基于FY-3B/VIRR數(shù)據(jù)的新疆沙塵天氣遙感監(jiān)測(cè)應(yīng)用研究

楊志華，張旭，毛煒嶧

（新疆維吾爾自治區(qū)氣候中心，新疆 烏魯木齊 830002）

基于FY-3B/VIRR數(shù)據(jù)的新疆沙塵天氣遙感監(jiān)測(cè)應(yīng)用研究

楊志華，張旭，毛煒嶧

（新疆維吾爾自治區(qū)氣候中心，新疆 烏魯木齊 830002）

新疆是我國(guó)沙塵天氣多發(fā)區(qū)，但是地面測(cè)站稀少，使用衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)沙塵天氣有非常大的優(yōu)勢(shì)。利用國(guó)家衛(wèi)星氣象中心開(kāi)發(fā)并向各省推廣的SMART業(yè)務(wù)系統(tǒng)，以FY-3B/VIRR為數(shù)據(jù)源，采用以人機(jī)交互方式分析區(qū)域沙塵遙感監(jiān)測(cè)方法。以2012年數(shù)據(jù)為例，對(duì)沙塵天氣進(jìn)行了遙感監(jiān)測(cè)，結(jié)果表明FY-3B/VIRR數(shù)據(jù)可有效提取沙塵天氣信息，具有較好的沙塵監(jiān)測(cè)評(píng)估業(yè)務(wù)應(yīng)用前景。

SMART系統(tǒng)；FY-3B/VIRR數(shù)據(jù)；沙塵監(jiān)測(cè)；新疆

沙塵天氣分為浮塵、揚(yáng)沙、沙塵暴和強(qiáng)沙塵暴四類。浮塵指塵土、細(xì)沙均勻地浮游在空中，使水平能見(jiàn)度小于10 km的天氣現(xiàn)象；揚(yáng)沙指風(fēng)將地面塵沙吹起，使空氣相當(dāng)混濁，水平能見(jiàn)度在1～10 km以內(nèi)的天氣現(xiàn)象；沙塵暴指強(qiáng)風(fēng)將地面大量塵沙吹起，使空氣很混濁，水平能見(jiàn)度小于1 km的天氣現(xiàn)象；強(qiáng)沙塵暴指大風(fēng)將地面塵沙吹起，使空氣模糊不清，渾濁不堪，水平能見(jiàn)度小于500 m的天氣現(xiàn)象[1]。新疆是我國(guó)沙塵暴的主要源區(qū)之一，南疆有著名的塔克拉瑪干大沙漠，北疆有古爾班通古特大沙漠，為沙塵暴的產(chǎn)生提供了基本的物質(zhì)條件。新疆沙塵暴出現(xiàn)頻率，北疆古爾班通古特沙漠年平均日數(shù)在15 d以上，沙漠南緣、天山北麓一線多在4～10 d之間。南疆年平均高于15 d的高發(fā)區(qū)域覆蓋整個(gè)塔克拉瑪干沙漠，沙漠南緣、昆侖山北麓一線年平均日數(shù)為13～35 d，高于沙漠其它周邊地區(qū)[2]。

新疆地面測(cè)站稀疏，有沙塵監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的常規(guī)測(cè)站更少，沙塵天氣發(fā)生、發(fā)展、傳送及其強(qiáng)度變化等性質(zhì)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)極度缺乏，沙塵天氣影響的定量評(píng)估存在技術(shù)難題。而衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)無(wú)論從時(shí)間還是空間尺度的監(jiān)測(cè)而言，都具有非常大的潛在優(yōu)勢(shì)。目前國(guó)內(nèi)沙塵暴的遙感監(jiān)測(cè)主要利用靜止氣象衛(wèi)星（GMS/VISSR）和極軌氣象衛(wèi)星（NOAA/AVHRR、FY21C/MVISR）兩大系列數(shù)據(jù)。極軌衛(wèi)星的空間分辨率是1.1 km，高于靜止氣象衛(wèi)星，而靜止衛(wèi)星的優(yōu)勢(shì)在于時(shí)間分辨高，對(duì)于持續(xù)時(shí)間較短的沙塵天氣過(guò)程的監(jiān)測(cè)很有利[3-10]。EOS-Terra星上搭載的MODIS傳感器在繼承了NOAA/AVHRR功能的同時(shí)，數(shù)據(jù)的空間分辨率提高到了0.25 km、數(shù)據(jù)波段數(shù)增加到36個(gè)，它的應(yīng)用極大豐富了沙塵天氣遙感監(jiān)測(cè)的內(nèi)容并得到了廣泛的應(yīng)用[11-15]。

我國(guó)自主研發(fā)的“風(fēng)云三號(hào)”是第二代極軌氣象衛(wèi)星，由兩顆衛(wèi)星組成（FY-3A衛(wèi)星、FY-3B衛(wèi)星）。“風(fēng)云三號(hào)”裝載的探測(cè)儀器有：10通道掃描輻射計(jì)、20通道紅外分光計(jì)、20通道中分辨率成像光譜儀、臭氧垂直探測(cè)儀、臭氧總量探測(cè)儀、太陽(yáng)輻照度監(jiān)測(cè)儀、4通道微波溫度探測(cè)輻射計(jì)、5通道微波濕度計(jì)、微波成像儀、地球輻射探測(cè)儀和空間環(huán)境監(jiān)測(cè)器[16]。利用“風(fēng)云三號(hào)”衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行新疆沙塵天氣監(jiān)測(cè)的相關(guān)研究還在起步階段，國(guó)內(nèi)相關(guān)文獻(xiàn)較少。本研究主要探討以“風(fēng)云三號(hào)”衛(wèi)星10通道掃描輻射計(jì)數(shù)據(jù)源（FY-3B/VIRR）參考較為成熟的方法進(jìn)行沙塵暴監(jiān)測(cè)，并進(jìn)行了業(yè)務(wù)化應(yīng)用研究。

1 利用FY-3B/VIRR監(jiān)測(cè)沙塵天氣的原理

1.1 大氣沙塵氣溶膠監(jiān)測(cè)原理

懸浮在大氣中的沙塵均稱為大氣沙塵氣溶膠，在可見(jiàn)光和熱紅外波段，沙塵氣溶膠具有以下特征：

（1）熱紅外輻射（10.3～12.5 μm），沙塵氣溶膠的吸收較強(qiáng)，利用熱紅外通道可區(qū)別沙塵和地面背景，結(jié)合中紅外波段，利用二者對(duì)相同目標(biāo)物反映的差異，可有效地識(shí)別沙塵和地面背景。

根據(jù)Mie輻射理論制作的體積消光圖可見(jiàn)，干燥沙塵氣溶膠在小粒徑情況下，對(duì)10 μm、12 μm紅外波段輻射有不同的消光，其中對(duì)10 μm波長(zhǎng)消光略強(qiáng)于12 μm波長(zhǎng)，即在衛(wèi)星傳感器10 μm波段上探測(cè)到的輻射通量將減少，使得12 μm波段的探測(cè)值大于10 μm波段，但在大粒徑情況下消光差異不大。因此在一定條件下，可以利用衛(wèi)星傳感器在10 μm、12 μm波段探測(cè)值的差值提取沙塵信息[17]。

（2）在可見(jiàn)光波段和近紅外波段（0.6～1.3 μm），沙塵暴發(fā)生時(shí)，常見(jiàn)粒徑的沙塵氣溶膠都有較高的反射率。

（3）在短波紅外波段（1.3～1.9 μm），這一光譜差異可用于識(shí)別沙塵暴、植被和中高云。

（4）在中紅外波段（3.5～3.9 μm），沙塵氣溶膠散射能量增加了亮溫物理量值，有利于區(qū)別水體、地表植被、裸土、低云和高層云、高積云、濃積云等部分中高云。但這一波段的遙感信息有時(shí)不能有效區(qū)別地表和高云。

1.2 FY-3B/VIRR用于沙塵監(jiān)測(cè)的光譜通道特征

FY-3（B）號(hào)衛(wèi)星上的可見(jiàn)光、紅外掃描輻射計(jì)（VIRR）的光譜范圍位于0.43～12.5 μm，設(shè)10個(gè)通道（表1），地面分辨率1.1 km。其位于第1、2、7、8、9、10通道位于可見(jiàn)光和近紅外波段，用于探測(cè)下墊面對(duì)太陽(yáng)光的反射特性，對(duì)大氣沙塵有不同程度的靈敏性；通道3、4、5為熱紅外通道，通道3為中紅外通道，可接收來(lái)自下墊面的熱輻射，可以檢測(cè)沙塵與云系、地表的熱輻射差異。通道6為短紅外通道，用于探測(cè)下墊面對(duì)太陽(yáng)光的反射特性，對(duì)大氣沙塵有較高的靈敏性[17]。

表1 可見(jiàn)光、紅外掃描輻射計(jì)（VIRR）光譜范圍

通過(guò)利用上述儀器探測(cè)通道對(duì)大氣沙塵以及對(duì)與不同云系、不同地表的響應(yīng)靈敏性，將多個(gè)通道的探測(cè)數(shù)據(jù)組合判識(shí)；可以將沙塵信息從遙感數(shù)據(jù)中分離出來(lái)，實(shí)現(xiàn)大氣沙塵的衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)。

2 利用FY-3B/VIRR數(shù)據(jù)的沙塵天氣監(jiān)測(cè)方法

沙塵氣溶膠的這些光譜輻射特性，在FY-3B/ VIRR相應(yīng)觀測(cè)通道上，都有靈敏的響應(yīng)。由于FY-3B/VIRR數(shù)據(jù)通道的設(shè)置與EOS/MODIS數(shù)據(jù)通道設(shè)置基本相同，參考EOS/MODIS數(shù)據(jù)較為成熟的方法，根據(jù)大氣懸浮沙塵粒子與云類、裸地、植被和水體等物體光譜輻射特性的相對(duì)差異，采用多光譜閾值法可對(duì)沙塵像元進(jìn)行判識(shí)和提取計(jì)算，具體算法見(jiàn)圖1。

圖1 FY-3B/VIRR數(shù)據(jù)沙塵監(jiān)測(cè)算法流程

RVIS（地）＜RVIS（沙塵）＜RVIS（中低云），且T11（沙塵）＜T11（地），且RSIR（沙塵）＞RSIR（中高云），且ΔT3.7-11（沙塵）＞ΔT3.7-11（地、低云），或T11-12（沙塵）＜0。

RVIS表示可見(jiàn)光0.55～0.68 μm譜段的反射率，對(duì)應(yīng)FY-3B/VIRR的1通道，SMART系統(tǒng)中反射率閾值范圍取值24%～40%，可初步確定沙塵范圍。

RNIR表示近紅外0.7～1.1 μm波段的反射率，對(duì)應(yīng)FY3B/VIRR的2通道。

RSIR表示短波紅外1.58～1.65 μm波段的反射率，對(duì)應(yīng)FY3B/VIRR的6通道，SMART系統(tǒng)中反射率下限取值范圍為25%～40%，可排除云覆蓋的部分影響。

T3.7為3.55～3.95 μm中紅外譜段的等效黑體輻射亮溫，對(duì)應(yīng)FY-3B/VIRR的3通道。

T11為10.3～11.3 μm熱紅外分裂窗通道的等效黑體輻射亮溫，對(duì)應(yīng)FY-3B/VIRR的4通道，SMART系統(tǒng)中亮溫取上限值范圍為260～290 K，可部分排除低云和冰雪的影響。

T12為11.5～12.5 μm熱紅外分裂窗通道的等效黑體輻射亮溫，對(duì)應(yīng)FY-3B/VIRR的5通道。

ΔT3.7-11=T3.7-T11，表示3.55～3.95 μm譜段與10.3～11.3 μm譜段亮溫差。

ΔT11-12=T11-T12，表示10.3～11.3 μm譜段與11.5～12.5 μm譜段亮溫差。

RVIS（地）、RVIS（沙塵）、RVIS（云）、T11（沙塵）、T11（地）、RSIR（沙塵）、RSIR（云）、ΔT3.7-11（沙塵）、ΔT3.7-11（地）、ΔT3.7-11（云）等分別表示衛(wèi)星相應(yīng)波段對(duì)地面、沙塵氣溶膠、云的測(cè)值。

根據(jù)上述算法，應(yīng)用FY-3B/VIRR衛(wèi)星數(shù)據(jù)可以實(shí)現(xiàn)區(qū)域沙塵天氣監(jiān)測(cè)。

3 FY-3B/VIRR數(shù)據(jù)沙塵天氣遙感監(jiān)測(cè)應(yīng)用實(shí)例

3.1 數(shù)據(jù)選擇和處理

FY-3B/VIRR數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)氣象局烏魯木齊氣象衛(wèi)星地面站所接收的原始軌道文件，時(shí)間范圍為2012年全年共700余條。原始軌道0級(jí)文件經(jīng)處理軟件生成HDF格式的1 B數(shù)據(jù)，幾何校正定位、輻射定標(biāo)和投影轉(zhuǎn)換采用由中國(guó)氣象局國(guó)家衛(wèi)星氣象中心提供的衛(wèi)星監(jiān)測(cè)分析與遙感應(yīng)用軟件平臺(tái)（SMART）。該軟件平臺(tái)是風(fēng)云三號(hào)等氣象衛(wèi)星監(jiān)測(cè)、分析、服務(wù)為一體的綜合應(yīng)用平臺(tái)，為全國(guó)氣象部門從事災(zāi)害及環(huán)境遙感應(yīng)用的專業(yè)技術(shù)人員提供的一個(gè)專業(yè)化的遙感應(yīng)用平臺(tái)，目前該應(yīng)用平臺(tái)已在新疆氣象局業(yè)務(wù)試運(yùn)行。

經(jīng)過(guò)預(yù)處理和投影轉(zhuǎn)換生成局地投影文件和影像縮略圖以供篩選和應(yīng)用。投影方式采用等經(jīng)緯度投影，影像數(shù)據(jù)分辨率為0.01°，中心經(jīng)緯度84.25° E，41.75°N，行數(shù)2 550，列數(shù)1 550，覆蓋新疆范圍。

3.2 監(jiān)測(cè)結(jié)果

對(duì)2012年全年FY-3B/VIRR數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，得到合適沙塵信息提取的衛(wèi)星軌道數(shù)據(jù)41條?；谏鲜黾夹g(shù)方法對(duì)篩選后的影像數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)處理，監(jiān)測(cè)到有沙塵天氣活動(dòng)的衛(wèi)星數(shù)據(jù)27條并進(jìn)行了沙塵信息的提取和專題圖的制作。

以2012年3月22日的FY-3B/VIRR沙塵監(jiān)測(cè)為例，從監(jiān)測(cè)結(jié)果和相同時(shí)間EOS/MODIS的影像圖及沙塵增強(qiáng)合成圖像[15]的對(duì)比可以看出，運(yùn)用FY-3B/VIRR數(shù)據(jù)對(duì)沙塵進(jìn)行監(jiān)測(cè)取得了較好的效果。位于塔里木盆地南緣的沙塵區(qū)域被明顯的標(biāo)示出來(lái)，其他區(qū)域無(wú)誤判，監(jiān)測(cè)結(jié)果未受其下墊面沙漠地表、植被和水體的影響（圖2）。

以FY-3B/VIRR沙塵天氣監(jiān)測(cè)結(jié)果為基礎(chǔ)對(duì)27條軌道的沙塵區(qū)域面積進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到新疆2012年全年沙塵天氣發(fā)生分布情況、沙塵面積等信息。從表2統(tǒng)計(jì)表數(shù)據(jù)可以看出，2012年新疆的沙塵天氣主要集中出現(xiàn)在4月、5月和11月，這與該區(qū)域代表站地面觀測(cè)資料統(tǒng)計(jì)年內(nèi)時(shí)間分布特征是基本一致的。

3.3 沙塵監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)

以2012年衛(wèi)星監(jiān)測(cè)到影響范圍較大的一次沙塵天氣為例，對(duì)此次沙塵天氣進(jìn)行評(píng)價(jià)。此次沙塵天氣出現(xiàn)在2012年11月6—8日，由11月7日15:06接收到的FY-3B/VIRR數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)到沙塵影響面積高達(dá)24.2萬(wàn)km2，沙塵覆蓋面積占整個(gè)南疆地區(qū)的23.4%（圖3）。

圖3 2012年11月7日FY-3B/VIRR衛(wèi)星沙塵監(jiān)測(cè)圖

對(duì)沙塵覆蓋區(qū)域進(jìn)行分地區(qū)統(tǒng)計(jì)，由統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可以得知此次沙塵天氣覆蓋南疆5個(gè)地區(qū)，主要影響阿克蘇地區(qū)、喀什地區(qū)和和田地區(qū)。其中阿克蘇地區(qū)沙塵區(qū)域覆蓋面積7.15萬(wàn)km2占轄區(qū)面積的54.55%，主要影響區(qū)域?yàn)榘⒖颂K市和沙雅縣；喀什地區(qū)沙塵區(qū)域覆蓋面積5.17萬(wàn)km2占轄區(qū)面積的46.38%，主要影響區(qū)域?yàn)榘统h和麥蓋提縣；和田地區(qū)沙塵區(qū)域覆蓋面積9.04萬(wàn)km2占轄區(qū)面積的36.30%，主要影響區(qū)域?yàn)槟窨h和皮山縣；克州和巴州沙塵覆蓋率較?。ū?）。

表3 2012年11月7日FY-3B/VIRR衛(wèi)星沙塵監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

對(duì)沙塵覆蓋地區(qū)各縣、市進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，此次共有34個(gè)縣市受到沙塵天氣影響。其中阿克蘇市、阿瓦提縣、疏勒縣、麥蓋提縣、岳普湖縣、伽師縣、墨玉縣共7個(gè)縣、市沙塵覆蓋率在90%以上；共14個(gè)縣、市沙塵覆蓋率在50%以上；且末縣、烏什縣、阿克陶縣、阿合奇縣和和田縣沙塵覆蓋率在10%以下（圖4）。

圖4 2012年11月7日南疆主要縣、市沙塵覆蓋率

4 結(jié)論

（1）利用FY-3B/VIRR數(shù)據(jù)開(kāi)展沙塵天氣監(jiān)測(cè)是可行的。在具體應(yīng)用時(shí)，會(huì)遇到由于沙塵暴的頂端與某些低云、沙塵暴與部分沙漠地表難以區(qū)分以及碎云和高亮地表的影響，這些影響可利用SMART軟件通過(guò)對(duì)參數(shù)的調(diào)整以人機(jī)交互的形式得到很好的解決。FY-3B/VIRR多通道方法的應(yīng)用，可有效提取沙塵天氣信息，人機(jī)交互多通道域值的分析可以作為FY3B/VIRR沙塵監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)化的主要方法。

（2）對(duì)2012年全年FY-3B/VIRR數(shù)據(jù)的沙塵暴信息提取和專題圖結(jié)果和EOS/MODIS的沙塵增強(qiáng)合成圖結(jié)果基本吻合，沙塵天氣的分布與相關(guān)臺(tái)站觀測(cè)統(tǒng)計(jì)趨勢(shì)基本一致，同時(shí)利用遙感手段獲得了沙塵天氣的影響范圍信息。FY-3B/VIRR以其可見(jiàn)光和熱紅外通道對(duì)沙塵響應(yīng)靈敏的優(yōu)勢(shì)，可以作為沙塵天氣監(jiān)測(cè)的又一重要數(shù)據(jù)源。

（3）在利用FY-3B/VIRR數(shù)據(jù)進(jìn)行沙塵天氣動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)中，天氣影響是制約因素，大面積的云覆蓋對(duì)沙塵天氣的監(jiān)測(cè)影響最大，對(duì)沙塵天氣天數(shù)和影響面積的統(tǒng)計(jì)都有較大的影響。由于監(jiān)測(cè)區(qū)域地面觀測(cè)站點(diǎn)稀疏，沒(méi)有合適的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)作為結(jié)果檢驗(yàn)，今后的研究及業(yè)務(wù)應(yīng)用還需要在多種衛(wèi)星數(shù)據(jù)源的對(duì)比監(jiān)測(cè)方面深入研究。

（4）通過(guò)衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)沙塵氣溶膠可以給出沙塵天氣的影響面積，為沙塵天氣影響定量評(píng)估奠定了基礎(chǔ)，但是需要繼續(xù)探討不同強(qiáng)度的沙塵天氣的衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)原理和方法及其應(yīng)用，可以為更加精細(xì)的沙塵天氣影響評(píng)估提供技術(shù)支持。

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[17]方翔，韓秀珍，劉誠(chéng).風(fēng)云三號(hào)遙感應(yīng)用系統(tǒng)產(chǎn)品算法[M].北京：中國(guó)氣象局國(guó)家衛(wèi)星氣象中心，2012.

The Remote Sensing Monitoring Application Research in Dust Weather of Xinjiang Based on FY-3B/VIRR Data

YANG Zhihua，ZHANG Xu，MAO Weiyi
（Xinjiang Climate Center，Urumqi 830002，China）

There was multiple dust weather area in Xinjiang Province,due to lack of the ground observation station,there are so many advantages that we can use the remote sensing satellite to monitor the dust weather.By using the SMART system which came from the National Satellite Meteorological Center,with FY-3B/VIRR as data source,adopted the man-machine interaction method to analyze the regional dust weather.We inspected the dust weather by used the data of the year 2012,the results show that it can distill the information of dust weather efficiently by using FY3B/VIRR data,and it has much more application perspective applied in our professional work.

SMART system；FY-3B/VIRR；dust weather monitoring；Xinjiang

TP79

B

1002-0799（2014）05-0048-05

10.3969/j.issn.1002-0799.2014.05.009

2013-11-28；

2014-02-27

新疆氣象局重點(diǎn)項(xiàng)目（ZD201402）。

楊志華（1980-），男，工程師，主要從事遙感監(jiān)測(cè)分析服務(wù)業(yè)務(wù)及相關(guān)研究。E-mail：10441697@qq.com

楊志華，張旭，毛煒嶧.基于FY-3B/VIRR數(shù)據(jù)的新疆沙塵天氣遙感監(jiān)測(cè)應(yīng)用研究[J].沙漠與綠洲氣象，2014，8（5）：48-52.