基于CALIOP數(shù)據(jù)的海霧檢測(cè)方法研究*

趙經(jīng)聰， 吳 東，2**， 趙耀天

(1.中國(guó)海洋大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266100；2.青島海洋科學(xué)與技術(shù)國(guó)家實(shí)驗(yàn)區(qū)域海洋動(dòng)力學(xué)與數(shù)值模擬功能實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266200)

基于CALIOP數(shù)據(jù)的海霧檢測(cè)方法研究*

趙經(jīng)聰1， 吳 東1，2**， 趙耀天1

(1.中國(guó)海洋大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266100；2.青島海洋科學(xué)與技術(shù)國(guó)家實(shí)驗(yàn)區(qū)域海洋動(dòng)力學(xué)與數(shù)值模擬功能實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266200)

提出了一種基于星載激光雷達(dá)CALIOP數(shù)據(jù)檢測(cè)海霧的方法。通過(guò)對(duì)比分析不同條件下低云和低空氣溶膠的衰減后向散射特性,以及研究CALIOP海表誤判區(qū)的衰減后向散射特性，發(fā)現(xiàn)了海表誤判區(qū)其實(shí)是一種與海表相接的云，即海霧。繼而，通過(guò)反演海表誤判區(qū)的消光系數(shù)和能見(jiàn)度，發(fā)現(xiàn)98%以上海表誤判區(qū)的消光系數(shù)低于1 km，對(duì)該方法進(jìn)行了檢驗(yàn)驗(yàn)證。本文所提出的海霧檢測(cè)方法豐富了海霧案例選取途徑，拓展了海霧樣本點(diǎn)來(lái)源，對(duì)研究海霧特性具有積極意義。

CALIOP； 海霧； 云； 氣溶膠； 衰減后向散射

海霧作為一種災(zāi)害性天氣現(xiàn)象長(zhǎng)久以來(lái)影響著人類(lèi)的海上活動(dòng)，因此在20世紀(jì)初就已經(jīng)有學(xué)者對(duì)海霧開(kāi)展了研究。1924年，Koschmieder提出的Koschmieder定律是大氣能見(jiàn)度研究歷史進(jìn)程中一個(gè)重要的里程碑, 該定律將能見(jiàn)度與大氣消光系數(shù)聯(lián)系起來(lái), 成為后來(lái)計(jì)算大氣能見(jiàn)度的物理基礎(chǔ)[1]。隨著技術(shù)的創(chuàng)新與發(fā)展，1960年美國(guó)發(fā)射了第一顆氣象衛(wèi)星“泰勒斯”號(hào)，自此之后衛(wèi)星遙感逐步成為了人類(lèi)觀(guān)測(cè)研究大氣和海洋的重要手段?？墒牵鲊?guó)利用衛(wèi)星數(shù)據(jù)對(duì)海霧的研究卻沒(méi)有隨著氣象衛(wèi)星的成功發(fā)射而立刻開(kāi)展，直至1970年代，才開(kāi)始有國(guó)外學(xué)者利用遙感方法進(jìn)行霧的研究和預(yù)報(bào)。1973年，Hunt等從理論上計(jì)算了像霧、低云這類(lèi)的不透明水云在遠(yuǎn)紅外波段和中紅外波段的比輻射率，得出云霧這類(lèi)目標(biāo)物亮溫的差異[2]。1984年，Eyre等根據(jù)Hunt的理論，嘗試使用NOAA/AVHRR第3和第4通道的亮溫差檢測(cè)夜間大霧[3]，之后又有許多學(xué)者[4-5]對(duì)此方法進(jìn)行了研究，最終使得該方法發(fā)展為目前唯一用于業(yè)務(wù)化夜間霧檢測(cè)的雙通道差值法。1995年，Bendix利用了AVHRR中通道3和4的數(shù)據(jù)對(duì)發(fā)生在1993年2月德國(guó)科隆和亞琛兩地之間的兩次大霧進(jìn)行了數(shù)據(jù)反演，根據(jù)光學(xué)厚度和幾何厚度推算出了大氣能見(jiàn)度，這為之后的衛(wèi)星數(shù)據(jù)反演海霧能見(jiàn)度提供了重要的理論依據(jù)[6]。2005年，Bendix等提出了一種應(yīng)用MODIS日間數(shù)據(jù)探測(cè)地面霧的可能性的研究[7]。2005年，吳曉京等研究表明，當(dāng)假設(shè)一個(gè)視力正常的觀(guān)察員在綠光(0.55 μm) 照射下,以天空為背景觀(guān)察足夠大的黑體目標(biāo)時(shí)，ε=0.02 ，提出了能見(jiàn)度與消光系數(shù)的簡(jiǎn)化公式[8]。2009年，張紀(jì)偉等人在區(qū)域增長(zhǎng)法的基礎(chǔ)上研究了黃海海霧的檢測(cè)機(jī)制，并根據(jù)檢測(cè)結(jié)果對(duì)海霧的諸多特征量如光學(xué)厚度、霧頂高度、能見(jiàn)度等進(jìn)行了反演[9]。

1981年，Klett等提出了應(yīng)用激光雷達(dá)數(shù)據(jù)反演消光系數(shù)的方法[10]。1984年，F(xiàn)ernald等在計(jì)算中引入激光雷達(dá)比，提出了應(yīng)用激光雷達(dá)反演消光系數(shù)的方法[11]。1995年，StuartA.Young等應(yīng)用激光雷達(dá)分析了光學(xué)薄云的后向散射剖面，提出了光學(xué)厚云以及光學(xué)薄云消光系數(shù)的計(jì)算方法[12]。1999年，Stoelinga和Warner提出了目前海霧數(shù)值研究工作中普遍采用的根據(jù)消光系數(shù)計(jì)算大氣水平能見(jiàn)度的公式[13]。相比于常規(guī)衛(wèi)星遙感，應(yīng)用星載激光雷達(dá)研究海霧起步要晚一些。2006年，CALIPSO衛(wèi)星成功發(fā)射，其星載激光雷達(dá)CALIOP至今已成功運(yùn)行10年，積累了大量全球云和氣溶膠的探測(cè)數(shù)據(jù)[14]。2007年，胡永祥等應(yīng)用MODIS數(shù)據(jù)和CALIPSO二級(jí)數(shù)據(jù)，提出了反演低云云頂平均消光系數(shù)、液態(tài)水路徑、液滴數(shù)密度的方法[15]。2010年，Li等提出了一種基于CALIOP拖尾信號(hào)反演水云消光系數(shù)的新方法，并與胡永祥提出的方法做了對(duì)比[16]。2011年，吳東等人在一年CALIOP數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，對(duì)全球范圍的云體出現(xiàn)概率進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，并與MODIS的計(jì)算結(jié)果對(duì)比，發(fā)現(xiàn)使用CALIOP檢測(cè)到的云體出現(xiàn)概率相較MODIS更大[17]。2012年，Cermak等人使用METEOSAT SEVIRI衛(wèi)星數(shù)據(jù)分析了非洲西南沿岸附近海域的海霧和低云時(shí)空分布，并采用CALIOP云層產(chǎn)品資料進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，這是首次將星載激光雷達(dá)資料配合傳統(tǒng)衛(wèi)星遙感資料應(yīng)用于海霧研究[18]。2013年魏書(shū)曉等人使用CALIOP后向散射系數(shù)數(shù)據(jù)篩選了海霧區(qū)域，并將CALIOP判定的海霧區(qū)域應(yīng)用于MODIS海霧遙感研究，通過(guò)改進(jìn)閾值和區(qū)域增長(zhǎng)的方法的進(jìn)行了海霧的識(shí)別[19]。2015年，盧博使用閾值法篩選CALIOP海表誤判區(qū)中的海霧，并將其作為海霧樣本點(diǎn)應(yīng)用于MODIS遙感海霧檢測(cè)[20]。2015年，吳東等使用CALIPSO一級(jí)和二級(jí)數(shù)據(jù)利用閾值法篩選海霧區(qū)域，并將其應(yīng)用于提高以MODIS為基礎(chǔ)的海霧探測(cè)上[21]，然而其方法卻失去了低于閾值的海霧區(qū)域，忽視了海霧樣本點(diǎn)的整體特性。

本文對(duì)比分析研究1 km以下不同條件下低云和低空氣溶膠的衰減后向散射特性,研究CALIOP海表誤判區(qū)的衰減后向散射特性、消光系數(shù)和能見(jiàn)度, 期望改進(jìn)基于星載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)的海霧檢測(cè)方法。

1 理論方法

2006年，由美國(guó)航空航天局NASA和法國(guó)國(guó)家航天中心CNES聯(lián)合研制的云-氣溶膠激光雷達(dá)和紅外探測(cè)觀(guān)測(cè)衛(wèi)星CALIPSO成功發(fā)射。CALIPSO軌道高度705 km，每繞地球一圈96 min，每16天覆蓋探測(cè)一遍全球大氣的三維信息。云和氣溶膠探測(cè)激光雷達(dá)CALIOP搭載于CALIPSO衛(wèi)星上。Level 1數(shù)據(jù)產(chǎn)品可提供532 nm通道和1 064 nm通道的一系列衰減后向散射剖面，并且在海拔8.2 km以下具有30 m的垂直分辨率。Level 2 數(shù)據(jù)產(chǎn)品Vertical feature mask(VFM)描繪了云、氣溶膠的水平分布和垂直分布，然而CALIOP至今沒(méi)有海霧的產(chǎn)品。

霧是指由于微小的水滴(或冰晶)懸浮在接近地面的大氣中，使大氣水平能見(jiàn)度小于1 km 的一種天氣現(xiàn)象[22]。海霧則是指在海洋影響下出現(xiàn)在海上(包括岸濱和島嶼)的霧[23]。本文所說(shuō)的海霧是指所有出現(xiàn)在海面上的霧。霧和云都是水汽凝結(jié)的產(chǎn)物，可以說(shuō)霧升高離開(kāi)地面或者海面后就成為了云，而云降低到地面或者海面后就成為了霧。

然而對(duì)于海霧這種與海表相接、無(wú)法計(jì)算其層底邊界高度的大氣目標(biāo)物，CALIOP會(huì)把它和下層相鄰的目標(biāo)物歸為一類(lèi)，即CALIOP會(huì)把海霧歸類(lèi)為海表，從而造成了海表的誤判現(xiàn)象[20-21]。

以2012年3月28日MODIS監(jiān)測(cè)到的一次海霧事件為例[24]，對(duì)海表誤判現(xiàn)象加以說(shuō)明。圖1是MODIS 1，4，3通道數(shù)據(jù)RGB三色組合圖，圖2為CALIPSO衛(wèi)星沿該黃線(xiàn)軌跡的VFM圖像。從圖2中可以看出在33°N～40°N區(qū)間內(nèi)CALIOP判斷的海表面超出海平面50 m以上，存在海表誤判現(xiàn)象。

(圖中黃線(xiàn)表示CALIPSO衛(wèi)星劃過(guò)的軌跡。The yellow line represents the ground-track of collocated CALIPSO orbit.)

圖1 2012年3月28日(世界時(shí)間)的MODIS 1，4，3 通道 RGB 云圖
Fig.1 The RGB image is a combination of Aqua-MODIS bands 1,4,3 on March 28,2012

圖2 2012年3月28日VFM剖面圖Fig.2 Feature types on March 28,2012 from CALIOP level 2 VFM data

吳東等認(rèn)為，CALIOP海表誤判區(qū)除了海霧也有可能是氣溶膠[21]。為了區(qū)分海霧和氣溶膠，吳東等統(tǒng)計(jì)分析了低云以及低空氣溶膠在532 nm通道的衰減后向散射特性，判定采樣點(diǎn)衰減后向散射系數(shù)大于閾值(0.03 km-1·sr-1)的即為海霧。采用閾值法僅選擇衰減后向散射系數(shù)大于閾值的樣本點(diǎn)，一方面丟失了低于閾值的海霧區(qū)域，減少了海霧樣本點(diǎn)；另一方面忽視了對(duì)海霧整體特性的把握，所選樣本點(diǎn)并不能真實(shí)反映海霧整體特性。

CALIOP在探測(cè)云和氣溶膠時(shí)，有效光學(xué)厚度(ητ)的極限為3[25]。有效光學(xué)厚度大于這個(gè)極值的云和氣溶膠層對(duì)于CALIOP是不可透的。然而，邊界層云的有效光學(xué)厚度往往大于該極限值。顯然，不可透部分的衰減后向散射數(shù)據(jù)是不準(zhǔn)確的，不適合用于研究云和氣溶膠的特性。一般而言，不可透水云有效光學(xué)厚度小于該極值(ητ<3)的探測(cè)范圍與云頂下100 m的探測(cè)深度相符合[16]。

本文在分析研究1 km以下不同條件下低云和低空氣溶膠的衰減后向散射特性時(shí),著重統(tǒng)計(jì)分析層頂下 90 m 3個(gè)采樣單元(bin)的數(shù)據(jù)。研究CALIOP海表誤判區(qū)的衰減后向散射特性以及反演海表誤判區(qū)的消光系數(shù)和能見(jiàn)度, 開(kāi)展基于星載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)的海霧檢測(cè)方法的研究。所用數(shù)據(jù)為L(zhǎng)evel 1數(shù)據(jù)和VFM數(shù)據(jù)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

選取了和盧博相同的黃海2007—2012年35次海表誤判案例[20]，分別統(tǒng)計(jì)分析了海表誤判區(qū)附近1 km以下整層云和氣溶膠的衰減后向散射特性，得到了云和氣溶膠在532 nm通道和1 064 nm通道衰減后向散射統(tǒng)計(jì)分布，色比統(tǒng)計(jì)分布以及532 nm通道退偏比統(tǒng)計(jì)分布，結(jié)果與盧博的相同，如圖3所示。

((a) 532 nm通道衰減后向散射系數(shù)概率分布。The statistical distributions of 532 nm layer-integrated attenuated backscatters；(b) 1 064 nm通道衰減后向散射系數(shù)概率分布。The statistical distributions of 1 064 nm layer-integrated attenuated backscatters；(c) 色比概率分布。The statistical distributions of layer-integrated color ratio；(d) 532 nm通道退偏比概率分布。The statistical distributions of 532 nm layer-integrated depolarization ratio.)

圖3 整層云和氣溶膠衰減后向散射特性
Fig.3 The statistical distributions of layer-integrated attenuated backscatter

從圖3可以看出，不論是在532 nm通道還是1 064 nm通道，或是色比、退偏比，云和氣溶膠的統(tǒng)計(jì)分布都存在較大差異：在532和1 064 nm通道云和氣溶膠衰減后向散射系數(shù)的分布范圍、極值點(diǎn)位置、極值點(diǎn)大小都不相同；就色比統(tǒng)計(jì)分布而言，云和氣溶膠極值點(diǎn)位置和極值點(diǎn)大小也不盡相同；雖然云和氣溶膠退偏比統(tǒng)計(jì)分布的分布范圍、極值點(diǎn)位置都很相似，但是極值點(diǎn)大小卻存在明顯不同。

考慮到CALIOP能探測(cè)的云和氣溶膠有效光學(xué)厚度極限問(wèn)題，進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)了上述區(qū)域云和氣溶膠層頂下3個(gè)bin(90 m)范圍內(nèi)衰減后向散射特性，以及海表誤判區(qū)的衰減后向散射統(tǒng)計(jì)特性(見(jiàn)圖4)。

從圖4可以看出，海表誤判區(qū)與低云在532 nm通道和1 064 nm通道衰減后向散射系數(shù)統(tǒng)計(jì)分布、色比統(tǒng)計(jì)分布、退偏比統(tǒng)計(jì)分布的分布范圍、極值點(diǎn)位置、極值點(diǎn)大小以及分布曲線(xiàn)的形狀都十分接近，而與低空氣溶膠的有明顯區(qū)別。因此，本文認(rèn)為海表誤判區(qū)可以看作是海霧。

((a) 532 nm通道衰減后向散射系數(shù)概率分布。The statistical distributions of 532 nm attenuated backscatters;(b) 1064 nm通道衰減后向散射系數(shù)概率分布。The statistical distributions of 1064 nm attenuated backscatters;(c) 色比概率分布。The statistical distributions of color ratio;(d) 532 nm通道退偏比概率分布。The statistical distributions of 532 nm depolarization ratio.)

圖4 云和氣溶膠層頂下3個(gè)bin范圍內(nèi)以及海表誤判區(qū)衰減后向散射特性
Fig.4 The statistical distributions of 3 bins attenuated backscatter under the top

另外，通過(guò)對(duì)比圖3和4可以看出，整層氣溶膠和層頂下3個(gè)bin范圍內(nèi)氣溶膠衰減后向散射特性一致，而整層云和云頂下3個(gè)bin范圍內(nèi)云的衰減后向散射特性存在較大差別。根據(jù)上文中的理論分析，認(rèn)為圖4較準(zhǔn)確的反應(yīng)了云和氣溶膠真實(shí)的衰減后向散射特性。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

由于霧的水平能見(jiàn)度小于1 km[22]，以下通過(guò)反演海表誤判區(qū)的能見(jiàn)度來(lái)驗(yàn)證海表誤判區(qū)是否為海霧，為此，需先求解海表誤判區(qū)的消光系數(shù)。

由于CALIOP探測(cè)器瞬時(shí)響應(yīng)并不理想，對(duì)于強(qiáng)散射信號(hào)存在明顯的拖尾現(xiàn)象[26-28]，本文采用了Li的方法校正衰減后向散射系數(shù)和計(jì)算消光系數(shù)[16]。瞬時(shí)響應(yīng)函數(shù)表示為：

(1)

然后通過(guò)去卷積求得衰減后向散射的準(zhǔn)確值。考慮到多次散射的影響，消光系數(shù)可以表示為[16]：

(2)

其中：σ為云頂部的平均消光系數(shù)；r為云頂內(nèi)的距離；η為多次散射因子；β0為水云內(nèi)衰減后向散射峰值。

根據(jù)地面氣象觀(guān)測(cè)規(guī)范的規(guī)定，氣象能見(jiàn)度定義為在當(dāng)時(shí)的天氣條件下，視力正常的人能夠從天空背景中看到和辨認(rèn)出目標(biāo)物(黑色，大小適度)的最大水平距離。氣象能見(jiàn)度由大氣的消光系數(shù)決定[9]。對(duì)于在水平方向上均勻的大氣來(lái)說(shuō)，其能見(jiàn)度由Koschmieder公式[1]表示為：

(3)

一個(gè)視力正常的人以天空為背景觀(guān)察足夠大的黑體目標(biāo)時(shí)，ε=0.02，則能見(jiàn)度可以簡(jiǎn)化為[8]：

(4)

盡管實(shí)際情況下上述條件并不能全部滿(mǎn)足，但是一般而言，公式(4)計(jì)算的能見(jiàn)度誤差在+10%以?xún)?nèi)[9]。

根據(jù)上述方法，計(jì)算得到黃海2007—2012年35次海表誤判區(qū)域，共9 731個(gè)采樣點(diǎn)的消光系數(shù)和能見(jiàn)度分布分別如圖5所示。

圖5 35次海表誤判事件的消光系數(shù)分布和能見(jiàn)度分布Fig.5 The extinction coefficient and visibility statistical distributions of 35 times sea surface misjudged

在此基礎(chǔ)上，本文選取了2011年黃海103次海表誤判現(xiàn)象，使用上述相同方法計(jì)算得到了共7 470個(gè)采樣點(diǎn)的消光系數(shù)和能見(jiàn)度分布，分別如圖6所示。由于能見(jiàn)度大于1 km的數(shù)據(jù)點(diǎn)僅占全部能見(jiàn)度數(shù)據(jù)點(diǎn)的0.8%，所以予以忽略，僅展現(xiàn)能見(jiàn)度低于1 km的數(shù)據(jù)點(diǎn)的消光系數(shù)和能見(jiàn)度分布情況。

4 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)比分析研究了不同條件下低云和低空氣溶膠的衰減后向散射特性,研究CALIOP海表誤判區(qū)的衰減后向散射特性，發(fā)現(xiàn)了海表誤判區(qū)與云的衰減后向散射特性相一致，得出了海表誤判區(qū)是海霧的結(jié)論。本文將反演云能見(jiàn)度的方法應(yīng)用于反演海霧能見(jiàn)度，通過(guò)反演海表誤判區(qū)的消光系數(shù)和能見(jiàn)度，發(fā)現(xiàn)海表誤判區(qū)的能見(jiàn)度小于1 km的區(qū)域所占比例多于99%，進(jìn)一步驗(yàn)證了海表誤判區(qū)是海霧的結(jié)論。

圖6 2011年184次海表誤判事件的消光系數(shù)分布和能見(jiàn)度分布Fig.6 The extinction coefficient and visibility statistical distributions of 184 times sea surface misjudged in 2011

本文通過(guò)對(duì)CALIOP海表誤判區(qū)特性的分析提出了一種新的海霧檢測(cè)方法，豐富了海霧案例選取途徑，為研究海霧特性拓展了樣本點(diǎn)來(lái)源。

致謝：感謝NASA的蘭利研究中心ASDC提供的CALIOP激光雷達(dá)數(shù)據(jù)。

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AMethodforSeaFogDetectionUsingCALIOPData

ZHAO Jing-Cong1， WU Dong1,2, ZHAO Yao-Tian1

(1.College of Information Scienceand Engineering, Ocean University of China, Qingdao 266100, China; 2.Laboratory for Regional Oceanography and Numerical Modeling,Qingdao National Laboratory for Marine Science and Technology,Qingdao 266200,China)

A method for sea fog detection using the measurement data acquired by the Cloud-Aerosol Lidar with Orthogonal Polarization (CALIOP) aboard the Cloud-Aerosol Lidar and Infrared Pathfinder Satellite Observation (CALIPSO) satellite is proposed in this paper.The characteristics of the backscattersoflow clouds and low aerosols under two different conditions were analyzed.The statistics of 3 bins below cloud top expresse the real characteristics of backscatters preferably. However, there is no difference for aerosol under the two conditions.Then the characteristic of backscatter for misjudgedsea surface is analyzed and compared with cloud and aerosol. It makes out that the misjudged sea surface is a kind of cloud whose base is attached with sea surface.Summarily the misjudged sea surface is sea fog.In order to verify this conclusion, extinction coefficient and visibility of sea surface which is misjudged were retrieved. It turned out that only 1.95 percent of visibility is greater than 1 kilometer and most of visibility is less than 0.3 kilometer. So it reachesa conclusion that the misjudged sea surface is sea fog. The method of sea fog detection proposed in this paper has enriched the way to detect sea fog and made a difference on researching characteristics of sea fog.

CALIOP; sea fog; cloud; aerosol; backscatter

P407.5

A

1672-5174(2017)12-009-07

責(zé)任編輯 龐 旻

10.16441/j.cnki.hdxh.20170002

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ZHAO Jing-Cong, WU Dong, ZHAO Yao-Tian. A method for sea fog detection using CALIOP data[J].Periodical of Ocean University of China, 2017, 47(12): 9-15.

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41376180)資助

Supported by the National Natural Science Foundation of China(41376180)

2017-01-03；

2017-02-27

趙經(jīng)聰(1990-)，男，碩士生。

** 通訊作者： E-mail：dongwu@ouc.edu.cn