基于MODIS衛(wèi)星觀測資料的中國黃海海域海霧研究

常成 鄭麗娜 孟偉

摘要：通過對(duì)2013年的MODIS衛(wèi)星數(shù)據(jù)通道計(jì)算，運(yùn)用現(xiàn)有的海霧遙感理論，對(duì)得到的云霧分離后的海霧圖像進(jìn)行分析，得出基于MODIS衛(wèi)星觀測資料的黃海海區(qū)海霧多發(fā)期海霧時(shí)空分布特征。

關(guān)鍵詞：MODIS衛(wèi)星資料；通道；海霧；概率

引言

海霧是近海海域?yàn)?zāi)害性天氣之一。海霧出現(xiàn)時(shí)，垂直和水平能見度極低，嚴(yán)重影響海上航運(yùn)、捕撈作業(yè)等。海霧登陸時(shí)，能夠深入內(nèi)陸幾十、甚至幾百公里遠(yuǎn)，有時(shí)因穩(wěn)定少變的天氣形勢而持續(xù)數(shù)日，給沿海岸地區(qū)海、陸、空交通增加困難。隨著沿海一帶經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，因海霧災(zāi)害而造成的損失越來越大。海霧檢測技術(shù)的研究對(duì)于提高海霧預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率、降低海霧災(zāi)害損失具有重大意義。利用MODIS衛(wèi)星觀測資料，綜合運(yùn)用各通道提取海霧信息，對(duì)云霧進(jìn)行分離技術(shù)與應(yīng)用研究，再選用適當(dāng)?shù)耐ǖ肋M(jìn)行計(jì)算得到海霧概率分布圖，最后分析黃海海域海霧的時(shí)空分布特征。

1 算法介紹

基于本文的研究內(nèi)容，特選取118°E-125°E，31°N-41°N 區(qū)域的MODIS衛(wèi)星觀測資料進(jìn)行處理。

1.1 白天算法

根據(jù)衛(wèi)星遙感理論，層云和霧的反照率大于水體和地面，但小于中高云，在可見光的圖像上表征出不同的紋理和亮度。在紅外波段，霧粒子的輻射特性也隨著波長不同而不同。在長波紅外波段31通道附近，云、霧及其他不透明水云的輻射性狀類似于黑體，近乎完全發(fā)射長波紅外輻射，其輻射比率接近于1。

圖1：一次海霧過程MODIS衛(wèi)星資料可見光、紅外通道數(shù)據(jù)在所取剖面上的變化圖

因此，白天太陽輻射可以被忽略，衛(wèi)星測量到的云霧熱紅外波段的輻射轉(zhuǎn)化為亮溫，與云霧頂?shù)奈锢頊囟认嗟取Ｋ?，云霧所處的高度不同，紅外圖像反應(yīng)出的亮溫存在差異。此外，26通道對(duì)卷云的監(jiān)測效果理想，有利于在云霧分離中進(jìn)一步濾除中高云的影響。

從圖1可以看到，中間是一個(gè)霧區(qū)，兩邊為中高云區(qū)和晴空區(qū)?？梢姽饧敖t外17通道在中高云區(qū)、霧區(qū)、晴空區(qū)反照率依次降低，霧區(qū)反照率波動(dòng)范圍約為20～40%。26通道卷云檢測對(duì)于霧區(qū)和晴空區(qū)不敏感，數(shù)值較低。遠(yuǎn)紅外32通道在中高云區(qū)為低值，在霧區(qū)和晴空區(qū)顯示亮溫較高且平滑。綜合利用上述通道，能有效提取霧區(qū)信息。

圖2：一次海霧過程MODIS衛(wèi)星20和31通道的亮溫在所截剖面上的差異圖

1.2夜間算法

夜間MODIS衛(wèi)星只有20至36通道數(shù)據(jù)。海霧粒子在紅外波段上的輻射特性隨波長不同有所變化。在沒有太陽短波輻射和相應(yīng)的反射、散射，只有自身發(fā)射及大氣投射的情況下，大霧在3.7μm波段的有效亮溫比在10.7μm波段低。而對(duì)于發(fā)射率幾乎等于1的近黑體陸地表面和海洋表面，這兩個(gè)通道間的亮溫幾乎相等；地表發(fā)射率越低，10.7μm波段的有效亮溫相對(duì)于3.7μm波段就越低。因此，一般情況下，地表和大霧之間的BT10.7μm-BT3.7μm亮溫差大于2度。從圖2中可以看到，截取剖面由中高云區(qū)、晴空區(qū)和霧區(qū)間隔構(gòu)成。20通道和31通道的數(shù)值在晴空區(qū)基本一致；在中高云區(qū)20通道遠(yuǎn)高于31通道亮溫；而在霧區(qū)，20通道數(shù)值則低于31通道。利用這種原理能較好的區(qū)別中高云區(qū)、晴空區(qū)和霧區(qū)。它是目前夜間海霧監(jiān)測的基本方法。再利用32通道對(duì)霧區(qū)亮溫的控制，能有效排除以上算法中誤判的積云體和比較高的層云。

圖3： 4-7月的海霧概率分布圖

2 黃海海區(qū)海霧多發(fā)期（4～7月）海霧時(shí)空分布特征分析

按照海霧判識(shí)算法，對(duì)2013年MODIS衛(wèi)星資料進(jìn)行反演，得到海霧多發(fā)期（4-7月）的海霧分布概率圖（圖3）。

從4～7月份的海霧分布概率圖我們可以看到：

四月份，海霧發(fā)生的區(qū)域主要位于黃海北部，黃海南部海霧發(fā)生的面積及概率都比較小，黃海南部大部分海區(qū)沒有海霧的發(fā)生。渤海在黃河口附近海域海霧發(fā)生的概率較大。

五月份，整個(gè)黃海北部中部及東部基本上都有海霧的發(fā)生，其中以黃海東部和中部海區(qū)海霧發(fā)生的概率最大。但在黃海南部海霧發(fā)生范圍及概率都不大。而渤海海區(qū)海霧則基本上發(fā)生在與黃海毗鄰的地方，大致可以認(rèn)為是黃海海霧在渤海海區(qū)的延續(xù)。

六月份海霧發(fā)生的范圍覆蓋整個(gè)黃海海區(qū)，海霧發(fā)生的概率也比較大，其中以黃海中部、南部以及東北部海區(qū)海霧發(fā)生的概率最高。渤海海區(qū)也基本上都有海霧的發(fā)生，其中以黃河口附近海區(qū)海霧發(fā)生的概率最高。整個(gè)山東沿海地區(qū)都有海霧的發(fā)生，其中以日照以南海區(qū)海霧發(fā)生的概率最大。

七月份黃海海區(qū)海霧發(fā)生的面積大約占整個(gè)黃海面積的90%，海霧發(fā)生的概率普遍也比較大，其中尤以黃海東部發(fā)生的概率為最高，黃海北部和南部出現(xiàn)海霧的概率則相對(duì)較小。在江蘇沿岸海區(qū)海霧發(fā)生的概率也比較大。渤海海區(qū)海霧主要出現(xiàn)在渤海東部海域以及黃河口附近海區(qū)。

4 結(jié)論

1.通過對(duì)MODIS衛(wèi)星數(shù)據(jù)的處理分析得出的黃海海區(qū)海霧時(shí)空分布特征基本符合一般的海霧分布規(guī)律，通過衛(wèi)星辨別海霧具有一定的可行性。但以上結(jié)論僅用了較少的資料，可能包含了年際變化，要對(duì)海霧產(chǎn)生、發(fā)展、分布有個(gè)普遍性、規(guī)律性的認(rèn)識(shí)，需要對(duì)其進(jìn)行大量、長年的資料分析來進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)氣候態(tài)的黃海海霧時(shí)空變化特征。

2.以上分析只是建立在前人經(jīng)驗(yàn)總結(jié)的基礎(chǔ)之上，缺乏現(xiàn)實(shí)的觀測資料加以訂正對(duì)比。因此在以后的工作中，要在結(jié)合更多資料分析的基礎(chǔ)上，比對(duì)更多的探空、觀測資料對(duì)衛(wèi)星資料處理結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步檢驗(yàn)。

3.海霧自動(dòng)判識(shí)算法仍存在很多問題，需要在日后的工作中做進(jìn)一步的改進(jìn)。包括：海霧在邊界區(qū)由于有水體的信息，容易被誤判為低云；低云在邊界區(qū)由于水體信息的混合，容易被誤判為海霧；海霧上有云覆蓋時(shí)，衛(wèi)星判識(shí)為云；當(dāng)?shù)驮频男再|(zhì)和海霧十分接近時(shí)，誤判率會(huì)提高等。

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Analysis of characters of sea fog of Huanghai Sea which are got by calculating MODIS satellites data

作者簡介：常成（1985-），男，漢族，山東壽光人，本科，助理工程師，主要從事短期天氣預(yù)報(bào)工作。