基于天氣雷達(dá)和極軌衛(wèi)星的火點(diǎn)識(shí)別應(yīng)用

陳有利，丁燁毅，黃鶴樓

(浙江省寧波市氣象臺(tái)，浙江 寧波 315012)

1 引 言

衛(wèi)星遙感可在森林火情、積雪、植被覆蓋、干旱、沙塵暴、臺(tái)風(fēng)、水情、城市熱島等方面開(kāi)展監(jiān)測(cè)工作。進(jìn)入21世紀(jì)，衛(wèi)星遙感也在不斷地拓展著應(yīng)用領(lǐng)域。天氣雷達(dá)在強(qiáng)對(duì)流、臺(tái)風(fēng)、暴雨、颮線等災(zāi)害性天氣監(jiān)測(cè)預(yù)警中發(fā)揮著巨大作用，但國(guó)內(nèi)外對(duì)其在煙塵等空氣污染物監(jiān)測(cè)方面的研究和應(yīng)用還較少。本文利用兩者資料對(duì)寧波亞洲漿紙業(yè)有限公司(亞洲漿紙業(yè))大火進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。通過(guò)這一個(gè)例的分析表明，雷達(dá)和衛(wèi)星資料互為補(bǔ)充，對(duì)高溫?zé)嵩袋c(diǎn)的監(jiān)測(cè)預(yù)警具有重要意義。

2 材料與方法

2.1 火情概況

2006年8月8日5時(shí)18分左右，位于浙江省寧波市北侖區(qū)小港青峙工業(yè)區(qū)宏源路88號(hào)的寧波亞洲漿紙業(yè)有限公司廢紙?jiān)下短於褕?chǎng)突發(fā)大火，成千上萬(wàn)噸用做原料的碎紙陷入火海，廠區(qū)的上空被煙霧籠罩，現(xiàn)場(chǎng)地面溫度一度達(dá)到45 ℃以上，數(shù)十米外就能感覺(jué)到灼人的熱浪，周圍的空氣中彌漫著刺鼻的焦臭味，在離火場(chǎng)10 km外，就能看到天空中升騰著長(zhǎng)龍般的濃煙。此次大火燃燒近40 h，過(guò)火面積約4 600 m2。

2.2 天氣特征

當(dāng)天視場(chǎng)區(qū)域內(nèi)以多云天氣為主，無(wú)降水，地面以東南—東風(fēng)為主，風(fēng)速5～6 m·s-1，高空(500 hPa、700 hPa、850 hPa)基本上為南—東南風(fēng)控制，近地層925 hPa為東南風(fēng)，因該區(qū)域位于沿海，早晚水汽條件較好，有一定濕度。

2.3 位置信息

大火發(fā)生后，我們進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)勘察，并通過(guò)衛(wèi)星定位儀(GPS)對(duì)火點(diǎn)進(jìn)行了定位。衛(wèi)星遙感分析得到的火點(diǎn)位置信息基本上和實(shí)際位置接近(個(gè)別遙感圖因地理位置未完全校正距離相差稍大)，而雷達(dá)分析得到的信息和實(shí)際火點(diǎn)位置有偏差，主要因?yàn)槔走_(dá)探測(cè)到的是漂離火點(diǎn)的煙塵，而不是實(shí)際熱源點(diǎn)。火點(diǎn)位置監(jiān)測(cè)信息詳見(jiàn)表1。

表1 火情實(shí)際位置與監(jiān)測(cè)分析的位置對(duì)比Tab.1 The position comparison of the actual location of the fire and the monitoring analysis

3 結(jié)果與分析

3.1 天氣雷達(dá)

受空氣浮力和空氣流動(dòng)的共同影響，廢紙?jiān)先紵a(chǎn)生的大量煙塵在一定的范圍和高度內(nèi)傳送和擴(kuò)散，在濃度較大的情況下，雷達(dá)回波反應(yīng)明顯，圖1、圖2為各時(shí)次、各層次反射率因子>15 dBz區(qū)域的回波強(qiáng)度特征，雷達(dá)剖面圖見(jiàn)圖3。

圖1 各時(shí)次雷達(dá)回波特征圖(說(shuō)明：仰角為0.5°，時(shí)次為06、11、16、21時(shí)，圖像已作Z≤15 dBz的過(guò)濾處理)Fig.1 Observed radar reflectivity at elevation 0.5°at 0600 BT 8 Aug 2006, 1100 BT 8 Aug 2006, 1600 BT 8 Aug 2006, and 2100 BT 8 Aug 2006

3.1.1 雷達(dá)回波的時(shí)間特征 ①回波因燃燒產(chǎn)生的煙塵反射雷達(dá)電磁波而形成，且大火現(xiàn)場(chǎng)為煙塵的源地，表現(xiàn)在圖1上為下風(fēng)方有一回波極大值區(qū)，在風(fēng)向一定的情況下，回波的上風(fēng)端位置固定。

②回波走向?yàn)闁|南—西北，與925 hPa(基本上為1 000 m高度)的主導(dǎo)風(fēng)向一致。

③回波面積主要受地面火勢(shì)影響，隨地面火勢(shì)的強(qiáng)弱而生消和發(fā)展，由圖1可間接判斷出16時(shí)前火勢(shì)已基本上得到控制。

④回波大值區(qū)的位置基本固定，當(dāng)火勢(shì)一定時(shí)，回波強(qiáng)度也少變。

與降水回波的時(shí)間變化相比，煙塵產(chǎn)生的雷達(dá)回波固定少動(dòng)，強(qiáng)度不是太大，而降水回波的強(qiáng)度和位置一般是變化的。

圖2 10時(shí)左右各層次雷達(dá)回波特征圖(說(shuō)明：仰角層次為0.5°、1.5°、2.4°、3.4°，圖像已作Z≤15dBz的過(guò)濾處理)Fig.2 Observed radar reflectivity larger than 15dBz at elevation 0.5°at 0600 BT 8 Aug 2006, 1100 BT 8 Aug 2006, 1600 BT 8 Aug 2006, and 2100 BT 8 Aug 2006

圖3 10時(shí)左右雷達(dá)剖面圖Fig.3 Cross-section of radar reflectivity at 1000 BT 8 Aug 2006

3.1.2 雷達(dá)回波的空間特征 ①回波發(fā)展高度低，離地約1.5 km左右，只存在于仰角為0.5°、1.5°、2.4°的產(chǎn)品中；煙塵受熱力、浮力和重力等共同影響下不可能升得太高。

②回波面積隨仰角的增大而減小，說(shuō)明煙塵主體在1 km以下。

③可以明顯看到火情源地附近的煙塵柱；在0.5°雷達(dá)產(chǎn)品的剖面圖17～20 km處，自下而上為一回波較強(qiáng)區(qū)，底部最大強(qiáng)度超過(guò)40dBz。

與降水回波的空間變化相比，煙塵產(chǎn)生的雷達(dá)回波只存在于低仰角區(qū)內(nèi)，離地高度低，而降水回波可存在于更高的高度。

綜上所述，煙塵產(chǎn)生的雷達(dá)回波位于火情源地下風(fēng)方，固定少動(dòng)，離地高度低，強(qiáng)度不是太大，在仍有較大火勢(shì)時(shí)強(qiáng)度中心基本不變，但在下風(fēng)方邊界的大小隨時(shí)間有所增大或縮小。

3.2 極軌衛(wèi)星

由于火區(qū)燃燒釋放熱量，致使地表溫度升高，向外發(fā)射紅外輻射值也增大，故被識(shí)別出為異常高溫點(diǎn)。利用衛(wèi)星遙感資料生成的火情圖像，很容易將異常高溫點(diǎn)從環(huán)境中辨別出來(lái)。

CH3的閾值(門檻值)設(shè)置與現(xiàn)場(chǎng)火勢(shì)的強(qiáng)度、環(huán)境氣溫的高低有關(guān)。對(duì)初發(fā)生的火情和基本接近尾聲的火情，因其與背景差別不大，火點(diǎn)不易識(shí)別，這時(shí)CH3的閾值應(yīng)設(shè)低些；隨著環(huán)境溫度升高，火勢(shì)增大，這時(shí)CH3的閾值應(yīng)設(shè)高些。圖4中的紅點(diǎn)就是我們?cè)诓煌瑫r(shí)間中衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)到的火點(diǎn)，其中CH3通道亮溫的閾值設(shè)置FY-1D為303 K，NOAA16為325 K，NOAA18為335 K。

圖4 寧波東北部衛(wèi)星遙感圖(白色為云)Fig.4 Satellite remote sensing in northeastern Ningbo (white represents cloud)

4 結(jié)語(yǔ)

文中研究了天氣雷達(dá)和極軌衛(wèi)星的火點(diǎn)識(shí)別應(yīng)用，得到如下結(jié)論：

①天氣雷達(dá)為帶煙塵大火的監(jiān)測(cè)提供了一種新的手段。它能得到燃燒產(chǎn)生的漂浮物在較高的時(shí)間和空間分辨率上的形態(tài)，從而間接分析出地面火勢(shì)。

②燃燒引起的煙塵產(chǎn)生的雷達(dá)回波固定少動(dòng)，中心強(qiáng)度不強(qiáng)、變化不大，且位于下風(fēng)方，邊界大小隨時(shí)間有增減，離地高度低，與降水回波存在明顯的差異。

③天氣雷達(dá)和衛(wèi)星遙感聯(lián)合監(jiān)測(cè)，資料互補(bǔ)，可提高大火監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確度和靈敏度。

在衛(wèi)星遙感資料監(jiān)測(cè)火情時(shí)，隨著環(huán)境溫度的變化，通道閾值可能需要微調(diào)，才能達(dá)到理想的監(jiān)測(cè)效果，在今后的實(shí)踐工作中將進(jìn)一步積累經(jīng)驗(yàn)。

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