風(fēng)云衛(wèi)星在沙塵天氣監(jiān)測(cè)中的業(yè)務(wù)應(yīng)用

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一、引言

沙塵天氣是干旱地區(qū)和半干旱地區(qū)特有的災(zāi)害性天氣，多發(fā)區(qū)域往往自然條件惡劣、氣象觀測(cè)臺(tái)站分布少，傳統(tǒng)的地面觀測(cè)存在大面積觀測(cè)空白區(qū)，對(duì)沙塵天氣監(jiān)測(cè)與研究有很大的局限性。衛(wèi)星遙感技術(shù)利用大氣懸浮沙塵粒子的光譜輻射特性及其與云、裸地、植被和水體等光譜輻射特性的相對(duì)差異，實(shí)現(xiàn)對(duì)大氣中沙塵信息的提取。衛(wèi)星遙感技術(shù)的發(fā)展打破了傳統(tǒng)地面沙塵監(jiān)測(cè)的許多制約因素，其直觀、監(jiān)測(cè)范圍廣、動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)能力強(qiáng)、精度高和時(shí)效性強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)為大范圍系統(tǒng)性監(jiān)測(cè)沙塵天氣的發(fā)生、移動(dòng)和沉降以及定量遙感沙塵特性提供了超乎尋常的手段，衛(wèi)星遙感技術(shù)在沙塵天氣動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和定量研究中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。

二、沙塵天氣衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)發(fā)展

利用衛(wèi)星遙感技術(shù)對(duì)沙塵天氣開(kāi)展研究始于1970 年代，Shenk 和 Curran[1]、Carlson[2]、Norton[3]利用衛(wèi)星可見(jiàn)光、紅外波段監(jiān)測(cè)沙塵并估算光學(xué)厚度，但單一通道數(shù)據(jù)判識(shí)存在很大局限性。隨著星載傳感器更新，運(yùn)用可見(jiàn)光和紅外通道反演沙塵技術(shù)形成了可見(jiàn)光近紅外的VIR技術(shù)和熱紅外的TIR技術(shù)兩類(lèi)，可見(jiàn)光近紅外VIR技術(shù)可實(shí)現(xiàn)暗背景上空的沙塵監(jiān)測(cè)[4]，根據(jù)不同衛(wèi)星的不同傳感器，選擇不同反射通道與紅外通道組合運(yùn)用此技術(shù)開(kāi)展沙塵反演[5-6]。熱紅外的TIR技術(shù)不受夜間觀測(cè)條件限制，且張鵬等[7-8]發(fā)展的算法解決了高亮陸表定量沙塵氣溶膠參數(shù)反演，因此該方法在衛(wèi)星定量遙感沙塵的研究中有較大的優(yōu)勢(shì)。

隨著新型傳感器和反演技術(shù)的發(fā)展，紫外、微波、激光雷達(dá)探測(cè)技術(shù)也逐漸在沙塵監(jiān)測(cè)領(lǐng)域開(kāi)展應(yīng)用。Herman[9]定義了可在高亮地表上空實(shí)現(xiàn)沙塵反演的紫外波段氣溶膠指數(shù), 國(guó)內(nèi)一些學(xué)者利用該指數(shù)對(duì)沙塵天氣強(qiáng)度、影響范圍和傳播開(kāi)展分析；Huang[10]發(fā)展了一種利用微波技術(shù)識(shí)別部分云下區(qū)域沙塵的方法即極化亮溫差（MPI）方法,初步彌補(bǔ)了可見(jiàn)光和紅外技術(shù)無(wú)法有效監(jiān)測(cè)有云時(shí)沙塵范圍的不足；衛(wèi)星攜帶的世界上首個(gè)應(yīng)用型星載云和氣溶膠激光雷達(dá)CALIOP使全球范圍的沙塵三維分布的探測(cè)成為可能[11]。

此外，不少沙塵遙感研究是結(jié)合天氣學(xué)特點(diǎn)，利用衛(wèi)星云圖對(duì)沙塵天氣發(fā)生的天氣云系背景進(jìn)行分析，以提高對(duì)沙塵暴天氣系統(tǒng)發(fā)生、發(fā)展機(jī)理及其結(jié)構(gòu)特征的認(rèn)識(shí)，增強(qiáng)沙塵預(yù)報(bào)能力[12-13]。

縱觀沙塵遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展，沙塵遙感監(jiān)測(cè)使用的衛(wèi)星從最開(kāi)始僅使用極軌氣象衛(wèi)星發(fā)展到極軌、靜止氣象衛(wèi)星全面應(yīng)用；使用的傳感器從光學(xué)傳感器擴(kuò)展至微波、激光雷達(dá)等傳感器；沙塵的遙感監(jiān)測(cè)方法從利用單通道數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)發(fā)展到多通道組合應(yīng)用，波段使用也從常規(guī)的可見(jiàn)光、紅外波段，發(fā)展、細(xì)化到了可見(jiàn)光、近紅外、熱紅外、紫外波段、微波等，多光譜信息的綜合應(yīng)用顯著提高了沙塵判識(shí)的準(zhǔn)確率；沙塵遙感的研究方向也拓展為產(chǎn)生沙塵天氣的云型特征分類(lèi)分析、沙塵產(chǎn)品的反演、沙塵的分布和傳播以及下墊面對(duì)沙塵災(zāi)害形成、演化貢獻(xiàn)的研究等；沙塵遙感監(jiān)測(cè)反演的沙塵產(chǎn)品也從單純的沙塵區(qū)域識(shí)別，逐漸發(fā)展為多元化的衛(wèi)星定量遙感沙塵信息的產(chǎn)品，包括沙塵氣溶膠的光學(xué)厚度、沙塵粒子尺度、沙塵柱濃度、沙塵三維分布等。

三、風(fēng)云衛(wèi)星沙塵遙感監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)

我國(guó)西北地區(qū)以及與我國(guó)接壤的蒙古國(guó)存在大片沙源地，因此我國(guó)沙塵天氣既有沙源地附近發(fā)生、發(fā)展出的強(qiáng)沙塵天氣，又有隨天氣系統(tǒng)向下游傳播的揚(yáng)沙、浮塵天氣以及擴(kuò)散的沙塵氣溶膠，具有豐富的沙塵天氣類(lèi)型，針對(duì)不同類(lèi)型沙塵天氣監(jiān)測(cè)需求，在實(shí)際應(yīng)用服務(wù)中逐漸發(fā)展出多種沙塵遙感監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)產(chǎn)品。目前在軌業(yè)務(wù)運(yùn)行的風(fēng)云二號(hào)（FY-2）、風(fēng)云三號(hào)（FY-3）、風(fēng)云四號(hào)（FY-4）系列氣象衛(wèi)星等均具備沙塵監(jiān)測(cè)能力，可通過(guò)風(fēng)云衛(wèi)星地面應(yīng)用系統(tǒng)提供業(yè)務(wù)化的沙塵自動(dòng)產(chǎn)品，還可利用衛(wèi)星監(jiān)測(cè)分析與遙感應(yīng)用系統(tǒng)（SMART）和衛(wèi)星天氣應(yīng)用平臺(tái)（SWAP）等業(yè)務(wù)平臺(tái)人機(jī)交互獲得沙塵監(jiān)測(cè)產(chǎn)品，本節(jié)著重介紹目前國(guó)家衛(wèi)星氣象中心基于風(fēng)云衛(wèi)星發(fā)展的沙塵遙感監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)產(chǎn)品。

1. 沙塵彩色合成圖產(chǎn)品

通過(guò)氣象衛(wèi)星不同通道探測(cè)值的組合可以得到多通道彩色合成圖，根據(jù)沙塵特有的色調(diào)、紋理、形狀等影像特征，輔以地面實(shí)時(shí)觀測(cè)的常規(guī)氣象資料，根據(jù)通道判識(shí)閾值對(duì)沙塵區(qū)進(jìn)行識(shí)別，得到沙塵判識(shí)的二值數(shù)據(jù)，通過(guò)附色可得到沙塵監(jiān)測(cè)示意圖產(chǎn)品，進(jìn)而對(duì)沙塵影響范圍、沙塵覆蓋面積、沙塵對(duì)交通和土地利用影響等開(kāi)展定量評(píng)估。FY-3系列氣象衛(wèi)星彩色合成圖像上沙塵區(qū)為沙黃色且有順風(fēng)向的紋理，地面裸沙也為沙黃色但無(wú)順風(fēng)向的紋理，有植被的地面為暗綠色，沙塵區(qū)色調(diào)的深淺可反映沙塵濃度高低，色調(diào)越深表示沙塵濃度越大。FY-4A氣象衛(wèi)星搭載的先進(jìn)靜止軌道輻射成像儀（AGRI）使得靜止衛(wèi)星同樣可獲取沙塵彩色合成圖，為高頻次、直觀的沙塵監(jiān)測(cè)提供可能。

2. 紅外差值沙塵指數(shù)產(chǎn)品

FY-2系列氣象衛(wèi)星提供的紅外差值沙塵指數(shù)產(chǎn)品（IDDI）是目前國(guó)內(nèi)外靜止衛(wèi)星沙塵暴業(yè)務(wù)產(chǎn)品生成廣泛采用的參數(shù)之一。盧乃錳、胡秀清等[14-16]從2001年開(kāi)始研究靜止氣象衛(wèi)星的自動(dòng)沙塵監(jiān)測(cè)方法，引入該指數(shù)，并開(kāi)發(fā)了靜止氣象衛(wèi)星沙塵自動(dòng)監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)算法。利用紅外通道觀測(cè)到的實(shí)時(shí)目標(biāo)亮溫減去同時(shí)刻晴空大氣地表亮溫，可得到表征由大氣沙塵氣溶膠造成的地氣系統(tǒng)亮溫衰減量，即IDDI指數(shù)。IDDI可作為沙塵強(qiáng)度的半定量參數(shù)，研究和實(shí)際業(yè)務(wù)應(yīng)用表明，IDDI閾值10和15可以分別確定為對(duì)應(yīng)的沙塵和嚴(yán)重沙塵條件[16]。該產(chǎn)品可以充分利用靜止衛(wèi)星高頻次觀測(cè)優(yōu)勢(shì)，動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)沙塵移動(dòng)及強(qiáng)度演變情況。

3. 沙塵分?jǐn)?shù)產(chǎn)品

利用FY-3氣象衛(wèi)星可見(jiàn)光紅外掃描輻射計(jì)（VIRR）研發(fā)了基于動(dòng)態(tài)閾值的沙塵自動(dòng)識(shí)別方法[17]，采用12組判識(shí)標(biāo)準(zhǔn)自動(dòng)檢測(cè)和判識(shí)沙塵天氣，根據(jù)閾值表進(jìn)行綜合信度（沙塵分?jǐn)?shù)）計(jì)算，閾值包括0.64μm反射率、11μm亮溫、3.7μm亮溫、11與12μm亮溫差、11與3.7μm亮溫差、NDSI雪蓋指數(shù)、NDVI植被覆蓋指數(shù)、MNDVI增強(qiáng)植被覆蓋指數(shù)、0.47μm反射率與0.64μm反射率之比、11μm背景亮溫與實(shí)際亮溫差，以及反射率標(biāo)準(zhǔn)差（只針對(duì)海洋）。

FY-4A氣象衛(wèi)星的沙塵檢測(cè)產(chǎn)品[18-19]也以沙塵分?jǐn)?shù)表示，利用AGRI波段特點(diǎn)，設(shè)計(jì)12組沙塵判識(shí)指標(biāo)，沙塵分?jǐn)?shù)由通過(guò)的沙塵檢測(cè)指標(biāo)個(gè)數(shù)及其閾值的PDF函數(shù)決定，沙塵分?jǐn)?shù)越高，越接近標(biāo)準(zhǔn)沙塵光譜統(tǒng)計(jì)值，也即沙塵可能性越大，推薦的沙塵分?jǐn)?shù)16以上為沙塵像元，14—16為可能沙塵像元，14以下為非沙塵像元。

4. 沙塵強(qiáng)度指數(shù)產(chǎn)品

FY-3系列氣象衛(wèi)星可見(jiàn)光紅外掃描輻射計(jì)（VIRR）的沙塵強(qiáng)度指數(shù)產(chǎn)品[20]（DII）可實(shí)時(shí)自動(dòng)提供全球范圍的沙塵識(shí)別結(jié)果和沙塵強(qiáng)度指數(shù)。首先利用可見(jiàn)光、近紅外（1.6μm）、中紅外（3.7μm）和熱紅外分裂窗通道作為主要的沙塵信息提取波段，實(shí)現(xiàn)沙塵信息的自動(dòng)提取，以零值或者非零值來(lái)表示非沙塵區(qū)和沙塵區(qū)。針對(duì)沙塵區(qū)，使用近紅外通道（1.6μm）計(jì)算得到可比強(qiáng)度沙塵指數(shù)[21]，結(jié)合紅外分裂窗通道比值，增加對(duì)弱沙塵區(qū)強(qiáng)度變化的定量描述，最終得到沙塵強(qiáng)度指數(shù)。該產(chǎn)品使用經(jīng)過(guò)歸一化處理的1—100之間的無(wú)量綱數(shù)值代表沙塵強(qiáng)度分布信息，數(shù)值越大表示沙塵強(qiáng)度越強(qiáng)，通常，沙塵強(qiáng)度指數(shù)大于50為沙塵暴強(qiáng)度[22]。

5. 沙塵能見(jiàn)度產(chǎn)品

根據(jù)氣象學(xué)定義，沙塵天氣等級(jí)依據(jù)水平能見(jiàn)度和風(fēng)速，且只有水平能見(jiàn)度可以定量反映沙塵天氣強(qiáng)度。通過(guò)衛(wèi)星遙感方法獲取的沙塵信息主要體現(xiàn)沙塵在垂直方向的分布情況，為了得到以水平能見(jiàn)度為表征的沙塵強(qiáng)度產(chǎn)品，需建立衛(wèi)星遙感獲取的沙塵垂直分布信息和地面水平能見(jiàn)度之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。利用提取的近十年沙塵遙感通道信息和沙塵遙感監(jiān)測(cè)信息，基于氣象常規(guī)觀測(cè)水平能見(jiàn)度數(shù)據(jù)，得到沙塵地面能見(jiàn)度統(tǒng)計(jì)分析模型，構(gòu)建適合業(yè)務(wù)運(yùn)行要求的沙塵天氣強(qiáng)度（水平能見(jiàn)度）反演方法，以反演得到的地面水平能見(jiàn)度表征沙塵天氣強(qiáng)度。利用該產(chǎn)品可直觀地反映出沙塵強(qiáng)度分布，業(yè)務(wù)應(yīng)用顯示該產(chǎn)品與地面站點(diǎn)水平能見(jiàn)度一致性高。該業(yè)務(wù)算法已經(jīng)集成在國(guó)家衛(wèi)星氣象中心業(yè)務(wù)平臺(tái)SMART中，以FY-3系列氣象衛(wèi)星作為數(shù)據(jù)源，輸出該業(yè)務(wù)產(chǎn)品。

6. 大氣氣溶膠光學(xué)厚度產(chǎn)品

FY-3氣象衛(wèi)星中分辨率光譜成像儀（MERSI）的氣溶膠產(chǎn)品光學(xué)厚度產(chǎn)品[17]（AOD）是白天晴空條件下暗地表區(qū)域（水體和較低反射率的濃密植被等）上空的大氣氣溶膠光學(xué)厚度，是利用0.47μm和0.65μm、2.1μm通道觀測(cè)資料反演的470nm、550nm、650nm波長(zhǎng)大氣整層氣溶膠垂直消光光學(xué)厚度，是無(wú)量綱參數(shù)。其中550nm的氣溶膠光學(xué)厚度，是表征大氣混濁度和氣溶膠含量的一個(gè)重要物理量，氣溶膠含量越高，則AOD的值越大。有沙塵天氣發(fā)生時(shí)，AOD可以用于反映大氣中沙塵氣溶膠含量的高低，進(jìn)而判斷沙塵天氣的強(qiáng)弱[23-24]。

7. 吸收性氣溶膠指數(shù)產(chǎn)品

沙塵氣溶膠是吸收性氣溶膠的重要的一種，利用紫外通道數(shù)據(jù)反演參數(shù)來(lái)表征對(duì)紫外線具有吸收性的氣溶膠含量多少和吸收強(qiáng)弱的關(guān)系，可用于沙塵監(jiān)測(cè)。FY-3氣象衛(wèi)星紫外臭氧總量探測(cè)儀（TOU）的吸收性氣溶膠指數(shù)（AAI）定義為AAI=100log10(I360_meas/I360_calc)，其中I360_meas代表波長(zhǎng)360nm處衛(wèi)星觀測(cè)到的輻亮度，I360_calc代表360nm處不考慮氣溶膠影響的條件下理論計(jì)算得到的衛(wèi)星輻亮度模擬值，這兩個(gè)量的比值反映了大氣中對(duì)紫外波段有吸收性的氣溶膠的多少，是無(wú)量綱參數(shù)。一般來(lái)說(shuō)，對(duì)于非吸收性氣溶膠，AAI指數(shù)接近零甚至是負(fù)值，但對(duì)于沙塵類(lèi)吸收性氣溶膠有顯著的指示意義，尤其對(duì)于地面背景很亮的地區(qū)，例如冰雪和有云的地區(qū)，一般的光學(xué)儀器無(wú)法獲取沙塵等吸收性氣溶膠的分布范圍，但AAI指數(shù)受此影響較小。業(yè)務(wù)中沙塵發(fā)生時(shí)往往伴隨著云系存在，光學(xué)通道監(jiān)測(cè)結(jié)果結(jié)合AAI指數(shù)高值區(qū)可排除云的干擾，輔助監(jiān)測(cè)沙塵全貌。

8. 周期統(tǒng)計(jì)產(chǎn)品

利用逐次沙塵判識(shí)得到的定量數(shù)據(jù)生成特定時(shí)間周期內(nèi)，例如月度、年度、季節(jié)等的沙塵分布與發(fā)生頻次，并進(jìn)行沙塵覆蓋面積和累計(jì)影響面積等統(tǒng)計(jì)。圖1為2015年春季氣象衛(wèi)星全國(guó)沙塵頻次統(tǒng)計(jì)，可以看到南疆盆地，內(nèi)蒙古中西部偏北地區(qū)，內(nèi)蒙、吉林、遼寧交界地區(qū)沙塵發(fā)生頻次較高。

圖1 2015年春季（3-5月）氣象衛(wèi)星全國(guó)沙塵頻次圖

四、結(jié)束語(yǔ)

國(guó)家衛(wèi)星氣象中心開(kāi)展衛(wèi)星遙感沙塵監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)十余年之久，業(yè)務(wù)涵蓋沙塵衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)、定量計(jì)算和災(zāi)情評(píng)估等，有對(duì)沙塵起源、傳輸路徑、影響區(qū)域、沙塵定量參數(shù)、沙塵強(qiáng)度、沙塵能見(jiàn)度及災(zāi)情信息等進(jìn)行監(jiān)測(cè)、分析、估算的能力，業(yè)務(wù)實(shí)踐中已經(jīng)形成一套完善的業(yè)務(wù)監(jiān)測(cè)服務(wù)體系，建立穩(wěn)定而持續(xù)的沙塵監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)使全球變暖背景下沙塵頻次和影響等特征分析成為可能。

雖然現(xiàn)有多種針對(duì)沙塵判識(shí)和定量信息的衛(wèi)星遙感反演業(yè)務(wù)產(chǎn)品，并在沙塵監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)中發(fā)揮了極大的作用，但目前業(yè)務(wù)產(chǎn)品存在的一些局限性仍會(huì)對(duì)沙塵的精確監(jiān)測(cè)帶來(lái)影響，如在強(qiáng)沙塵發(fā)生時(shí)，AOD產(chǎn)品無(wú)法得到有效的觀測(cè)產(chǎn)品；吸收性氣溶膠除沙塵氣溶膠外，還包含來(lái)自于化石燃料的燃燒、生物質(zhì)的燃燒和森林火災(zāi)等帶來(lái)的黑碳?xì)馊苣z和有機(jī)碳?xì)馊苣z，而紫外波段反演方法不能區(qū)分吸收性氣溶膠的種類(lèi)，因此AAI產(chǎn)品需要與其他沙塵監(jiān)測(cè)圖像配合使用進(jìn)行沙塵監(jiān)測(cè)分析等。因此，要取得更好的沙塵監(jiān)測(cè)效果，未來(lái)應(yīng)考慮發(fā)展針對(duì)不同衛(wèi)星數(shù)據(jù)、不同沙塵遙感方法之間優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)、相互融合的可業(yè)務(wù)化的反演方法，實(shí)現(xiàn)更客觀全面的沙塵監(jiān)測(cè)，提升衛(wèi)星沙塵定量遙感的準(zhǔn)確性和可靠性?？上驳氖悄壳耙呀?jīng)有一些針對(duì)多源遙感沙塵信息融合反演研究開(kāi)展，例如靜止與極軌衛(wèi)星間的融合處理研究，地面觀測(cè)與衛(wèi)星觀測(cè)的融合應(yīng)用研究[25-26]，可見(jiàn)、紅外、微波綜合判識(shí)沙塵流程實(shí)現(xiàn)[10]等。隨著我國(guó)氣象衛(wèi)星技術(shù)和沙塵遙感方法的不斷發(fā)展，沙塵定量監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)將更加完善。