FY-3衛(wèi)星積雪監(jiān)測產(chǎn)品概述及在遙感服務中的應用

武勝利,劉 暢,陳 潔

(中國氣象局 國家衛(wèi)星氣象中心，北京 100081)

0 引言

作為全球水循環(huán)中的重要參數(shù)，積雪覆蓋、積雪深度、雪水當量等積雪參數(shù)是氣象、氣候、水文、農(nóng)業(yè)等領域的研究者所關注的目標[1-6]。FY-3衛(wèi)星是我國新一代極軌氣象衛(wèi)星，目前已發(fā)射3顆。根據(jù)其過境時間不同，衛(wèi)星分上午星與下午星，其中FY-3A星、FY-3C星為上午星，F(xiàn)Y-3B星為下午星。目前，F(xiàn)Y-3A，B，C星形成了上下午組網(wǎng)觀測，對我國大部分區(qū)域進行高時空分辨率對地掃描[7-10]，并對大范圍積雪特征進行有效提取[11-12]。衛(wèi)星積雪監(jiān)測結果在防災減災、應對氣候變化等方面發(fā)揮了重要作用[13]。在防災減災方面，衛(wèi)星對雪災發(fā)生時的積雪覆蓋、積雪深度、雪水當量等參數(shù)進行準確提取，為防災減災提供客觀、有效的參考數(shù)據(jù)。在應對氣候變化方面，衛(wèi)星對長時間序列、時空連續(xù)的積雪覆蓋、雪水當量進行連續(xù)監(jiān)測，所監(jiān)測的數(shù)據(jù)為大范圍或局地氣候變化模型提供可靠的輸入數(shù)據(jù)，從而為模型改進提供幫助[14-15]。

目前，國家衛(wèi)星氣象中心已在衛(wèi)星積雪監(jiān)測方面開展了大量的研究、業(yè)務化以及數(shù)據(jù)庫建設工作，初步具備了對全國乃至全球積雪進行監(jiān)測的能力，能為遙感服務提供穩(wěn)定的積雪監(jiān)測產(chǎn)品和服務材料。

1 積雪監(jiān)測產(chǎn)品概述

1.1 FY-3衛(wèi)星積雪監(jiān)測產(chǎn)品傳感器

FY-3衛(wèi)星積雪監(jiān)測產(chǎn)品傳感器包括可見光-紅外傳感器和微波成像遙感傳感器。其中：可見光-紅外傳感器為中分辨率光譜成像儀(MERSI)和多通道掃描輻射計(VIRR)，微波成像遙感傳感器為微波成像儀(MWRI)。

MERSI是一個20通道的可見光-紅外光譜儀，最高空間分辨率為250 m；VIRR是一個10通道的可見光-紅外光譜儀，空間分辨率為1 km；MWRI是一個10通道的被動微波遙感輻射計，具有成像功能，網(wǎng)格化后的亮溫空間分辨率為25 km。

1.2 FY-3衛(wèi)星積雪監(jiān)測產(chǎn)品

1) 可見光-近紅外積雪監(jiān)測產(chǎn)品

FY-3衛(wèi)星利用可見光-紅外遙感數(shù)據(jù)對積雪覆蓋進行判識，獲取積雪覆蓋產(chǎn)品。該產(chǎn)品主要原理為：雪在可見光波段反射率高，在近紅外波段反射率隨雪粒尺寸增大而降低。衛(wèi)星采用標準化差分積雪指數(shù)(NDSI)，配合不同波段的反射率特征，通過閾值法區(qū)分云、水、雪等[16]。利用MERSI、VIRR區(qū)分積雪覆蓋區(qū)域和云蓋、無雪覆蓋區(qū)域，從而獲取積雪覆蓋產(chǎn)品。FY-3衛(wèi)星可見光-紅外遙感數(shù)據(jù)所獲取的積雪覆蓋產(chǎn)品空間分辨率為1 km。

目前，國家衛(wèi)星氣象中心針對積雪事件可以提供每日積雪覆蓋產(chǎn)品，每周積雪覆蓋合成產(chǎn)品，并根據(jù)氣候變化提供每個雪季的全國積雪覆蓋產(chǎn)品。

2) 微波遙感積雪監(jiān)測產(chǎn)品

FY-3衛(wèi)星利用微波遙感數(shù)據(jù)能獲取積雪深度、雪水當量等積雪定量信息。該產(chǎn)品主要原理為：在積雪覆蓋地表，積雪層的冰粒子對不同頻率的微波輻射具有不同輻射和散射作用。對于低頻波段，積雪覆蓋地表的積雪散射作用較弱，傳感器能獲取積雪覆蓋下墊面的輻射信息。對于高頻波段，積雪覆蓋地表的積雪散射作用相對較強，而下墊面輻射信息在積雪雪層中受到大量衰減，大部分輻射能量無法向上輻射至傳感器。因此，隨著積雪深度或雪水當量的增加，不同頻率通道的亮溫值差異將會隨之變化。根據(jù)這種差異，衛(wèi)星能獲取積雪深度或雪水當量信息[17]。

3) 可見光-紅外積雪監(jiān)測產(chǎn)品與微波遙感積雪監(jiān)測產(chǎn)品的對比

可見光-紅外積雪監(jiān)測產(chǎn)品與微波遙感積雪監(jiān)測產(chǎn)品各有利弊。可見光-紅外積雪監(jiān)測產(chǎn)品的優(yōu)點有2點：一是具有較高空間分辨率，能獲取細節(jié)更清晰的積雪覆蓋信息；二是監(jiān)測產(chǎn)品較直觀，利用多通道合成圖可識別積雪覆蓋區(qū)域。缺點有3點：一是易受到云蓋影響，無法獲取云蓋下積雪覆蓋信息；二是無法在夜間進行積雪覆蓋觀測；三是只能獲取積雪覆蓋信息，無法從機理上獲取積雪深度信息。微波遙感積雪監(jiān)測產(chǎn)品的優(yōu)點有3點：一是不受云蓋影響，在大部分情況下，利用微波遙感手段可直接獲取云蓋下積雪信息；二是由于微波遙感獲取的是亮溫輻射能量，因此不受晝夜影響，夜間也可獲取積雪信息；三是能對探測深度在1 m以上的干燥積雪進行積雪深度、雪水當量的觀測。缺點有3點：一是空間分辨率低，網(wǎng)格化后的各通道空間分辨率僅為25 km；二是微波成像儀數(shù)據(jù)反映不同通道能量分布，無法直接進行地物判讀；三是由于濕雪表層或內(nèi)部水分會大幅增加其介電常數(shù)，從而阻止微波能量穿透，因此無法監(jiān)測濕雪深度和雪水當量?？梢姽?紅外遙感積雪監(jiān)測產(chǎn)品與微波遙感積雪監(jiān)測產(chǎn)品對比見表1。

2 FY-3衛(wèi)星積雪監(jiān)測產(chǎn)品在遙感服務中的應用

2.1 雪災遙感服務

近年來，國家衛(wèi)星氣象中心利用FY-3衛(wèi)星可見光-紅外傳感器、微波遙感傳感器對多次雪災的發(fā)生、發(fā)展進行了監(jiān)測評估，提供了雪災遙感服務。

1) 積雪監(jiān)測產(chǎn)品在西藏南部大范圍降雪過程中的應用

2013年10月14日，西藏西南部受孟加拉灣超級氣旋風暴“費林”與冷空氣的共同影響，雨雪天氣加強，局地出現(xiàn)了暴雪。日喀則南部地區(qū)(包括珠穆朗瑪峰所在的定日縣)出現(xiàn)暴雪天氣，珠穆朗瑪峰大本營附近積雪深度達70～80 cm。10月15日后，

表1 可見光-紅外遙感積雪監(jiān)測產(chǎn)品與微波遙感積雪監(jiān)測產(chǎn)品對比

隨著日喀則南部降水減弱，定日縣天氣好轉(zhuǎn)，國家衛(wèi)星氣象中心抓住10月16日當?shù)厍缈諘r機，對FY-3C/VIRR，MERSI資料進行了處理，形成了FY-3C/VIRR西藏自治區(qū)日喀則市積雪監(jiān)測多通道合成圖(如圖1所示)、積雪監(jiān)測專題圖、FY-3C/MERSI積雪監(jiān)測多通道合成圖，并估算了聶拉木、定日、定結等縣的積雪覆蓋面積，及時向西藏自治區(qū)氣象局遙感中心等部門提供西藏日喀則市積雪監(jiān)測報告等服務。

2) 積雪監(jiān)測產(chǎn)品在我國東北、內(nèi)蒙古地區(qū)大范圍雪災中的應用

2012年11月上旬，我國北方連續(xù)出現(xiàn)大范圍積雪天氣，造成內(nèi)蒙古大部分地區(qū)出現(xiàn)持續(xù)的大范圍積雪覆蓋。國家衛(wèi)星氣象中心即時利用FY-3衛(wèi)星微波成像儀對我國東北、內(nèi)蒙古地區(qū)的積雪深度進行監(jiān)測，制作的積雪深度圖如圖2所示。從圖2可見：11月上旬起，內(nèi)蒙古中東部積雪覆蓋面積逐漸增大，影響范圍主要在錫林郭勒、赤峰市、通遼市、烏蘭察布盟等地區(qū)。11月下旬，呼倫貝爾市、興安盟等地區(qū)也出現(xiàn)了大范圍深度5 cm以上的積雪覆蓋，內(nèi)蒙古中東部的絕大部分地區(qū)都被積雪深度5 cm以上的積雪覆蓋，部分地區(qū)積雪深度在10 cm以上。12月后，隨著新一輪降雪天氣過境，內(nèi)蒙古中東部地區(qū)的積雪量持續(xù)增加，積雪深度明顯增大，其中錫林郭勒盟、呼倫貝爾市、赤峰市、通遼市、烏蘭察布盟的部分地區(qū)積雪深度在15 cm以上。FY-3衛(wèi)星微波遙感為相關部門提供持續(xù)、可靠的積雪深度變化信息，為防災減災提供直接支撐。

2.2 氣候變化遙感服務

近年來，國家衛(wèi)星氣象中心利用FY-3衛(wèi)星對積雪覆蓋、積雪深度、雪水當量等信息進行長時間序列的衛(wèi)星遙感，獲取特定區(qū)域、全國、全球的積雪相關信息，可為氣候變化遙感服務提供有效參考數(shù)據(jù)。

國家衛(wèi)星氣象中心制作的2012年度冬季全國積雪日數(shù)圖如圖3所示。從圖3可見：2012年冬季積雪累計日數(shù)超過60 d的區(qū)域主要分布在東北大部分、內(nèi)蒙古中東部和東北部、新疆北部、青藏高原東南部、西北地區(qū)東部等，這些區(qū)域中大部分地區(qū)的積雪累計日數(shù)超過100 d，青藏高原西部，西北地區(qū)東部，華北、黃淮的局部地區(qū)的積雪累計日數(shù)為40～60 d。

積雪日數(shù)距平圖可以反映當年積雪覆蓋與常年同期的差異，為冬季北方地區(qū)降水分布評估和雪災預警提供依據(jù)。FY-3衛(wèi)星2012年度冬季全國積雪日數(shù)距平圖(與1989年以來同期平均值相比)如圖4所示。由圖4可見：2012年度冬季積雪日數(shù)正距平30 d以上的區(qū)域主要位于東北西部、內(nèi)蒙古中東部等地區(qū)；積雪日數(shù)負距平為-30～-50 d的區(qū)域主要在青藏高原中北部部分地區(qū)、西北地區(qū)中部局部等。

目前，國家衛(wèi)星氣象中心已建立了2000年以來的可見光-紅外遙感全國積雪監(jiān)測數(shù)據(jù)庫，正在整理1978年以來的微波遙感全國積雪深度、雪水當量監(jiān)測數(shù)據(jù)庫。與地面氣象站點觀測資料相比，上述數(shù)據(jù)庫將為積雪監(jiān)測服務提供更可靠的數(shù)據(jù)支撐。積雪覆蓋產(chǎn)品精度優(yōu)于90%，積雪深度產(chǎn)品精度優(yōu)于10 cm，雪水當量產(chǎn)品精度優(yōu)于10 mm。以上產(chǎn)品精度在不同區(qū)域有所不同，平原地區(qū)產(chǎn)品精度優(yōu)于山區(qū)產(chǎn)品精度。

針對FY-3衛(wèi)星積雪監(jiān)測產(chǎn)品的算法及驗證，國內(nèi)部分研究機構進行了相關研究。對比結果顯示，F(xiàn)Y-3衛(wèi)星微波成像儀積雪深度產(chǎn)品精度在中國大部分區(qū)域優(yōu)于美國先進微波輻射計(AMSR-E)積雪深度產(chǎn)品[18-20]。

3 積雪監(jiān)測產(chǎn)品的發(fā)展展望

3.1 可見光-近紅外遙感手段與微波遙感手段進行融合，獲取多源衛(wèi)星遙感積雪監(jiān)測產(chǎn)品

將可見光-近紅外遙感和微波遙感2種遙感手段融合，是獲取更高精度積雪監(jiān)測產(chǎn)品的有效手段。目前主要實現(xiàn)途徑為：在有云覆蓋區(qū)域，使用被動微波遙感積雪觀測數(shù)據(jù)；在無云覆蓋區(qū)域，將可見光-近紅外遙感數(shù)據(jù)獲取的高空間分辨率積雪覆蓋產(chǎn)品與被動微波遙感數(shù)據(jù)獲取的低空間分辨率積雪深度、雪水當量產(chǎn)品進行融合，得到更高空間分辨率的積雪深度、雪水當量產(chǎn)品。上述工作的難點主要有2點：第一，地形、水體、下墊面類型、風速、溫度等影響因素在積雪深度、雪水當量空間分布中的作用如何用理論模型進行描述需深入研究；第二，光學遙感與微波遙感融合過程必然涉及到空間分辨率差異問題，光學遙感1 km或更高空間分辨率的積雪覆蓋信息如何與微波遙感數(shù)十千米空間分辨率的積雪深度、雪水當量信息融合，是獲取更高分辨率的積雪覆蓋或積雪深度、雪水當量產(chǎn)品的關鍵。對于第2點，可采用積雪參數(shù)的空間分布特征及地面站點的觀測資料作為先驗知識進行融合。

3.2 改進積雪參數(shù)反演模式

目前，全球最先進的積雪參數(shù)反演算法是將被動微波遙感觀測數(shù)據(jù)與地面積雪觀測數(shù)據(jù)相融合，將積雪輻射傳輸模型作為核心媒介，進行積雪深度、雪水當量等參數(shù)的反演。芬蘭氣象局利用以上思路建立了GlobSnow系統(tǒng)，將HUT積雪模型作為驅(qū)動模型，地面觀測站點數(shù)據(jù)以及被動微波輻射計觀測數(shù)據(jù)作為輸入，對積雪粒徑參數(shù)進行時空反演，從而獲取更準確的積雪深度、雪水當量信息。GlobSnow系統(tǒng)對北美、北歐、西伯利亞等地區(qū)分別進行了驗證[21]。結果表明：與傳統(tǒng)方法相比，該系統(tǒng)獲取的積雪深度、雪水當量的精度更高[22]。目前，國家衛(wèi)星氣象中心正在與芬蘭氣象局、加拿大環(huán)境部等合作，希望能夠引進該系統(tǒng)，計劃針對系統(tǒng)模型和地面觀測進行適應性改進，并已將大量國內(nèi)地面觀測站點觀測數(shù)據(jù)納入GlobSnow系統(tǒng)，使GlobSnow雪水當量產(chǎn)品精度有所提高。國家衛(wèi)星氣象中心將對地面積雪參數(shù)進行連續(xù)觀測，對GlobSnow系統(tǒng)中的參數(shù)進行進一步針對性的訂正。

4 結束語

衛(wèi)星積雪監(jiān)測產(chǎn)品在遙感服務中的重要性毋庸置疑，如何獲取更高時間分辨率、空間分辨率、數(shù)據(jù)精度的積雪監(jiān)測產(chǎn)品是遙感服務部門的關注目標。本文對獲取積雪監(jiān)測產(chǎn)品的遙感數(shù)據(jù)進行概述，對產(chǎn)品反演生成過程進行了闡述及分析，對積雪監(jiān)測產(chǎn)品在遙感服務中的應用情況進行了分析和示例，對積雪監(jiān)測產(chǎn)品未來發(fā)展前景進行了闡述。FY-3衛(wèi)星積雪監(jiān)測產(chǎn)品目前已能基本滿足遙感服務所需的遙感數(shù)據(jù)需求。隨著遙感服務需求的日益提升，衛(wèi)星積雪監(jiān)測產(chǎn)品的質(zhì)量需進一步改善。

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