三種經(jīng)典夜間陸地霧遙感反演方法的適用性對(duì)比分析

趙詩(shī)童,時(shí)曉曚,吳曉京,楊超,張?zhí)K平,衣立

(1.中國(guó)海洋大學(xué)物理海洋教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東 青島 266100; 2.青島市氣象臺(tái),山東 青島 266003; 3.國(guó)家衛(wèi)星氣象中心,北京 100081; 4.國(guó)家氣象中心,北京 100081)

引言

霧是近地面空氣中的水汽凝結(jié)成大量懸浮在空氣中的微小液滴或冰晶,導(dǎo)致水平能見度低于1 km的天氣現(xiàn)象[1]。我國(guó)陸地霧通常發(fā)生在夜間或凌晨[2],由于霧天的能見度很低,夜間霧極易引發(fā)交通阻塞和汽車追尾事故,嚴(yán)重影響交通運(yùn)輸?shù)热祟惿a(chǎn)、生活活動(dòng)。夜間霧的監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)能夠有效減少其造成的損失。受地面站點(diǎn)密度和觀測(cè)時(shí)間的限制,常規(guī)監(jiān)測(cè)手段無法實(shí)現(xiàn)對(duì)夜間霧的時(shí)空連續(xù)性觀測(cè),而衛(wèi)星遙感具有覆蓋面積廣、信息量多等優(yōu)點(diǎn),是一種其他常規(guī)觀測(cè)方式無法替代的大尺度觀測(cè)方式[3]?；谛l(wèi)星遙感數(shù)據(jù)對(duì)夜間霧進(jìn)行研究,有助于加強(qiáng)對(duì)夜間霧的監(jiān)測(cè)。

夜間霧區(qū)在紅外通道有較獨(dú)特的光譜特征。霧或低層云在中紅外通道的比輻射率顯著低于其在熱紅外通道的比輻射率[4],利用這一原理可以實(shí)現(xiàn)對(duì)夜間霧和低層云的識(shí)別。國(guó)外對(duì)于夜間霧遙感反演方法的研究較早。EYRE et al.[5]在HUNT[4]的研究基礎(chǔ)上提出了利用雙通道差值法反演夜間霧區(qū)。ELLROD[6]將該方法應(yīng)用于GOES衛(wèi)星數(shù)據(jù)資料來探測(cè)夜間霧。許多研究者采用雙通道差值法來進(jìn)行霧的反演[7-9]。ELLROD and GULTEPE[10]發(fā)現(xiàn)地表溫度減去云頂溫度(GOES衛(wèi)星10.7 μm通道亮溫)得到的差值與云底高度之間有良好的相關(guān)性。為了彌補(bǔ)雙通道差值法的不足,研究者利用地表溫度和霧頂亮溫的差值來區(qū)分霧和低層云[8,11]。近年來,我國(guó)夜間霧的遙感監(jiān)測(cè)方法不斷發(fā)展。GAO et al.[12]利用MTSAT衛(wèi)星的IR1和IR4通道數(shù)據(jù)對(duì)黃海夜間海霧進(jìn)行識(shí)別。吳曉京等[13]在雙通道差值法的基礎(chǔ)上,利用動(dòng)態(tài)閾值方法改進(jìn)了風(fēng)云二號(hào)衛(wèi)星海霧檢測(cè)技術(shù)。張春桂等[14]在分析福建沿海海霧的時(shí)空變化特征基礎(chǔ)上,建立了福建沿海夜間海霧監(jiān)測(cè)模型。何月等[15]在對(duì)浙江及其周邊地區(qū)的霧識(shí)別研究中提出了歸一化大霧指數(shù)。張春桂和林炳青[16]將中紅外和熱紅外通道歸一化差值指標(biāo)的方法應(yīng)用于臺(tái)灣海峽夜間海霧的自動(dòng)識(shí)別。利用雙通道差值法和3.9 μm偽比輻射率法,王宏斌等[17]使用葵花8號(hào)(Himawari-8)新一代靜止氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù),研究中國(guó)地區(qū)夜間不同等級(jí)霧的識(shí)別。

利用霧的光譜特性進(jìn)行夜間霧識(shí)別的方法較多,主要為三類經(jīng)典夜間霧遙感反演方法:雙通道差值法[5](dual channel difference,DCD)、溫度差值法(difference of surface temperature and 10.4 μm channel brightness temperature,DT)以及歸一化大霧指數(shù)法(normalized fog index,NDFI)。本研究利用Himawari-8靜止氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)、全國(guó)地面觀測(cè)資料等數(shù)據(jù),對(duì)三類不同夜間霧遙感反演方法的適用性進(jìn)行了比較和評(píng)估。

1 數(shù)據(jù)與方法介紹

1.1 葵花8號(hào)靜止氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)

日本新一代靜止氣象衛(wèi)星Himawari-8是由日本氣象廳運(yùn)行的地球同步氣象衛(wèi)星,其上搭載的先進(jìn)可視紅外成像儀(advanced Himawari imager, AHI)具有16個(gè)觀測(cè)波段(表1),每隔10 min提供一次全圓盤數(shù)據(jù)。本文用到2016年1月—2018年12月夜間中紅外波段(3.9 μm)和熱紅外波段(10.4 μm)的2 km分辨率亮溫?cái)?shù)據(jù)(數(shù)據(jù)來自JAXA EORC網(wǎng)站,ftp.ptree.jaxa.jp)。

表1 AHI通道特征

1.2 地面數(shù)據(jù)

使用2016年1月—2018年12月全國(guó)2 364個(gè)自動(dòng)氣象站觀測(cè)的1 h分辨率的站點(diǎn)溫度和能見度等資料。若站點(diǎn)某一時(shí)刻及其之前一小時(shí)和之后一小時(shí)時(shí)刻的觀測(cè)能見度均小于等于(大于)1 000 m,則判定該時(shí)刻為有(無)霧。2016—2018年夜間全國(guó)內(nèi)陸地區(qū)各站點(diǎn)的有效能見度觀測(cè)次數(shù)(不包括缺省觀測(cè))如圖1a所示,88%的站點(diǎn)有效能見度觀測(cè)量可以達(dá)到10 000次,站點(diǎn)最低能見度有效觀測(cè)量為1 056次,在東部平原地區(qū)觀測(cè)站點(diǎn)分布密度較大(圖1)。

圖1 2016—2018年全國(guó)內(nèi)陸地區(qū)各站點(diǎn)能見度觀測(cè)量統(tǒng)計(jì)分布(a；填色，單位：次)及地形高度圖(b；填色表示海拔高度，單位：km)Fig.1 Spatial distribution of visibility observations (a; colored, units: times) at meteorological stations in inland areas of China from 2016 to 2018 and topographic map (b; colored area for altitude, units: km)

1.3 遙感反演方法

1.3.1 雙通道差值法

研究[12]表明,低云和霧通過衛(wèi)星中紅外通道的發(fā)射率在夜間要顯著低于長(zhǎng)波紅外通道。采用中紅外通道和長(zhǎng)波紅外通道相結(jié)合的方法(即利用兩通道的亮溫差),可以在夜間實(shí)現(xiàn)對(duì)霧的識(shí)別。本文所使用的雙通道差值法是將Himawari-8衛(wèi)星中紅外波段(3.9 μm)和熱紅外波段(10.4 μm)作差值,得到亮溫差(ΔTB3.9～10.4),即:

ΔTB3.9～10.4=TB3.9-TB10.4

(1)

式中:TB3.9,TB10.4分別為3.9 μm和10.4 μm通道的亮溫。

LEE et al.[7]給出了短波通道和長(zhǎng)波通道亮溫差的一些代表值及其特性。GAO et al.[12]在此工作基礎(chǔ)上,對(duì)我國(guó)黃海海霧的雙通道差值閾值進(jìn)行研究。本文選擇閾值區(qū)間[-5.5,-2.5]用于陸地霧的反演[12]。若中紅外通道和長(zhǎng)波紅外通道兩通道亮溫差值(ΔTB3.9～10.4)在這一閾值區(qū)間內(nèi),則認(rèn)為有霧發(fā)生,反之則認(rèn)為是非霧天氣。

1.3.2 溫度差值法

ELLROD and GULTEPE[10]利用GOES衛(wèi)星3.9 μm和10.7 μm通道亮溫差識(shí)別出低層云和霧,在此基礎(chǔ)上使用地表溫度和10.7 μm通道亮溫差值來推斷云底較低的區(qū)域,其中包括霧。本文嘗試將該方法應(yīng)用于我國(guó)內(nèi)陸地區(qū)夜間霧的識(shí)別上,定義地表溫度(地面站點(diǎn)觀測(cè)溫度)和Himawari-8衛(wèi)星10.4 μm通道亮溫差為ΔT。

ΔT=Tsfc-ΔTB10.4

(2)

式中:Tsfc為地表溫度,TB10.4為Himawari-8衛(wèi)星10.4 μm通道亮溫。

參考前人研究[10]所提出的閾值,本研究中當(dāng)雙通道差值ΔTB3.9～10.4≤-2 K且ΔT的絕對(duì)值|ΔT|<4 K時(shí),則認(rèn)為此處有霧發(fā)生,反之則認(rèn)為是非霧天氣。

1.3.3 歸一化大霧指數(shù)法

何月等[15]在研究浙江省及周邊海區(qū)霧的分布特征時(shí),發(fā)現(xiàn)利用中紅外和熱紅外波段的歸一化計(jì)算比雙通道差值法效果更佳,研究中將兩者的歸一化計(jì)算定義為歸一化大霧指數(shù)(INDF)。

(3)

式中:TB3.9,TB10.4分別為3.9 μm和10.4 μm通道的亮溫。

本研究采用夜間霧檢測(cè)閾值[-2,-0.18][15],若歸一化大霧指數(shù)值(INDF)在此閾值范圍內(nèi),則認(rèn)為有霧發(fā)生,反之則認(rèn)為是非霧天氣。

1.4 評(píng)估方法

對(duì)比衛(wèi)星反演結(jié)果和站點(diǎn)實(shí)際觀測(cè)結(jié)果,形成4種統(tǒng)計(jì)結(jié)果,分別定義為A、B、C、D。A代表衛(wèi)星識(shí)別有霧且與站點(diǎn)觀測(cè)結(jié)果一致的情況,B代表衛(wèi)星識(shí)別有霧但與站點(diǎn)觀測(cè)結(jié)果不一致的情況,C代表衛(wèi)星識(shí)別無霧但與站點(diǎn)觀測(cè)結(jié)果不一致的情況,D代表衛(wèi)星識(shí)別無霧且與站點(diǎn)觀測(cè)結(jié)果一致的情況。上述4個(gè)值的定義標(biāo)準(zhǔn)如表2所示。以A為例,對(duì)于衛(wèi)星反演結(jié)果,利用站點(diǎn)經(jīng)緯度獲得該站點(diǎn)在衛(wèi)星數(shù)據(jù)中的位置(格點(diǎn)行列數(shù)),以該時(shí)刻該格點(diǎn)3.9 μm和10.4 μm通道的亮溫值作為站點(diǎn)相關(guān)亮溫值,若算法計(jì)算結(jié)果在閾值內(nèi),則判定衛(wèi)星反演結(jié)果為有霧;對(duì)于站點(diǎn)觀測(cè)結(jié)果,若站點(diǎn)該時(shí)刻及其之前一小時(shí)和之后一小時(shí)時(shí)刻的觀測(cè)能見度均小于等于1 000 m,則判定該時(shí)刻為有霧。當(dāng)衛(wèi)星反演和地面觀測(cè)均滿足為有霧的條件時(shí),則算作一個(gè)A。

表2 衛(wèi)星反演結(jié)果分類標(biāo)準(zhǔn)

表3 評(píng)價(jià)指標(biāo)計(jì)算方法

本文使用BENDIX et al.[3]用于評(píng)價(jià)霧檢測(cè)結(jié)果的鑒定成功評(píng)分(critical success index, CSI)、判識(shí)率(probability of detection, POD)、誤判率(false alarm ratio, FAR)和準(zhǔn)確率(hit rate, HR)指標(biāo),從時(shí)間變化和空間分布兩方面對(duì)夜間陸地霧遙感反演方法的適用性進(jìn)行分析,其計(jì)算方法如表3所示。

在進(jìn)行指標(biāo)參數(shù)計(jì)算時(shí),均先將研究時(shí)間范圍內(nèi)的所有觀測(cè)結(jié)果和衛(wèi)星反演結(jié)果按照表2所示的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì),得到A、B、C、D的總數(shù),而后根據(jù)表3公式進(jìn)行鑒定成功評(píng)分、準(zhǔn)確率、判識(shí)率及誤判率的計(jì)算。

計(jì)算每個(gè)站點(diǎn)每個(gè)時(shí)刻的太陽(yáng)高度角,當(dāng)太陽(yáng)高度角小于0°時(shí)認(rèn)為是夜間。時(shí)間適用性的分析,是計(jì)算全國(guó)所有站點(diǎn)的評(píng)分,在2016—2018年共3 a的時(shí)間段上進(jìn)行對(duì)比,例如:計(jì)算1月各算法的評(píng)分時(shí),所使用的數(shù)據(jù)為2016年1月、2017年1月和2018年1月的夜間數(shù)據(jù)?？臻g適用性的分析,是計(jì)算每一個(gè)站點(diǎn)的評(píng)分,在2016—2018年共3 a的時(shí)間段上進(jìn)行對(duì)比,例如:計(jì)算秋季各算法的評(píng)分時(shí),所使用的數(shù)據(jù)為2016年9—11月、2017年9—11月和2018年9—11月的夜間數(shù)據(jù)。對(duì)個(gè)例進(jìn)行分析時(shí),對(duì)114°～124°E,32°～41°N范圍內(nèi)所有站點(diǎn)的評(píng)分進(jìn)行計(jì)算,秋季個(gè)例的時(shí)間段為2016年11月3日20時(shí)—4日05時(shí),冬季個(gè)例的時(shí)間段為2016年12月21日20時(shí)—22日05時(shí);對(duì)溫度差值算法進(jìn)行誤差分析時(shí),計(jì)算115°～120°E,37°～40°N范圍內(nèi)所有站點(diǎn)的評(píng)分,在2016—2018年共3 a的時(shí)間段上進(jìn)行對(duì)比,例如:計(jì)算1月算法不同閾值下的評(píng)分時(shí),所使用的數(shù)據(jù)為2016年1月、2017年1月和2018年1月的夜間數(shù)據(jù)。具體時(shí)空范圍見表4。

表4 各章節(jié)研究?jī)?nèi)容的相關(guān)信息

需要注意的是,本文在分析算法適用性(第2.2、2.3、3.4節(jié))時(shí)不考慮中高云存在的情況(即站點(diǎn)溫度與10.4 μm通道亮溫差值大于15 K時(shí)認(rèn)為該時(shí)次站點(diǎn)上空存在中高云,不納入分類統(tǒng)計(jì))。

2 結(jié)果與分析

2.1 夜間霧的季節(jié)分布特征

2016年1月—2018年12月各季節(jié)全國(guó)站點(diǎn)夜間陸地霧的發(fā)生頻率如圖2所示,夜間陸地霧在春季和夏季的發(fā)生頻率較低,在秋季和冬季的發(fā)生頻率較高,陸地霧頻率較高的站點(diǎn)主要分布在華北平原和長(zhǎng)江中下游平原。

圖2 2016—2018年全國(guó)站點(diǎn)在各季節(jié)的夜間霧頻分布(a.春季,b.夏季,c.秋季,d.冬季;填色,單位:%)Fig.2 Frequency (colored, units: %) of nighttime fog at all stations in China in spring (a), summer (b), autumn (c), and winter (d) from 2016 to 2018

當(dāng)霧區(qū)上空覆蓋中高云時(shí),3.9 μm和10.4 μm通道無法準(zhǔn)確得到云層下霧頂?shù)妮椛渲?因此會(huì)導(dǎo)致衛(wèi)星反演算法失效,無法識(shí)別出中高云下的霧區(qū)。因而,對(duì)夜間地面觀測(cè)有霧時(shí)其上空衛(wèi)星監(jiān)測(cè)是否有中高云覆蓋的情況進(jìn)行了統(tǒng)計(jì),結(jié)果顯示,觀測(cè)有霧時(shí)被判定為上空存在中高云的情況在春季、夏季、秋季和冬季的占比分別為45%、50%、34%和31%,該情況在夏季所占比例最高,秋季、冬季較低。中高云的存在會(huì)對(duì)算法反演產(chǎn)生影響,大大降低了反演準(zhǔn)確率。導(dǎo)致中高云存在的天氣系統(tǒng)類型較多,如鋒面系統(tǒng)、對(duì)流性天氣系統(tǒng)及氣旋等。受冷鋒或暖鋒的影響,云系高層通常存在卷狀云,冬季的靜止鋒云系也主要由高層云、高積云和層云等層狀云組成[18];由于旺盛的對(duì)流會(huì)產(chǎn)生大量深厚的對(duì)流云系,卷云也多發(fā)生于有旺盛對(duì)流活動(dòng)的地區(qū)[19];氣旋渦旋邊緣在高空有明顯的輻散,在云區(qū)外圍也會(huì)形成輻散卷云結(jié)構(gòu)[18]。中高云的存在會(huì)造成算法的失效,因此當(dāng)此類天氣系統(tǒng)存在時(shí),反演方法的準(zhǔn)確率可能會(huì)降低。另一方面,高壓系統(tǒng)控制下,云量少,反演算法對(duì)霧的識(shí)別效果在該情況下可能更好。

由于三種反演算法均在霧區(qū)上空存在中高云時(shí)失效,因此在對(duì)算法的適用性分析中不考慮中高云存在的情況。

2.2 時(shí)間適用性

用2016—2018年夜間所有的站點(diǎn)觀測(cè)結(jié)果檢驗(yàn)三種反演算法的鑒定成功評(píng)分、判識(shí)率、誤判率及準(zhǔn)確率的月平均值變化,如圖3所示。結(jié)果表明,雙通道差值法和歸一化大霧指數(shù)法的鑒定成功評(píng)分平均值在冬季最高,溫度差值法的鑒定成功評(píng)分平均值在秋季最高;雙通道差值法和歸一化大霧指數(shù)法的判識(shí)率月平均值隨季節(jié)變化較大,溫度差值法的判識(shí)率月平均值整體上比雙通道差值法低，比歸一化大霧指數(shù)法高,且隨季節(jié)變化幅度較小;溫度差值法的誤判率月平均值遠(yuǎn)低于雙通道差值法和歸一化大霧指數(shù)法;雙通道差值法的準(zhǔn)確率月平均值與歸一化大霧指數(shù)法相近,但在冬季明顯低于歸一化大霧指數(shù)法,溫度差值法的準(zhǔn)確率月平均值在全年均高于雙通道差值法和歸一化大霧指數(shù)法。三種反演算法的夜間霧反演能力在秋季和冬季相對(duì)較好。

圖3 三種夜間陸地霧反演算法(DT、DCD、NDFI)的鑒定成功評(píng)分(CSI;a)、判識(shí)率(POD;b)、誤判率(FAR;c)及準(zhǔn)確率(HR;d)的月平均值變化曲線Fig.3 Variation curve of monthly mean CSI (a), POD (b), FAR (c), and HR (d) of three retrieval algorithms for nighttime land fog (DT， DCD, and NDFI)

對(duì)比三種夜間陸地霧反演算法的鑒定成功評(píng)分、判識(shí)率、誤判率和準(zhǔn)確率的各月平均值可知,在本研究區(qū)域內(nèi)溫度差值法的反演能力相對(duì)更好,鑒定成功評(píng)分和準(zhǔn)確率各月平均值均高于其他兩種反演算法,誤判率各月平均值遠(yuǎn)低于其他兩種反演算法。雙通道差值法和歸一化大霧指數(shù)法的鑒定成功評(píng)分、判識(shí)率和誤判率的月平均值變化趨勢(shì)基本相同,這是因?yàn)閮煞N反演算法均基于霧滴的發(fā)射率在3.9 μm通道比10.4 μm通道低的理論,利用衛(wèi)星兩個(gè)通道間的差異來識(shí)別霧區(qū)。

2.3 空間適用性

由上文可知,我國(guó)夜間陸地霧多發(fā)于秋季和冬季,因此下文對(duì)反演算法的空間適用性討論主要圍繞秋季和冬季展開。

圖4為2016—2018年三種夜間陸地霧反演算法在秋季和冬季的鑒定成功評(píng)分空間分布,三者具有顯著不同。秋季雙通道差值法和歸一化大霧指數(shù)法在華北平原、四川盆地以及江蘇省地區(qū)的鑒定成功評(píng)分高于其他地區(qū),溫度差值法在整個(gè)內(nèi)陸平原地區(qū)和四川盆地的鑒定成功評(píng)分?jǐn)?shù)值偏高且高于另外兩種算法(圖4a/c/e);冬季雙通道差值法在華北平原、四川盆地的鑒定成功評(píng)分?jǐn)?shù)值與秋季相比有了明顯的升高,在京津冀地區(qū)有一個(gè)鑒定成功評(píng)分高值區(qū)(圖4a/b);溫度差值法的鑒定成功評(píng)分分布在冬季更加集中,華北平原、長(zhǎng)江中下游平原、東北平原以及四川盆地的鑒定成功評(píng)分明顯高于其他地區(qū),京津冀地區(qū)以及四川盆地為鑒定成功評(píng)分高值區(qū)(圖4d);與上述兩種反演算法的變化相反,冬季歸一化大霧指數(shù)法的鑒定成功評(píng)分在華北平原有所降低,僅在四川盆地相對(duì)較高(圖4f)。

圖4 雙通道差值法(DCD;a/b)、溫度差值法(DT;c/d)及歸一化大霧指數(shù)法(NDFI;e/f)在秋季(a/c/e)和冬季(b/d/f)反演霧的鑒定成功評(píng)分(CSI,填色)空間分布Fig.4 Spatial distribution of CSI (colored) with DCD (a/b), DT (c/d), and NDFI (e/f) methods in fog retrieval in autumn (a/c/e) and winter (b/d/f)

三種夜間陸地霧反演算法在秋季和冬季適用于不同區(qū)域,適用區(qū)域主要集中在華北平原、長(zhǎng)江中下游平原和四川盆地。對(duì)比可知,雙通道差值法和溫度差值法對(duì)夜間陸地霧的反演能力在秋季和冬季高于歸一化大霧指數(shù)法,溫度差值法針對(duì)四川盆地和京津冀地區(qū)的夜間陸地霧反演能力最優(yōu)。此外,由圖4b/d可以看到,在太行山處存在一個(gè)較為明顯的鑒定成功評(píng)分高低值分界線,說明雙通道差值法和溫度差值法對(duì)地形敏感。

分析雙通道差值法、溫度差值法和歸一化大霧指數(shù)法的空間適用性。圖5為雙通道差值法、溫度差值法及歸一化大霧指數(shù)法在秋季和冬季霧反演準(zhǔn)確率的空間分布。秋季雙通道差值法的準(zhǔn)確率在四川盆地較低,冬季準(zhǔn)確率低值區(qū)進(jìn)一步向東南延伸(圖5a/b);溫度差值法的全國(guó)準(zhǔn)確率數(shù)值在秋季和冬季均較高(圖5c/d);秋季和冬季歸一化大霧指數(shù)法的準(zhǔn)確率也較高,但在冬季廣西和廣東南部附近準(zhǔn)確率略低一些(圖5e/f)。三種算法中,溫度差值法和歸一化大霧指數(shù)法的準(zhǔn)確率優(yōu)于雙通道差值法。

圖5 雙通道差值法(DCD;a/b)、溫度差值法(DT;c/d)及歸一化大霧指數(shù)法(NDFI;e/f)在秋季(a/c/e)和冬季(b/d/f)反演霧的準(zhǔn)確率(HR，填色)空間分布Fig.5 The same as Fig.4, but for HR

圖6為雙通道差值法、溫度差值法及歸一化大霧指數(shù)法在秋季和冬季的霧判識(shí)率空間分布。秋季雙通道差值法的判識(shí)率在長(zhǎng)江中下游平原、云貴高原和四川盆地較高,在冬季其判識(shí)率空間分布不變,但數(shù)值更高(圖6a/b)。溫度差值法在秋季和冬季的判識(shí)率空間分布相似,在華北平原、長(zhǎng)江中下游平原南部和四川盆地略高于其他地區(qū)(圖6c/d)。秋季歸一化大霧指數(shù)法的判識(shí)率空間分布與雙通道差值法相似,冬季歸一化大霧指數(shù)法的判識(shí)率整體數(shù)值很低,南部略高于其他地區(qū)(圖6e/f)。三種算法的判識(shí)率空間分布具有明顯的差異,雙通道差值法的判識(shí)率整體更高。

圖6 雙通道差值法(DCD;a/b)、溫度差值法(DT;c/d)及歸一化大霧指數(shù)法(NDFI;e/f)在秋季(a/c/e)和冬季(b/d/f)反演霧的判識(shí)率(POD，填色)空間分布Fig.6 The same as Fig.4, but for POD

雙通道差值法、溫度差值法和歸一化大霧指數(shù)法在秋季和冬季對(duì)霧的誤判率空間分布如圖7所示,三種算法的誤判率低值區(qū)與其鑒定成功評(píng)分高值區(qū)(圖4)對(duì)應(yīng),說明算法的誤判(將非霧識(shí)別為有霧)是鑒定成功評(píng)分偏低的主要原因。雙通道差值法的誤判率低值主要分布在華北平原及江蘇省地區(qū)。前文提到秋季和冬季雙通道差值法的判識(shí)率在長(zhǎng)江中下游平原、云貴高原和四川盆地較高,但圖7a/b顯示其對(duì)應(yīng)區(qū)域的誤判率極高。由圖7c/d可知,秋季溫度差值法在華北平原、長(zhǎng)江中下游平原和四川盆地對(duì)于霧的誤判率極低,冬季上述區(qū)域的誤判率再次降低,且誤判率低值區(qū)范圍進(jìn)一步擴(kuò)大。而對(duì)于歸一化大霧指數(shù)法,全國(guó)誤判率在秋季和冬季均較高(圖7e/f)。

3 個(gè)例分析

3.1 一次秋季夜間霧過程

選取2016年11月3日夜間至4日凌晨京津冀地區(qū)的一次霧過程進(jìn)行分析,該過程是一次典型的夜間輻射霧過程,涵蓋了霧發(fā)生、發(fā)展全過程,雙通道差值法和溫度差值法對(duì)本次霧過程的識(shí)別準(zhǔn)確率均較高(誤判率較低)。本次夜間霧發(fā)生在太行山以東的平原地區(qū),受山脈的阻擋作用,霧沿山脈發(fā)展,呈帶狀分布(圖8)。

由圖8可知，3日21時(shí)已有大片站點(diǎn)觀測(cè)到霧，雙通道差值法未識(shí)別出霧區(qū)存在，而溫度差值法在零星站點(diǎn)識(shí)別出霧；4日01時(shí)，霧逐漸向西南方向發(fā)展，兩種算法在霧早期的生成區(qū)域均識(shí)別出霧的存在；4日 04時(shí)，當(dāng)霧發(fā)展達(dá)到穩(wěn)定后，通過兩種算法反演得到的霧區(qū)與站點(diǎn)觀測(cè)霧區(qū)分布基本吻合。

在霧生成初期,雙通道差值法和溫度差值法均未能識(shí)別出霧區(qū)。雙通道差值法對(duì)霧的識(shí)別依賴于衛(wèi)星云霧敏感波段(即中紅外和熱紅外波段)比輻射率的變化[20],隨著霧的發(fā)展,中紅外通道和熱紅外通道的亮溫差逐漸變大,直到亮溫差值滿足閾值條件,使得雙通道差值法能夠識(shí)別出霧區(qū);而溫度差值法是在雙通道差值法給出的低云/霧區(qū)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的霧區(qū)識(shí)別,因此可能導(dǎo)致雙通道差值法和溫度差值法兩種算法在識(shí)別剛生成的霧區(qū)上略有滯后。

3.2 一次冬季夜間霧過程

對(duì)2016年12月21日夜間至22日凌晨華北平原地區(qū)的一次霧過程進(jìn)行分析,在此次霧的發(fā)生發(fā)展過程中,其上空存在其他云類,中高云的影響導(dǎo)致雙通道差值法和溫度差值法的反演結(jié)果較差。此次霧過程覆蓋了整個(gè)華北平原地區(qū),具有范圍大、影響廣的特點(diǎn)(圖9)。

由圖9可知,21日21時(shí),華北平原大部分觀測(cè)站點(diǎn)已顯示有霧,雙通道差值法僅識(shí)別出南部小塊霧區(qū),溫度差值法未識(shí)別出霧;22日01時(shí),隨著霧區(qū)上空的云移出,雙通道差值法在無云覆蓋的地區(qū)迅速識(shí)別出大片霧區(qū),溫度差值法僅在零星站點(diǎn)識(shí)別出霧;22日04時(shí),雙通道差值法識(shí)別出的霧區(qū)基本能夠覆蓋所有觀測(cè)有霧站點(diǎn),而溫度差值法識(shí)別出的有霧站點(diǎn)較少。受到霧區(qū)上空云覆蓋的影響,雙通道差值法和溫度差值法對(duì)霧的識(shí)別能力失效,兩種算法在本次霧過程中的反演效果并不理想,但雙通道差值法優(yōu)于溫度差值法。

圖7 雙通道差值法(DCD;a/b)、溫度差值法(DT;c/d)及歸一化大霧指數(shù)法(NDFI;e/f)在秋季(a/c/e)和冬季(b/d/f)反演霧的誤判率(FAR，填色)空間分布Fig.7 The same as Fig.4, but for FAR

3.3 雙通道差值法與溫度差值法的兩次霧識(shí)別結(jié)果比較

用評(píng)價(jià)霧檢測(cè)結(jié)果的判識(shí)率、誤判率、鑒定成功評(píng)分和準(zhǔn)確率指標(biāo)檢驗(yàn)雙通道差值法和溫度差值法,結(jié)果如表5所示。在2016年11月3日的夜間霧過程中,溫度差值法比雙通道差值法的鑒定成功評(píng)分更高,準(zhǔn)確率更高,判識(shí)率更高。因此,溫度差值法對(duì)這個(gè)過程的反演效果較好。而在2016年12月21日的夜間霧過程中,雙通道差值法的鑒定成功評(píng)分、準(zhǔn)確率和判識(shí)率均高于溫度差值法,說明雙通道差值法對(duì)于這個(gè)特殊的有云影響的霧過程反演效果較好。由這兩個(gè)過程的反演情況來看,兩種算法對(duì)于平原地區(qū)的夜間霧識(shí)別效果相近,在具體霧過程中各有優(yōu)勢(shì)。

3.4 溫度差值法在平原地區(qū)的誤差分析

通過時(shí)間、空間適用性分析可知,溫度差值法對(duì)于我國(guó)夜間陸地霧(尤其是平原地區(qū))的反演效果最好;而在個(gè)例分析中,雙通道差值法對(duì)平原夜間霧識(shí)別有時(shí)比溫度差值法表現(xiàn)更好。因此對(duì)溫度差值法進(jìn)行誤差分析,研究當(dāng)溫度變化1 K時(shí),溫度差值法在京津冀地區(qū)及其周邊(115°～120°E,37°～40°N)的判識(shí)率、誤判率、鑒定成功評(píng)分和準(zhǔn)確率的變化,同時(shí)與雙通道差值法評(píng)分進(jìn)行對(duì)比。統(tǒng)計(jì)計(jì)算得到2016年1月—2018年12月溫度差值法在不同條件下的判識(shí)率、誤判率、鑒定成功評(píng)分和準(zhǔn)確率月平均值的變化曲線以及雙通道差值法的各評(píng)價(jià)參數(shù)月平均值。如圖10所示,在10月、11月、12月、1月,溫度差值法的誤判率很低,說明算法對(duì)該區(qū)域的夜間霧識(shí)別準(zhǔn)確率很高。判識(shí)率、鑒定成功評(píng)分在夏季很低,甚至為0,這可能是由于夏季中高云較多,衛(wèi)星觀測(cè)受到影響。在冬季和夏季,雙通道差值法的判識(shí)率高于溫度差值法,但與溫度差值法相比,雙通道差值法的鑒定成功評(píng)分和準(zhǔn)確率均較低,誤判率全年均較高,說明兩種算法中總體上溫度差值法對(duì)于京津冀地區(qū)及其周邊的夜間霧反演效果更好。當(dāng)溫度差值法的閾值發(fā)生變化時(shí),準(zhǔn)確率的變化不大,但判識(shí)率、誤判率及鑒定成功評(píng)分隨之發(fā)生改變,可見由溫度觀測(cè)不準(zhǔn)確產(chǎn)生的誤差會(huì)影響溫度差值法對(duì)夜間霧的識(shí)別。對(duì)比不同閾值下的鑒定成功評(píng)分發(fā)現(xiàn),閾值增、減1 K在不同的月份對(duì)霧反演結(jié)果的影響不同,這說明對(duì)于不同的月份應(yīng)用不同的閾值可能會(huì)提高溫度差值法的反演效果。

4 結(jié)論

本文使用2016年1月—2018年12月夜間Himawari-8靜止氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù),結(jié)合我國(guó)2 364個(gè)氣象站逐小時(shí)溫度、能見度觀測(cè)資料,從適用季節(jié)和空間適用性兩個(gè)方面對(duì)反演方法的鑒定成功評(píng)分、準(zhǔn)確率、判識(shí)率和誤判率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析(不考慮中高云的個(gè)例),評(píng)估了當(dāng)前三種經(jīng)典夜間陸地霧遙感反演方法的適用性,并分別對(duì)京津冀地區(qū)秋季和華北平原冬季發(fā)生的兩次夜間霧過程進(jìn)行分析。主要結(jié)論如下:

1)適用季節(jié)。由2016—2018年全國(guó)觀測(cè)站點(diǎn)的鑒定成功評(píng)分、準(zhǔn)確率、判識(shí)率及誤判率的各月平均值可知,三種夜間陸地霧反演方法在冬季、秋季反演效果最好。三種反演算法中,溫度差值法的適用性相對(duì)更好,其鑒定成功評(píng)分、準(zhǔn)確率和誤判率評(píng)分表現(xiàn)均優(yōu)于雙通道差值法和歸一化大霧指數(shù)法。

2)空間適用性。三種夜間陸地霧反演算法在秋季和冬季的鑒定成功評(píng)分空間分布顯示其適用區(qū)域多分布于平原和盆地,雙通道差值法和溫度差值法的反演能力更強(qiáng)。雙通道差值法在云貴高原及部分山區(qū)的判識(shí)率較高,這可能是由于在地形高度較高的地區(qū),低層云與地表相接會(huì)形成山地霧,雙通道差值法的局限性在于難以區(qū)分低層云和霧[21],而山地霧本身是低層云的一部分,導(dǎo)致了雙通道差值法的判識(shí)率在高原和山區(qū)反而有所上升。

圖8 2016年11月3—4日京津冀地區(qū)夜間霧過程雙通道差值法(DCD;a/b/c)和溫度差值法(DT;d/e/f)反演的3日21時(shí)(a/d)和4日01時(shí)(b/e)、04時(shí)(c/f)及觀測(cè)的霧情況(圖中填色為地形高度，單位：m;散點(diǎn)為反演與觀測(cè)對(duì)比后的結(jié)果,A、B、C、D的含義同表2)Fig.8 Fog observation and retrieval of process at 21:00 BST 3 (a/d), 01:00 BST 4 (b/e), and 04:00 BST 4 (c/f) in Beijing-Tianjin-Hebei region from 3 to 4 November 2016 with DCD (a/b/c) and DT (d/e/f) methods (colored area for altitude, units: m; scattered point for comparison result between retrieval and observation; A, B, C and D denote the same as those in Table 2)

圖9 2016年12月21—22日華北平原區(qū)域的一次霧過程雙通道差值法(DCD;a/b/c)和溫度差值法(DT;d/e/f)反演的21日21時(shí)(a/d)和22日01時(shí)(b/e)、04時(shí)(c/f)及觀測(cè)的霧情況(圖中填色及散點(diǎn)含義同圖8)Fig.9 Fog observation and retrieval of process at 21:00 BST 21 (a/d), 01:00 BST 22 (b/e), and 04:00 BST 22 (c/f) in the North China Plain from 21 to 22 December 2016 with DCD (a/b/c) and DT (d/e/f) methods (colored area and scattered point denote the same as those in Fig.8)

表5 雙通道差值法(DCD)和溫度差值法(DT)在兩次霧過程中的識(shí)別結(jié)果比較

圖10 溫度差值法(DT)在不同條件下的判識(shí)率(POD;a)、誤判率(FAR;b)、準(zhǔn)確率(HR;c)和鑒定成功評(píng)分(CSI;d)月平均值的變化曲線及雙通道差值法(DCD)各評(píng)價(jià)參數(shù)的月平均值(研究時(shí)間為2016—2018年夜間,研究區(qū)域?yàn)榫┙蚣降貐^(qū)及其周邊(115°～120°E,37°～40°N);紫色實(shí)線、藍(lán)色虛線、紅色實(shí)線、綠色虛線分別代表DCD算法和閾值為3 K、4 K、5 K時(shí)DT算法的結(jié)果)Fig.10 Variation curve of monthly mean POD (a), FAR (b), HR (c), and CSI (d) of DT algorithm under different conditions and DCD algorithm (research time is nighttime from 2016 to 2018 and research area is Beijing-Tianjin-Hebei region and its surrounding areas, namely 115°-120°E, 37°-40°N; purple solid line, blue dashed line, red solid line, and green dashed line represent DCD results and DT results when the threshold value is 3 K, 4 K, and 5 K, respectively)

溫度差值法在平原地區(qū)的誤判率極低,可能是因?yàn)榘l(fā)生在平原地區(qū)的輻射霧,其溫度隨高度的變化不易受地形的影響,更符合輻射霧熱剖面理想化模型[22],從而使溫度差值法的準(zhǔn)確率較高。

3)結(jié)合地面觀測(cè)結(jié)果,檢驗(yàn)雙通道差值法和溫度差值法在秋冬季節(jié)平原地區(qū)兩個(gè)過程中夜間霧的識(shí)別效果。結(jié)果顯示,兩種反演算法對(duì)平原地區(qū)夜間霧的識(shí)別能力均較強(qiáng),能夠準(zhǔn)確識(shí)別出霧區(qū)所在位置,只是在具體霧過程反演中各有優(yōu)勢(shì)。

本文對(duì)比分析了三種經(jīng)典夜間陸地霧遙感反演方法的適用性,為不同地區(qū)應(yīng)用夜間陸地霧遙感反演方法提供參考,以期在提高衛(wèi)星夜間陸地霧遙感反演算法的準(zhǔn)確率上提供幫助。在不考慮中高云影響的情況下,三種夜間陸地霧反演算法在時(shí)間上更適用于秋季和冬季,在空間上更適用于平原及盆地的夜間霧反演。其中溫度差值法的反演效果最好(尤其在平原地區(qū)),具有較高的綜合評(píng)分。然而,總體上三種夜間陸地霧反演方法的各項(xiàng)指標(biāo)參數(shù)整體均處于較低水平,當(dāng)前夜間陸地霧遙感反演效果還有很大的提升空間。