FY-3A/MERSI數(shù)據(jù)在典型大城市熱環(huán)境監(jiān)測預報中的應用——以上海市為例

楊何群，周紅妹，尹 球，李永平，柏 樺

（1.上海市衛(wèi)星遙感與測量應用中心，上海 201199；2.上海臺風研究所，上海 200030）

一、引 言

中國自主研發(fā)的第二代極軌氣象衛(wèi)星系列風云三號（FY-3）可對地球—大氣進行全天候、全天時、三維、定量、多光譜的不間斷觀測［1］。中分辨率光譜成像儀（MERSI）是FY-3搭載的主要光學載荷，具備從可見光到熱紅外20個通道的探測能力。特別的，F(xiàn)Y-3/MERSI加強了對地物的精細觀測能力，將250 m分辨率通道從MODIS的2個增加到5個，可為城市土地利用、土地覆被變化、熱環(huán)境災害等生態(tài)效應監(jiān)測及機理研究提供高時空分辨率圖像。

近30年來，隨著工業(yè)發(fā)展、城市化進程加快等引發(fā)的城市環(huán)境和氣候的變化，以城市熱島效應為代表的城市熱環(huán)境災害問題已引起世界廣泛關注。一方面，城市空間熱環(huán)境受到地表物理性質和人類社會經濟活動的共同影響，是城市生態(tài)環(huán)境狀況的綜合概括與體現(xiàn)［2-3］；另一方面，它對城市空氣質量、微氣候、能源消耗及公共健康等方面會產生深遠影響，甚至在一定程度上造成熱災害［4］。作為中國新型自主的衛(wèi)星數(shù)據(jù)，探索評估FY-3/MERSI在典型大城市熱環(huán)境監(jiān)測預報中的應用模式及潛力，對提升中國衛(wèi)星遙感自主應用能力具有十分重要的意義。本文以中國典型大城市上海為例，對FY-3A/MERSI在城市熱環(huán)境與熱災害方面的應用進行研究。

二、研究方法

1.FY-3A/MERSI熱環(huán)境監(jiān)測

（1）LST反演算法

地表溫度（land surface temperature，LST）是城市空間熱環(huán)境的主載體和量化基本，但遙感LST物理反演是一個復雜的求解問題。在晴空大氣、局地熱力平衡條件下，假定地表為朗伯發(fā)射體，并且忽略大氣分子和氣溶膠散射，衛(wèi)星熱紅外傳感器接收的能量主要包括經大氣削弱后被傳感器接收的地表熱發(fā)射輻射，經地表發(fā)射后再被大氣削弱的大氣下行輻射，以及大氣上行輻射等3部分。因此，要獲取真實的地表溫度，必須剔除掉衛(wèi)星信號中由于大氣影響而包含的噪聲，即需進行大氣校正。Jiménez-Mu?oz＆Sobrino以單個熱紅外通道為對象，對Plank方程作一階泰勒級數(shù)展開，提出了把大氣校正包含在地表溫度反演過程中的普適性單通道算法［5］。鑒于 FY-3A/MERSI只有一個熱紅外通道，LST的反演適宜采用該算法，計算公式如下

其中

（2）LST衍生指標

事實上，僅憑地表溫度的絕對值并不能完全反映熱環(huán)境或熱災害的空間格局，可在遙感反演LST的基礎上，通過搜索標識熱島中心，計算熱場溫度距平、熱場強度歸一化指數(shù)、熱島比例指數(shù)等參量，進行熱島強度分級和面積統(tǒng)計，以及匹配下墊面介質分析對應關系［7］等，多角度呈現(xiàn)熱環(huán)境空間形態(tài)及定量信息，從而發(fā)現(xiàn)或揭示潛在的熱災害。

2.耦合FY-3A/MERSI數(shù)據(jù)產品的熱環(huán)境預報

（1）FY-3A/MERSI在數(shù)值預報中的定量應用

眾多數(shù)值模擬研究表明，LULC對天氣氣候模擬有重要影響［8］。用以模擬的LULC數(shù)據(jù)需保證精確性、時效性和足夠的分辨率。特別是對城市氣象環(huán)境的模擬，由于城市特殊的下墊面性質，使得在中尺度背景場下更需細化城市下墊面。250 m分辨率的MERSI數(shù)據(jù)能夠滿足上述需求。因此，筆者基于FY-3A/MERSI制備了上海地區(qū)春、夏、秋、冬四季250 m空間分辨率的LULC基礎數(shù)據(jù)集用于中尺度氣象數(shù)值預報模式WRF（如圖1所示）。

除LULC基礎數(shù)據(jù)外，實時反演的 FY-3A/MERSI地表溫度或者按季相、月際規(guī)律統(tǒng)計合成制備的LST數(shù)據(jù)集，也可作為初始場或背景場，與WRF結合，以間接同化的方式預報城市面氣溫等，用于熱環(huán)境災害預報預警服務。需要注意的是，受觀測儀器、觀測算子近似、同化模式局限性等影響，同化系統(tǒng)會受到偏差問題的困擾［9］。針對FY-3A LST反演結果的特點，需進行質量控制及系統(tǒng)性偏差訂正，將不合理的地溫值予以剔除，以保障進入同化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)質量。

圖1 上海市250 m FY-3A/MERSI土地利用（覆被）分布圖

（2）城市熱環(huán)境短時預報模塊

為進行城市熱環(huán)境災害的短時預報，還需開發(fā)城市近地層氣溫的預報模塊，重點在于城市冠層參數(shù)化方案。方案中涉及的大氣控制方程如下，式中各符號代表參量詳見文獻［10］。

水平方向的動量方程

熱量方程

湍流動能方程

城市地面能量收支的確定

從試運行的驗證結果來看，模式氣溫與實際溫度可能還存在一定偏差，多數(shù)情況城區(qū)預報最高溫度、平均溫度比實測結果偏低，需進一步優(yōu)化訂正。設計擬合預報結果與前一天氣溫差隨時間的變化趨勢自動進行客觀修正。

三、應用實例

1.基于FY-3A/MERSI的上海市初秋熱環(huán)境監(jiān)測

以2010年9月21日的FY-3A/MERSI數(shù)據(jù)為例（如圖2所示），進行上海市空間熱環(huán)境監(jiān)測與分析。結果為基于250 m FY-3A/MERSI的地表溫度分布空間特征精細化顯示。

從圖2中可見，上海LST分布差異由外圍到中心層次遞進，城市熱島效應明顯，熱島由中心城區(qū)呈放射性面狀過渡到遠郊以鄉(xiāng)鎮(zhèn)為中心的小團塊狀。城區(qū)地表溫度較高，高溫區(qū)域主要分布在人口密集的中心城區(qū)及北部寶山、嘉定能耗大、熱源強度高的工業(yè)區(qū)內，最熱的區(qū)域出現(xiàn)在寶山東北部。中心城區(qū)周邊的近郊地區(qū)如閔行、浦東東北部、松江東部目前發(fā)展較快，也已成為新的熱力中心基質區(qū)域，遠郊則零散分布一些熱力斑塊。東南部沿海和崇明縣溫度整體處于較低水平，比中心城區(qū)低1.0℃ ～3.2℃，另有較大面積的水域及較密植被的城中公園形成多個冷島。另外，黃浦江也形成了一條穿越城市的長條形相對低溫帶。統(tǒng)計分析表明，當天地表溫度分布于23℃ ～34℃，并主要集中于27℃ ～30℃區(qū)間，32℃以上的高溫區(qū)面積比例僅占12%，顯示城市整體溫度狀況略熱，但熱環(huán)境災害發(fā)生的可能性不大。

圖2 上海市250 m FY-3A/MERSI LST分布圖

2.融合FY-3A/MERSI的上海市盛夏熱環(huán)境分布預報

將FY-3A/MERSI數(shù)據(jù)產品引入WRF，改進建成獨立運行的上海市近地層氣溫預報模塊后，可獲得250 m分辨率的0～48 h的氣溫預報結果。所得數(shù)據(jù)既規(guī)避了衛(wèi)星探測受云污染影響，又優(yōu)化了預報時空分辨率，保證了氣溫分布全局的完整性。與常規(guī)數(shù)值預報結果對比，耦合FY-3A/MERSI后的數(shù)值預報能較好地模擬出城市氣溫的演變，清晰地顯現(xiàn)熱島形成和發(fā)展的過程，這也表明FY-3A衛(wèi)星探測資料可有效改善數(shù)值預報模式，尤其是模式初始場與背景場。

圖3為2011年7月28日上海盛夏時節(jié)的一個預報實例。由圖3可見，日出后，隨著太陽輻射的增溫作用，上海熱高溫區(qū)呈中心城區(qū)向西部郊區(qū)蔓延的趨勢，特別是8:00—11:00升溫迅速，平均增溫速率在0.5℃/h以上，至中午13:00，熱島強度達最強，到午后14:00，熱高溫區(qū)面積比例達最大，此時也是日最高氣溫的出現(xiàn)時段，城市下墊面整體偏熱。下午，熱高溫區(qū)又自西向東縮減。據(jù)此預報如下:①2011年7月28日上海城市熱環(huán)境將具有明顯的日變化特征，但熱中心位置會穩(wěn)定維持于中心城區(qū)，且中心城區(qū)比郊區(qū)有更長的高溫持續(xù)時間。鑒于熱島作用下城區(qū)比郊區(qū)更易出現(xiàn)高溫，區(qū)域36.2℃的最高溫度出現(xiàn)于閘北區(qū)。② 以重化工業(yè)能耗布局為代表的寶山、嘉定兩區(qū)是除中心城區(qū)外的最先增溫區(qū)域，即熱浪過程將可能出現(xiàn)在這兩區(qū)。因氣溫升高會導致大氣層結逐漸趨于不穩(wěn)定，上下氣層湍流混合加強，底層大氣風速增大，正午12:00，熱中心位置將略微朝下風方向即北部寶山飄移。③由于海陸熱力性質差異所致，青浦東北部、松江西部以及金山西北部屬隨后增溫區(qū)域，東部沿海則一直保持相對較低的溫度。④當日白天熱環(huán)境分布成因主導是吸收短波輻射的強弱和傳遞過程，以及人為熱源排放導致的熱量增加，這些物理過程形成的湍流顯熱交換構成了近地層熱量的主要來源。

圖3 基于FY-3A/MERSI的上海氣溫逐時預報

進一步的，可進行熱環(huán)境災害潛勢預報。因2011年7月28日云系會稍多，故白天城市熱島強度變化較平緩，36℃附近的最高溫將不易造成典型的熱環(huán)境災害，但中心城區(qū)、寶山、嘉定熱災害危機度較大，尤其是13:00—14:00可能易發(fā)生人群高溫中暑、用電負荷較大等現(xiàn)象。由于中心城區(qū)、寶山、嘉定、青浦、松江、金山等最高氣溫預計超過了35℃，需分區(qū)發(fā)布高溫黃色預警。

250 m的氣溫預報格網也便于進行局地小尺度氣溫預報。如圖4所示，2011年7月28日中心城區(qū)的高溫區(qū)出現(xiàn)于北部，自楊浦區(qū)中南部、虹口區(qū)、閘北區(qū)、普陀區(qū)中東部連成一片，且三大最高溫點均位于閘北區(qū)；次高溫區(qū)于黃浦區(qū)、靜安區(qū)、長寧區(qū)東部連成一片；因依臨黃浦江及城中綠地的降溫效應，楊浦區(qū)東北部、徐匯區(qū)中南部為相對低溫區(qū)。重點地標如人民廣場、徐家匯、虹橋機場的最高溫度出現(xiàn)于14:00，但氣溫值各有差異，這與目前較統(tǒng)一的預報值相區(qū)別，突出了精細化特征。以上結果同時便于市民尋找相對清涼的避暑地。

四、結 論

通過FY-3A/MERSI數(shù)據(jù)在上海城市熱環(huán)境災害監(jiān)測預報中的應用研發(fā)，結果表明，利用中國新型自主的FY-3A衛(wèi)星資料進行以地表溫度-近地層氣溫為基礎的監(jiān)測預報業(yè)務是可行的。FY-3A/MERSI反演的250 m地表溫度及其衍生熱環(huán)境指標能夠精細、客觀地揭示典型大城市的熱場分布格局，捕捉城市熱島形態(tài)特征與增溫效應。另一方面，將基于FY-3A/MERSI的土地利用（覆蓋）分類及地表溫度反演結果融入中尺度氣象數(shù)值預報模式后，可起到有效改進數(shù)值模式的初始場與背景場的作用，耦合城市冠層參數(shù)化方案，可生成時空精細化的城市氣溫短臨預報產品，應用于不同天氣形勢下熱環(huán)境災害監(jiān)測預警服務，以及熱災害機理分析。不過需注意到，數(shù)值預報氣溫與實際溫度可能還存在一定偏差，氣溫預報訂正方案還需優(yōu)化。

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