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    遙感在氣象監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

    2016-03-14 03:07:16劉麗敏
    黑龍江氣象 2016年3期
    關(guān)鍵詞:遙感技術(shù)氣象植被

    潘 薔,劉麗敏,吳 桐

    (伊春市氣象局,黑龍江伊春153000)

    遙感在氣象監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

    潘薔,劉麗敏,吳桐

    (伊春市氣象局,黑龍江伊春153000)

    經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步的同時(shí),不同行業(yè)對(duì)氣象服務(wù)的要求也相對(duì)提高,需要?dú)庀筢槍?duì)其行業(yè)特性提供更專業(yè)的服務(wù)產(chǎn)品。傳統(tǒng)的氣象監(jiān)測(cè)手段難以滿足各行各業(yè)的不同需求,遙感技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展為氣象行業(yè)提供了全新的思路和探測(cè)手段,為氣象事業(yè)的發(fā)展奠定了技術(shù)保障。遙感技術(shù)作為一種有效的探測(cè)手段,已經(jīng)廣泛應(yīng)用到氣象監(jiān)測(cè)事業(yè)中。本文從行業(yè)氣象服務(wù)的角度,介紹了國(guó)內(nèi)外遙感技術(shù)在農(nóng)作物監(jiān)測(cè)與估產(chǎn)、林業(yè)監(jiān)測(cè)、森林防火監(jiān)測(cè)、霧和霾的監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用;認(rèn)為遙感技術(shù)能夠運(yùn)用到農(nóng)業(yè)、林業(yè)和環(huán)境氣象監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)中,有助于提高氣象的預(yù)報(bào)和服務(wù)質(zhì)量。

    遙感;監(jiān)測(cè);氣象服務(wù)

    1 引言

    隨著科技的發(fā)展、人類社會(huì)的進(jìn)步,城市化進(jìn)程的逐步加快,人類的社會(huì)活動(dòng)也越來(lái)越豐富。然而,由于人類活動(dòng)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的影響已超出其承載范圍,導(dǎo)致所造成的負(fù)面影響已經(jīng)在全球范圍內(nèi)日益涌現(xiàn),氣候變化就是其中之一。隨著2008年初我國(guó)南方大范圍低溫雨雪災(zāi)害天氣的發(fā)生以及2013年"霧霾"成為年度關(guān)鍵詞以來(lái),氣象工作也前所未有的受到社會(huì)的廣泛關(guān)注。人們對(duì)氣象的重視也逐漸加深,原本氣象基礎(chǔ)信息服務(wù)已經(jīng)不能滿足社會(huì)對(duì)氣象服務(wù)的需求,為社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生活保障提供有力的依據(jù)成為人們對(duì)氣象服務(wù)的更高要求。氣象本身就是社會(huì)公益事業(yè),是一個(gè)科技服務(wù)行業(yè),氣象服務(wù)是氣象事業(yè)的立業(yè)之本,氣象事業(yè)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的地位就是通過(guò)氣象服務(wù)來(lái)體現(xiàn)的,因此提高氣象服務(wù)質(zhì)量才是氣象事業(yè)發(fā)展的出發(fā)點(diǎn)[1]。

    氣象服務(wù),是指氣象部門基于大氣科學(xué)的理論與技術(shù),根據(jù)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)等的需要,向社會(huì)提供的各類工作。根據(jù)氣象服務(wù)對(duì)象的不同,氣象服務(wù)可劃分為決策氣象服務(wù)、公眾氣象服務(wù)、專業(yè)(行業(yè))氣象服務(wù)和科技服務(wù)。其中專業(yè)(行業(yè))氣象服務(wù)是根據(jù)各行各業(yè)對(duì)氣象條件的特殊需要所開(kāi)展的有針對(duì)性的氣象服務(wù)。我國(guó)的行業(yè)氣象服務(wù)效益主要集中在農(nóng)業(yè)、林業(yè)、水利、環(huán)保、公共管理與社會(huì)組織(含防災(zāi)減災(zāi)及重大社會(huì)活動(dòng)氣象)等行業(yè)上[2]。由于不同行業(yè)要求氣象服務(wù)的針對(duì)性不同,傳統(tǒng)的溫、壓、濕、風(fēng)等常規(guī)觀測(cè)手段已經(jīng)不能滿足它們對(duì)于氣象服務(wù)的需求。遙感,即遙遠(yuǎn)的感知,不直接接觸物體本身,通過(guò)電磁波來(lái)探測(cè)物體的屬性。它作為一種全新的探測(cè)手段,開(kāi)拓了傳統(tǒng)科學(xué)的思路,解決了許多研究設(shè)想難以應(yīng)用的難題。我國(guó)氣象衛(wèi)星自1988年成功發(fā)射風(fēng)云一號(hào)以來(lái),至今已發(fā)展至風(fēng)云二號(hào)、風(fēng)云三號(hào)共14顆,其中7顆正常運(yùn)行,為我國(guó)的氣象監(jiān)測(cè)事業(yè)提供有力的保障。目前,遙感技術(shù)因其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于氣象監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)中,為提高行業(yè)氣象服務(wù)質(zhì)量發(fā)揮著不可替代的作用。

    2 遙感在氣象監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

    遙感技術(shù)不直接接觸探測(cè)物體本身,不受環(huán)境、地形等因素的影響,可以實(shí)現(xiàn)快速、大范圍的獲取被探測(cè)物體的相關(guān)信息,并且獲取數(shù)據(jù)的周期短,較傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)手段有著無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì),已經(jīng)廣泛地應(yīng)用到農(nóng)業(yè)、林業(yè)以及環(huán)境等監(jiān)測(cè)中。

    2.1遙感在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用

    我國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó),農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)與氣象條件息息相關(guān),合適的氣象條件能夠促進(jìn)農(nóng)作物的生長(zhǎng)發(fā)育,然而低溫、干旱等災(zāi)害性天氣的發(fā)生會(huì)給我國(guó)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來(lái)巨大的影響,僅2015年7月1-4日,江南、西南地區(qū)東部一次持續(xù)強(qiáng)降雨天氣過(guò)程,就導(dǎo)致農(nóng)作物受災(zāi)59.7千公頃,絕收約6.4千公頃。因此,監(jiān)測(cè)農(nóng)作物長(zhǎng)勢(shì)等信息對(duì)于指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有至關(guān)重要的意義。

    2.1.1農(nóng)作物監(jiān)測(cè)與估產(chǎn)

    農(nóng)作物的生長(zhǎng)狀況直接關(guān)系到其產(chǎn)量的多少,農(nóng)作物長(zhǎng)勢(shì)的監(jiān)測(cè)與估產(chǎn)也是農(nóng)業(yè)的重要研究?jī)?nèi)容。Dalezios[3]等人利用NOAA提供的高分辨率AVHRR數(shù)據(jù),經(jīng)計(jì)算得到1994-1996年的NDVI數(shù)值,對(duì)棉花的長(zhǎng)勢(shì)進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)。得出結(jié)論,利用NDVI計(jì)算得出的棉花產(chǎn)量與實(shí)際測(cè)量結(jié)果基本吻合,表明遙感可用來(lái)監(jiān)測(cè)棉花產(chǎn)量,證實(shí)遙感為農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)提供了一種有效的監(jiān)測(cè)手段。彭麗[4]利用MODIS數(shù)據(jù),結(jié)合當(dāng)年氣象數(shù)據(jù)、產(chǎn)量與種植面積數(shù)據(jù),建立陜西省冬小麥與玉米的產(chǎn)量預(yù)測(cè)模型,并對(duì)其進(jìn)行精度檢驗(yàn)。對(duì)比氣象、遙感、遙感氣象產(chǎn)量模型發(fā)現(xiàn)遙感氣象產(chǎn)量模型的精度最高;得出結(jié)論,綜合考慮氣象和遙感信息能夠提高模型的精度,能夠更好的為農(nóng)業(yè)服務(wù)。

    2.1.2災(zāi)害監(jiān)測(cè)

    利用遙感技術(shù)監(jiān)測(cè)農(nóng)作物的受災(zāi)信息,可以大大彌補(bǔ)因氣象站點(diǎn)稀缺、分布不均所造成監(jiān)測(cè)偏差等不足。張佳華等[5]總結(jié)了國(guó)內(nèi)外利用遙感監(jiān)測(cè)水稻高溫?zé)岷Φ南嚓P(guān)研究,總結(jié)得出結(jié)論:MODIS和我國(guó)FY-2、FY-3等數(shù)據(jù)都滿足利用遙感進(jìn)行水稻高溫?zé)岷ΡO(jiān)測(cè)的時(shí)間分辨率要求。李斌[6]利用MODIS數(shù)據(jù)提取鄱陽(yáng)湖和洞庭湖汛期的淹沒(méi)面積,并對(duì)洪澇所造成的災(zāi)害損失進(jìn)行評(píng)價(jià)。何燕等[7]利用MODIS數(shù)據(jù)和實(shí)地調(diào)查相結(jié)合的方法,分析2008年低溫凍害對(duì)廣西甘蔗造成的影響,認(rèn)為利用遙感數(shù)據(jù)展開(kāi)的作物凍害監(jiān)測(cè)有一定的指示意義,可以加強(qiáng)氣象災(zāi)害的監(jiān)測(cè)預(yù)警能力,有助于提高氣象災(zāi)害的預(yù)報(bào)時(shí)效性。

    2.2遙感在林業(yè)氣象中的應(yīng)用

    植被是陸地生態(tài)系統(tǒng)中最重要的組成部分,是聯(lián)結(jié)土壤、大氣和水分的自然"紐帶",其變化是對(duì)全球變化的一種反饋信息。地表植被中不僅包含著氣候模型中的各種參數(shù),而且對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的變化也存在一定的指示意義。植被覆蓋變化本身就是不斷適應(yīng)氣候變化的結(jié)果。長(zhǎng)期的植被監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)不但可用來(lái)研究不同氣候背景下的植被變化規(guī)律,還有助于進(jìn)一步探索生態(tài)系統(tǒng)的變化過(guò)程[8]。

    2.2.1植被監(jiān)測(cè)

    國(guó)外對(duì)于植被監(jiān)測(cè)的研究開(kāi)始較早,并且取得了一定豐碩的研究成果。Lewis[9]等人以塞內(nèi)加爾地區(qū)作為研究區(qū),利用16年的NDVI數(shù)據(jù)和降水?dāng)?shù)據(jù)對(duì)該地區(qū)主要植被類型(林、耕、灌、草)的覆蓋狀況進(jìn)行研究。結(jié)果表明,各植被類型的NDVI變化與降水量的變化具有很好的相關(guān)性。國(guó)內(nèi)這方面的研究起步較晚,但近年發(fā)展較快。信忠保等[10]選用GIMMS和SPOT/VGT兩種植被指數(shù)數(shù)據(jù)對(duì)黃土高原地區(qū)的植被覆蓋的時(shí)空變化進(jìn)行研究。結(jié)果顯示:25年間黃土高原地區(qū)植被覆蓋變化明顯可以分為4個(gè)階段,并且植被覆蓋和降水關(guān)系密切,降水變化是植被覆蓋變化的重要原因。馬明國(guó)等[11]對(duì)比分析國(guó)內(nèi)外有關(guān)利用遙感對(duì)植被進(jìn)行年際變化及其與氣候因子的相關(guān)性的研究方法和結(jié)果,得出結(jié)論:近20年來(lái)全球植被活動(dòng)明顯增強(qiáng),并且氣溫和降水是影響植被變化的最主要的因素。

    2.2.2林火監(jiān)測(cè)

    森林火災(zāi)對(duì)于生態(tài)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是一種非常嚴(yán)重的自然災(zāi)害,因此各國(guó)對(duì)于防火都相當(dāng)?shù)闹匾?。傳統(tǒng)森林防火信息的采集和傳遞耗費(fèi)的周期長(zhǎng)、難以大范圍的應(yīng)用,氣象站點(diǎn)的稀疏給火險(xiǎn)預(yù)報(bào)增添了難度;利用遙感對(duì)森林防火進(jìn)行監(jiān)測(cè)解決了傳統(tǒng)方法在時(shí)間和空間上的不足,為森林火險(xiǎn)的預(yù)報(bào)提供了全新的技術(shù)支撐,并且也取得了一定的成績(jī)。許東蓓等[12]利用MODIS遙感數(shù)據(jù)對(duì)甘肅省迭部地區(qū)的重大火災(zāi)過(guò)程、前期植被干旱程度和土壤水分進(jìn)行分析,計(jì)算過(guò)火面積。研究表明:利用MODIS遙感數(shù)據(jù)可對(duì)火災(zāi)的發(fā)生發(fā)展進(jìn)行連續(xù)動(dòng)態(tài)的跟蹤監(jiān)測(cè),提供詳細(xì)的過(guò)火位置、面積等數(shù)據(jù);進(jìn)而得出結(jié)論遙感可以避免常規(guī)監(jiān)測(cè)手段的不足,進(jìn)而為森林防火提供極具潛力的技術(shù)支持。王一凱等[13]針對(duì)云南省提出了一種基于地表溫度、濕度遙感數(shù)據(jù)以及風(fēng)速、蒸發(fā)量空間模擬數(shù)據(jù)的火險(xiǎn)等級(jí)預(yù)報(bào)新方法,并利用4月地表溫度與濕度分析模型生成云南省森林火險(xiǎn)等級(jí)分布圖。研究表明,根據(jù)該方法得到的森林火險(xiǎn)等級(jí)在空間是連續(xù)的,能夠較好的反應(yīng)歷年4月云南省森林火災(zāi)的風(fēng)險(xiǎn)程度,為森林防火部門制定管理決策提供更加專業(yè)的服務(wù)。

    2.3遙感在環(huán)境氣象中的應(yīng)用

    近年來(lái),霧、霾、沙塵等災(zāi)害天氣時(shí)常發(fā)生,給人們的生產(chǎn)、生活帶來(lái)了諸多不利影響,使得對(duì)這種災(zāi)害性天氣的監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。常規(guī)的監(jiān)測(cè)手段和預(yù)報(bào)方法對(duì)于這類天氣的生消動(dòng)態(tài)方面困難較大,遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)在這一方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

    2.3.1霧監(jiān)測(cè)

    國(guó)外早在70年代就開(kāi)始利用SMS-1氣象衛(wèi)星對(duì)輻射霧的生消過(guò)程進(jìn)行觀測(cè)分析,隨著遙感技術(shù)的不斷發(fā)展,數(shù)據(jù)源的不斷豐富,目前應(yīng)用較多的是MODIS數(shù)據(jù)。張春桂等[14]以臺(tái)灣海峽為研究區(qū),利用MODIS可見(jiàn)光和紅外探測(cè)數(shù)據(jù),建立了臺(tái)灣海峽霧的遙感監(jiān)測(cè)模型,并用福建沿海地面站觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證,結(jié)果表明:該模型能夠較準(zhǔn)確地對(duì)臺(tái)灣海峽海霧的分布和發(fā)展過(guò)程進(jìn)行監(jiān)測(cè),準(zhǔn)確率可達(dá)80%以上,具有較高的業(yè)務(wù)化應(yīng)用前景。蔣璐璐[15]利用FY-3A衛(wèi)星的VIRR數(shù)據(jù),對(duì)2010年4月5日我國(guó)東部沿海地區(qū)日間霧這一個(gè)例進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析,研究該遙感數(shù)據(jù)在霧監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)中的可行性。實(shí)驗(yàn)中通過(guò)光譜分析來(lái)確定對(duì)于霧識(shí)別的閥值,并對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行精度檢驗(yàn)。經(jīng)檢驗(yàn),該方法的監(jiān)測(cè)精度較高,普遍可達(dá)70%以上,證實(shí)FY-3A衛(wèi)星資料對(duì)于霧監(jiān)測(cè)的可行性,并且具備在預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)中推廣的價(jià)值。

    2.3.2霾的監(jiān)測(cè)

    隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,工廠和機(jī)動(dòng)車數(shù)量的增多,霾已經(jīng)成為大氣污染的重要表現(xiàn)形式。Lee等[16]利用MODIS和碳粒子數(shù)據(jù)分析了2004年韓國(guó)兩次霾污染事件的成因,認(rèn)為中國(guó)東部地區(qū)城市污染和作物燃燒是造成韓國(guó)霧污染現(xiàn)象的主要原因。我國(guó)自2001年以來(lái)霾的日數(shù)急速的增長(zhǎng),最近幾年已經(jīng)成為熱議話題。姜杰等[17]介紹了霾的遙感監(jiān)測(cè)原理和目前應(yīng)用較為廣泛的遙感監(jiān)測(cè)技術(shù),指出衛(wèi)星遙感技術(shù)可以提供大尺度、長(zhǎng)時(shí)間序列的污染物時(shí)空分布特征和變化趨勢(shì),是霾監(jiān)測(cè)與綜合治理的重要途徑。牛志春等[18]選取氣象數(shù)據(jù)、MODIS數(shù)據(jù)及其氣溶膠產(chǎn)品反演大氣顆粒物濃度,根據(jù)選取的霾污染指標(biāo)對(duì)2013年1月江蘇省霾現(xiàn)象進(jìn)行分析。結(jié)果顯示:遙感監(jiān)測(cè)結(jié)果與地面實(shí)測(cè)結(jié)果基本一致,能夠較好地反應(yīng)霾污染的空間分布與地域差異,能夠作為霾污染地面監(jiān)測(cè)的有效補(bǔ)充,為霾污染遙感監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)化提供有力的依據(jù)。

    3 小結(jié)

    氣象與人類的社會(huì)生活息息相關(guān),經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步的同時(shí),各行各業(yè)對(duì)氣象服務(wù)也有了更高的要求,需要?dú)庀筇峁└訉I(yè)更加多樣的服務(wù)產(chǎn)品。氣象服務(wù)既然是氣象事業(yè)的立業(yè)之本,那么氣象部門就應(yīng)該注重科技的發(fā)展以及氣象資源的開(kāi)發(fā)和利用,以適應(yīng)社會(huì)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需求,提供更加專業(yè)、更加豐富的服務(wù)產(chǎn)品。遙感技術(shù)自興起以來(lái),因其技術(shù)特點(diǎn)受到各行各業(yè)的青睞,為學(xué)者們進(jìn)行深入的研究提供了強(qiáng)有力的技術(shù)保障和數(shù)據(jù)支持。氣象行業(yè)也不例外,遙感為氣象提供了更加先進(jìn)的探測(cè)手段,確保氣象部門能夠?yàn)楦餍懈鳂I(yè)提供有針對(duì)性的服務(wù)產(chǎn)品,推動(dòng)了氣象事業(yè)的發(fā)展。本文總結(jié)了國(guó)內(nèi)外的相關(guān)文獻(xiàn),介紹了遙感技術(shù)在農(nóng)、林、環(huán)境氣象中的應(yīng)用,希望為同行在今后的工作開(kāi)展提供了一點(diǎn)參考。雖然目前遙感有其自身的缺陷,相信隨著科技的進(jìn)步,在不久的將來(lái),遙感技術(shù)必將在預(yù)報(bào)和監(jiān)測(cè)服務(wù)中發(fā)揮重要的作用。

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    1002-252X(2016)03-0031-03

    2016-6-1

    潘薔(1986-),女,山東省龍口市人,東北林業(yè)大學(xué),碩士生,助理工程師.

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