2019年春季我國(guó)沙塵天氣衛(wèi)星監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

文 | 劉清華 王新 任素玲

國(guó)家衛(wèi)星氣象中心

一、引言

沙塵天氣是一種具有巨大破壞力的災(zāi)害性天氣，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)、交通、農(nóng)作物、人體健康等均有不利影響。我國(guó)沙塵天氣主要發(fā)生在北方地區(qū)，而在西北廣大地區(qū)的范圍內(nèi)，地面監(jiān)測(cè)站點(diǎn)較少，不能很好地記錄沙塵天氣。氣象衛(wèi)星遙感技術(shù)可以從空間上捕捉沙塵天氣動(dòng)態(tài)信息，是目前監(jiān)測(cè)、跟蹤、分析沙塵天氣最為有效的手段之一。

利用氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行沙塵天氣監(jiān)測(cè)的技術(shù)由單通道監(jiān)測(cè)到多通道綜合應(yīng)用，如20世紀(jì)70年代國(guó)外首先開(kāi)展了利用可見(jiàn)光和紅外通道數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)陸地和水體上空沙塵（Carlson T N 1979，Griggs M 1975）。90年代國(guó)內(nèi)外開(kāi)始綜合多通道數(shù)據(jù)進(jìn)行沙塵監(jiān)測(cè)，包括根據(jù)沙塵粒子在可見(jiàn)光、近紅外、短波紅外、中紅外、熱紅外通道不同于云、地表等其他目標(biāo)物的光譜輻射特性，用閾值法進(jìn)行沙塵信息提取(鄭新江等 2001，方宗義等 2001，胡秀清等2007，羅敬寧等 2015，Zhang P等 2006）。

隨著新型傳感器的發(fā)展，開(kāi)展了利用微波數(shù)據(jù)、高光譜數(shù)據(jù)、激光雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行沙塵天氣監(jiān)測(cè)的相關(guān)研究工作（Huang等 2006，Peyridieu等 2013，Hui Xu等 2013）。同時(shí)，也形成了多個(gè)沙塵定量參數(shù)，典型的如紅外差值沙塵指數(shù)（IDDI），沙塵氣溶膠光學(xué)厚度（AOD）,紫外吸收性氣溶膠指數(shù)（AAI）等。本文結(jié)合地面觀測(cè)和衛(wèi)星自動(dòng)監(jiān)測(cè)產(chǎn)品（包含沙塵定量參數(shù)），采用圖像目視解譯和多光譜綜合分析方法進(jìn)行沙塵天氣監(jiān)測(cè)。

二、沙塵衛(wèi)星監(jiān)測(cè)方法

沙塵中含有大量大小不同的礦物質(zhì)粒子，它們會(huì)吸收、散射、反射太陽(yáng)的短波輻射及地面的長(zhǎng)波輻射,并向外發(fā)射輻射。根據(jù)沙塵粒子的輻射傳輸特性，通過(guò)分析沙塵在不同光譜波段上的發(fā)射和反射特性，同時(shí)結(jié)合沙塵信息的空間分布形態(tài)特征來(lái)遙感監(jiān)測(cè)沙塵，是沙塵災(zāi)害監(jiān)測(cè)（包括沙塵信息提取與強(qiáng)度監(jiān)測(cè)）的主要理論基礎(chǔ)。

1.多光譜綜合分析方法

多光譜綜合分析方法即利用不同的光譜波段對(duì)沙塵氣溶膠有不同的表現(xiàn)，綜合這些特征表現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)沙塵的識(shí)別和變化分析（陸文杰等 2011）。主要包括：

1）在可見(jiàn)光波段和近紅外波段（0.5～1.25μm），沙塵氣溶膠有較高的反射率。

2）在短波紅外波段（1.3～1.9μm），沙塵氣溶膠的反射率高于可見(jiàn)光波段和近紅外波段，而且明顯高于中高云的反射率。在該波段水體反射率很低，地表植被反射率較低，裸土反射率較高，沙漠反射率最高。

3）在中紅外波段（3.5～3.9μm），沙塵氣溶膠散射輻射的絕對(duì)能量低于可見(jiàn)光、近紅外、短波紅外波段，但遠(yuǎn)高于熱紅外波段。沙塵區(qū)的中紅外通道和熱紅外窗區(qū)通道的亮溫差值比其他目標(biāo)亮溫差值大，亮溫差可有效地區(qū)分沙塵區(qū)和地面背景。

4）在熱紅外通道（10.3～12.5μm），沙塵氣溶膠的吸收較強(qiáng)，沙塵的等效黑體亮溫與水體、地表植被、裸土和沙漠有一定的溫度差異。根據(jù)Mie散射理論，干燥沙塵氣溶膠在小粒徑情況下，對(duì)10μm、12μm紅外波段輻射有不同的消光，其中對(duì)10μm波長(zhǎng)消光略強(qiáng)于12μm波長(zhǎng)，使得12μm 通道的亮溫值大于10μm通道，但在大粒徑情況下消光差異不大，此方法稱為紅外分裂窗法。但是，當(dāng)沙塵十分濃厚時(shí)，分裂窗的差異就會(huì)變小，紅外分裂窗法對(duì)強(qiáng)沙塵不敏感。

2.圖像目視解譯方法

在衛(wèi)星圖像中，可以通過(guò)顏色、色調(diào)、紋理和形狀等的特征識(shí)別出沙塵暴區(qū)域。 圖像目視解譯法采用的圖像包括黑白圖像（如靜止氣象衛(wèi)星的可見(jiàn)光通道圖像、紅外通道圖像）和彩色圖像。彩色圖像的通道組合選擇對(duì)沙塵暴敏感的可見(jiàn)光、近紅外和中紅外（或遠(yuǎn)紅外）3 個(gè)光譜波段，賦予紅色、綠色、藍(lán)色，利用加色法合成，得到可以突出沙塵暴信息的假彩色圖像。如果光譜通道足夠，可以選擇可見(jiàn)光的三個(gè)通道，組合成紅色、綠色、藍(lán)色的真彩色圖像。在云圖中，沙塵暴區(qū)有特定的顏色，還有順著風(fēng)向的紋理?！吧硥m羽”的分布受地形走向影響，其邊緣往往和盆地邊緣一致（徐?；?1997）。

另外，針對(duì)光譜通道數(shù)較多的風(fēng)云四號(hào)A星（FY－4A）成像儀云圖，利用8.5μm通道可以區(qū)分沙塵區(qū)和沙漠/戈壁背景區(qū)的特點(diǎn)（Zhang P等 2006），結(jié)合紅外分裂窗法，選擇對(duì)沙塵敏感的FY－4A的3個(gè)紅外通道（8.5μm、11μm和12μm），利用3個(gè)通道數(shù)據(jù)進(jìn)行RGB合成，具體方法見(jiàn)表1，其不受夜晚觀測(cè)條件限制，能提供全天候的沙塵監(jiān)測(cè)。

表1 FY－4A沙塵彩色合成圖像方法

三、2019年春季沙塵監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

基于上述方法，本研究生成了2019年春季（3-5月）的沙塵天氣衛(wèi)星監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)每日監(jiān)測(cè)得到的沙塵影響區(qū)域、沙塵影響面積的累加得到月沙塵發(fā)生日數(shù)、沙塵發(fā)生頻次、沙塵累計(jì)影響面積等數(shù)據(jù)。

2019年春季全國(guó)沙塵頻次圖（圖1）顯示，新疆的南疆盆地沙塵頻次達(dá)到8次，甘肅、內(nèi)蒙古西部地區(qū)沙塵頻次達(dá)到2次，內(nèi)蒙古中東部、東北地區(qū)沙塵頻次達(dá)到2次。與2018年春季（圖2）相比，沙塵在南疆盆地的影響頻次比2018年低，在內(nèi)蒙古中東部、東北地區(qū)的發(fā)生頻次比2018年高。

圖1 2019年春季氣象衛(wèi)星全國(guó)沙塵頻次圖

圖2 2018年春季氣象衛(wèi)星全國(guó)沙塵頻次圖

2019年春季衛(wèi)星可視沙塵累計(jì)面積達(dá)413.8萬(wàn)平方千米，其中新疆南疆盆地影響面積最大，為315.2萬(wàn)平方千米，其次為內(nèi)蒙古和黑龍江、甘肅（圖3）。

圖3 2009年春季衛(wèi)星可視沙塵累計(jì)面積統(tǒng)計(jì)圖 （單位：萬(wàn)平方千米）

四、典型沙塵天氣過(guò)程

以2019年5月14-16日一次典型沙塵天氣過(guò)程為例，這是伴隨鋒面氣旋云系自西向東移動(dòng)的沙塵天氣過(guò)程，內(nèi)蒙古中部、甘肅中部的部分地區(qū)出現(xiàn)沙塵暴，沙塵區(qū)影響范圍大，移動(dòng)速度快，15日內(nèi)蒙古中部沙塵強(qiáng)度最強(qiáng)。5月15日14:00（北京時(shí)）的FY－4A真彩色圖像中沙塵區(qū)為沙黃色且有順風(fēng)的紋理（圖4），5月15日14:00（北京時(shí)）的FY－4A彩色合成圖中沙塵區(qū)為粉紅色（圖5）。

圖4 FY-4A沙塵監(jiān)測(cè)圖像（北京時(shí)間2019年5月15日14:00）

圖5 FY-4A沙塵彩色合成圖（北京時(shí)間2019年5月15日14:00）

五、討論與結(jié)論

本研究綜合多光譜分析法和圖像目視解譯法建立了2019年春季沙塵天氣衛(wèi)星監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。與2018年相比，2019年春季沙塵的累計(jì)影響面積偏小，在南疆盆地的影響頻次比2018年低，而內(nèi)蒙古中東部、東北地區(qū)沙塵發(fā)生頻次較高。

結(jié)合風(fēng)云氣象衛(wèi)星圖像產(chǎn)品（真彩色合成圖、多通道合成沙塵產(chǎn)品）以及定量產(chǎn)品（AOD、AAI、PM10）等多源數(shù)據(jù)可以對(duì)沙塵天氣進(jìn)行高精度的監(jiān)測(cè)分析。

新一代氣象衛(wèi)星FY－4A多通道合成沙塵產(chǎn)品可以在白天、夜間對(duì)沙塵過(guò)程進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)，在沙塵監(jiān)測(cè)中發(fā)揮了重要的作用，該產(chǎn)品具備沙塵路徑、沙塵移動(dòng)速度定量監(jiān)測(cè)能力，相關(guān)研究有待進(jìn)一步開(kāi)展。