴空判别模块，利用对应研究区域和时段的云检测产品clm进行晴空判别，筛除s3步骤中所述亮温和tpw的匹配数据集中处于有云状态下的数据，得到晴空阈值筛选的匹配数据集；49、tpw反演模块，利用经过晴空阈值筛选的匹配数据集，以随机森林算法为基础进行建模并反演tpw。50、一种电子设备，所述电子设备包括存储器和处理器，该存储器存储有计算机程序，所述处理器用于调用并运行所述存储器中存储的计算机程序执行如所述的方法。51、相比于现有技术本发明具有如下有益效果：52、本发明利用fy-4b/agri数据反演晴空大气可降水总量的方法及系统在使用红外分裂窗反演大气可降水总量tpw的同时，引入了3个水汽吸收波段和4个大气窗口波段的亮温作为辅助数据，其中使用大气可降水敏感的通道红外分裂窗，利用其亮温值的差异反演水汽含量，3个水汽吸收波段分别响应对流层高、中和低层的水汽，4个大气窗口波段给出更多的地表辐射信息，能够高精度地反演晴空大气可降水总量。53、本发明基于fy-4b/agri数据的高时空分辨率，创建了时间分辨率可达1h，空间分辨率可达4km的亮温数据与修正后era5水汽产品的精确配准并融合；采用第9至第15波段的中红外、热红外亮温数据，可反演日间和夜间的大气可降水总量；同时相比传统的热红外法、无线电探空法、遥感反演法的空间分辨率和时间分辨率高。54、本发明反演晴空大气可降水总量的方法及系统，考虑对大气可降水的敏感性的影响选定第13波段与第14波段的亮温差值红外分裂窗数据；考虑数据的全面性及包含更多地表信息，同时选择第9到第11波段高、中和低层多个对流层的水汽吸收波段的水汽信息，给出更多的地表辐射信息的第12到第15波段4个大气窗口波段数据，从而高精度地反演晴空大气可降水总量。55、本发明利用fy-4b/agri数据进行大气可降水总量反演，解决了现有技术中无线电探空法和地基探测法受经济、地理环境和技术等因素制约，以及观测时空分辨率低的问题。为用户提供了低成本、高精度和高时空分辨率的水汽数据，弥补了传统探测仪器和气象站监测水汽的不足，有益于提高短时天气预报和气候模拟的精度。当前第1页12当前第1页12
技术特征：1.一种利用fy-4b/agri数据反演晴空大气可降水总量的方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述利用fy-4b/agri数据反演晴空大气可降水总量的方法，其特征在于，s1步骤中，读取指定波段的像元亮度数据包括：第9波段到第15波段像元的亮度数据。
3.根据权利要求2所述利用fy-4b/agri数据反演晴空大气可降水总量的方法，其特征在于，s5步骤中，通过各个参数的重要性得分，衡量各参数在反演tpw时的重要性：
4.根据权利要求1所述利用fy-4b/agri数据反演晴空大气可降水总量的方法，其特征在于，步骤s2中，所述水汽再分析产品tcwv数据采用era5水汽再分析产品tcwv数据；步骤s4中，所述云检测产品clm采用fy-4b云检测产品clm。
5.根据权利要求1所述利用fy-4b/agri数据反演晴空大气可降水总量的方法，其特征在于，步骤s1的具体过程如下：
6.根据权利要求1所述利用fy-4b/agri数据反演晴空大气可降水总量的方法，其特征在于，s2步骤的具体过程如下：
7.根据权利要求1所述利用fy-4b/agri数据反演晴空大气可降水总量的方法，其特征在于，s4步骤的具体过程如下：
8.根据权利要求1所述利用fy-4b/agri数据反演晴空大气可降水总量的方法，其特征在于，s5步骤的具体过程如下：
9.一种利用fy-4b/agri数据反演晴空大气可降水总量的系统，其特征在于，包括以下各部分：
10.一种电子设备，其特征在于，所述电子设备包括存储器和处理器，该存储器存储有计算机程序，所述处理器用于调用并运行所述存储器中存储的计算机程序执行如权利要求1至8中任一项所述的方法。
技术总结本发明提供一种利用FY‑4B/AGRI数据反演晴空大气可降水总量的方法和系统，该大气可降水总量反演方法及系统在使用红外分裂窗反演TPW的同时，引入了3个水汽吸收波段和4个大气窗口波段的亮温作为辅助数据，其中使用大气可降水敏感的通道红外分裂窗，利用其亮温值的差异反演水汽含量，3个水汽吸收波段分别响应对流层高、中和低层的水汽，4个大气窗口波段给出更多的地表辐射信息，能够高精度地反演晴空大气可降水总量。
技术研发人员：张建行,王新志,顾炎飚
受保护的技术使用者：南京信息工程大学
技术研发日：技术公布日：2024/11/26
