FY-4A資料在烏魯木齊機(jī)場(chǎng)濃霧天氣監(jiān)測(cè)中的初步應(yīng)用*

王清平 朱雯娜 王 勇 陳陽(yáng)權(quán) 韓 磊 王春紅 譚艷梅 張利平

1 民航新疆空中交通管理局氣象中心，烏魯木齊 830016 2 新疆生態(tài)氣象與衛(wèi)星遙感中心，烏魯木齊 830002 3 民航新疆空中交通管理局氣象部，烏魯木齊 830016

提 要：利用FY-4A多通道掃描成像輻射計(jì)(AGRI)所生成的多通道圖像及L2級(jí)衛(wèi)星云產(chǎn)品數(shù)據(jù)，結(jié)合地面觀測(cè)實(shí)況資料，對(duì)2019年1月25—26日和3月17—18日發(fā)生于烏魯木齊國(guó)際機(jī)場(chǎng)的兩次持續(xù)性濃霧天氣進(jìn)行分析，結(jié)果表明：對(duì)于濃霧的監(jiān)測(cè)，白天綜合使用通道3(BD0.83 μm)、通道6(BD2.2 μm)、通道8(BD3.725 μm)和通道12(BD10.8 μm)能很好地顯示霧區(qū)范圍、霧頂云結(jié)構(gòu)、霧區(qū)溫度等特征，且云圖能很好地表現(xiàn)霧的消散。夜間可以結(jié)合BD10.8 μm和BD3.725 μm的差(以下簡(jiǎn)寫(xiě)為BTD10.8 μm-3.725 μm)和BD10.8 μm圖像，用于識(shí)別夜間霧區(qū)，BTD10.8 μm-3.725 μm通道亮溫差越大說(shuō)明霧的濃度越強(qiáng)。FY-4A衛(wèi)星云頂高度和云分類(lèi)產(chǎn)品對(duì)霧的微物理特征結(jié)構(gòu)反應(yīng)更為細(xì)致，對(duì)于夜間大霧監(jiān)測(cè)有較好的效果，能夠彌補(bǔ)可見(jiàn)光通道1～通道3、短波紅外通道(BD2.2 μm)和中波紅外通道(BD3.725 μm)僅能在白天使用的不足。

引 言

霧是懸浮于近地層大氣中的大量微小水滴或冰晶的可見(jiàn)集合體，其能見(jiàn)度小于1 000 m，當(dāng)能見(jiàn)度為200～500 m時(shí)為濃霧，能見(jiàn)度為50～200 m時(shí)為強(qiáng)濃霧，能見(jiàn)度小于50 m時(shí)為特強(qiáng)濃霧。持續(xù)性濃霧天氣給人民出行、生活帶來(lái)較大的影響，特別是在民航、地面交通等方面(趙玉廣等，2015；黃政等，2016；胡躍文等，2019)。林建等(2008)統(tǒng)計(jì)分析了1971—2005年我國(guó)陸地大霧的時(shí)空分布特征，發(fā)現(xiàn)大霧主要集中在四川盆地、重慶、云南南部、湖南和江南東部，西北地區(qū)較少。王旭等(2002)統(tǒng)計(jì)新疆地區(qū)霧的分布，指出霧主要出現(xiàn)在北疆地區(qū)，尤其是以天山山區(qū)居多。烏魯木齊國(guó)際機(jī)場(chǎng)位于天山山區(qū)北側(cè)的烏魯木齊市區(qū)西北側(cè)，海拔為647.7 m，比東南方向的烏魯木齊市區(qū)站海拔低300 m左右，冬季機(jī)場(chǎng)受濃霧影響非常大，經(jīng)常出現(xiàn)機(jī)場(chǎng)能見(jiàn)度不足百米的特強(qiáng)濃霧而市區(qū)卻晴空萬(wàn)里的情況，天氣現(xiàn)象差別較大(朱雯娜等，2018)。由于霧的形成受熱力、動(dòng)力、輻射、氣溶膠、微物理過(guò)程以及地表狀況等多個(gè)邊界層內(nèi)的復(fù)雜物理過(guò)程影響，因此霧成為較難預(yù)報(bào)的災(zāi)害性天氣之一(王宏斌等，2018)。

20世紀(jì)70年代國(guó)外已開(kāi)始利用氣象衛(wèi)星對(duì)大霧天氣進(jìn)行監(jiān)測(cè)，Gurka and Oliver(1978)用美國(guó)SMS-1成像儀可見(jiàn)光通道圖像分析霧的消散過(guò)程，表明可見(jiàn)光通道反射率可以較好地表明霧消散。Eyre et al(1984)和Lee et al(1997)應(yīng)用美國(guó)NOAA 和GOES-8/9氣象衛(wèi)星搭載的甚高分辨率輻射計(jì)(AVHRR)近紅外通道和紅外通道差值的方法判識(shí)霧，取得較好成果。Bendix et al(2005)利用AVHRR成像儀開(kāi)發(fā)霧判識(shí)流程并用不同算法反演白天和夜間大霧區(qū)地面能見(jiàn)度。Yoo et al(2006；2010)利用MTSAT-1R和EOS/MODIS數(shù)據(jù)對(duì)朝鮮半島上空霧進(jìn)行監(jiān)測(cè)研究，并利用地面氣象站的觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)大霧識(shí)別結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。王宏斌等(2018)利用中波紅外3.9 μm和長(zhǎng)波紅外11.2 μm通道亮溫差和3.9 μm偽比輻射率法開(kāi)展中國(guó)地區(qū)夜間不同等級(jí)霧的識(shí)別，并找出了不同等級(jí)霧的參數(shù)最優(yōu)閾值，取得較好效果，并應(yīng)用于氣象業(yè)務(wù)中。

中國(guó)利用衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)霧的研究起步較國(guó)外晚，始于20世紀(jì)90年代，隨著中國(guó)氣象衛(wèi)星的發(fā)射，近30年來(lái)國(guó)內(nèi)有不少學(xué)者開(kāi)展了大量的衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)大霧的研究工作。李亞春等(2000；2001)研究了氣象衛(wèi)星云圖在大霧消散過(guò)程中的紋理特征、運(yùn)動(dòng)規(guī)律和消散規(guī)律。沙依然等(2008)、吳曉京等(2005)、吳曉京和張?zhí)K平(2008)應(yīng)用EOS-MODIS衛(wèi)星資料研究了北疆、陜西等地的大霧，吳曉京和張?zhí)K平(2008)改進(jìn)算法對(duì)大霧臨近預(yù)報(bào)進(jìn)行研究并對(duì)大霧消散進(jìn)行分型。張文剛和魏鳴(2011)、李文娟等(2017)應(yīng)用FY-2資料算法來(lái)識(shí)別、監(jiān)測(cè)大霧，取得較好效果。吳曉等(2016)利用MODIS云頂高度、云相態(tài)產(chǎn)品與地面站云類(lèi)觀測(cè)對(duì)比，達(dá)到60%的一致性。劉一瑋等(2016)利用FY-2云分類(lèi)產(chǎn)品對(duì)天津地區(qū)的云狀識(shí)別進(jìn)行研究取得不錯(cuò)效果。張春桂和林炳青(2018)利用FY-2E的可見(jiàn)光、熱紅外和中紅外通道并應(yīng)用中紅外和熱紅外通道的歸一化插值指標(biāo)實(shí)現(xiàn)對(duì)夜間海霧的自動(dòng)識(shí)別，并利用地面自動(dòng)站進(jìn)行經(jīng)度驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)海霧監(jiān)測(cè)平均準(zhǔn)確率超過(guò)70%。

FY-4A于2016年12月11日在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射，是我國(guó)新一代靜止氣象衛(wèi)星，裝載多種觀測(cè)儀器，包括多通道掃描成像輻射計(jì)(AGRI)、干涉式大氣垂直探測(cè)儀(GIIRS)、閃電成像儀(LMI)和空間環(huán)境監(jiān)測(cè)儀器(SEM)等(張鵬等，2016)。對(duì)于大霧的監(jiān)測(cè)，F(xiàn)Y-4A的AGRI載荷擁有明顯多于FY-2的通道，可以更好地監(jiān)測(cè)大霧。劉清華等(2018)利用FY-4A成像儀數(shù)據(jù)對(duì)大霧進(jìn)行監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)新一代靜止氣象衛(wèi)星的高時(shí)空分辨率可以有效監(jiān)測(cè)大霧的生消發(fā)展。

以上研究多基于上一代中國(guó)靜止氣象衛(wèi)星或國(guó)外靜止、極軌氣象衛(wèi)星，對(duì)于應(yīng)用FY-4A對(duì)大霧監(jiān)測(cè)應(yīng)用相關(guān)研究較少，且新疆位于中國(guó)西部，處于日本Himawari-8的邊緣，Himawari-8對(duì)新疆區(qū)域的監(jiān)測(cè)效果較差，F(xiàn)Y-4A的發(fā)射對(duì)新疆地區(qū)大霧監(jiān)測(cè)有非常好的幫助。本文嘗試使用FY-4A的AGRI L1級(jí)數(shù)據(jù)和L2級(jí)產(chǎn)品，如云頂高度、云相態(tài)、云分類(lèi)等產(chǎn)品對(duì)發(fā)生在烏魯木齊機(jī)場(chǎng)的兩次持續(xù)性濃霧的微物理結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，以期提高對(duì)濃霧的監(jiān)測(cè)能力，為航空氣象預(yù)報(bào)和服務(wù)提供較好支撐。

1 數(shù)據(jù)與方法介紹

1.1 FY-4A數(shù)據(jù)

文中所用的FY-4A數(shù)據(jù)全部來(lái)自國(guó)家衛(wèi)星氣象中心(http:∥satellite.nsmc.org.cn/PortalSite/Default.aspx),包括FY-4A的AGRI載荷L1級(jí)數(shù)據(jù)2 000 m分辨率(通道1～通道7)和4 000 m分辨率數(shù)據(jù)(通道1～通道14),以及L2級(jí)云類(lèi)型、云相態(tài)和云頂高度產(chǎn)品。L1級(jí)數(shù)據(jù)格式為.HDF，L2級(jí)產(chǎn)品數(shù)據(jù)格式為.NC。使用Python語(yǔ)言進(jìn)行數(shù)據(jù)可視化繪圖。

AGRI是FY-4靜止氣象衛(wèi)星的主要載荷之一，通過(guò)精密的雙掃描鏡機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)精確和靈活的二維指向，可實(shí)現(xiàn)分鐘級(jí)的區(qū)域快速掃描；其采用離軸三反主光學(xué)系統(tǒng)，高頻次獲取14個(gè)波段的地球云圖，并利用星上黑體進(jìn)行高頻次紅外定標(biāo)，以確保觀測(cè)數(shù)據(jù)的精度。氣象預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)實(shí)時(shí)應(yīng)用的主要為AGRI，該儀器有14個(gè)通道，其中通道1(中心波長(zhǎng)為0.65 μm)最高分辨達(dá)到500 m，具體各通道指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 FY-4A的AGRI通道參數(shù)

FY-4A搭載的AGRI性能較FY-2有很大提升，由FY-2的5個(gè)通道擴(kuò)展到14個(gè)通道，具體參數(shù)見(jiàn)表2，本文主要使用可見(jiàn)光通道1～通道3、通道6和紅外通道8、通道12對(duì)大霧進(jìn)行研究，其中可見(jiàn)光通道1～通道3、通道6由于受太陽(yáng)短波輻射影響，數(shù)據(jù)時(shí)段為每日10:30—19:30，紅外通道8、通道12數(shù)據(jù)為全天候，L2級(jí)產(chǎn)品基于紅外通道，數(shù)據(jù)時(shí)段為全天候。

表2 FY-4A AGRI與FY-2 VISSR指標(biāo)比較

1.2 地面數(shù)據(jù)

文中地面數(shù)據(jù)基于新疆區(qū)域國(guó)家基本站的氣溫、濕度、人工觀測(cè)能見(jiàn)度資料和機(jī)場(chǎng)人工觀測(cè)的云、能見(jiàn)度、天氣現(xiàn)象等實(shí)況資料。其中機(jī)場(chǎng)人工觀測(cè)能見(jiàn)度為每半小時(shí)一次，準(zhǔn)確度較高。國(guó)家基本站的濕度、人工觀測(cè)能見(jiàn)度主要用于驗(yàn)證衛(wèi)星圖像中的大霧區(qū)。

1.3 方 法

霧滴主要由液態(tài)水滴粒子組成，比一般云中水滴粒子小得多，平均半徑不到10 μm，在霧形成或消散期間，半徑可小于1 μm。大霧發(fā)展過(guò)程中大氣層結(jié)絕對(duì)穩(wěn)定，霧頂很均勻，大霧特殊的物理特性導(dǎo)致其具有特殊光譜和結(jié)構(gòu)特性。白天，大霧在可見(jiàn)光波段的反射率高于下墊面，低于中高云和厚云，略高于薄云，可見(jiàn)光通道反射率主要反映霧的光學(xué)厚度，霧光學(xué)厚度越大反射率越高。FY-4A的AGRI載荷可見(jiàn)光通道1～通道3可以較好分析大霧區(qū)域紋理，估算霧光學(xué)厚度，且可見(jiàn)光通道2(中心波長(zhǎng)為0.65 μm，BD0.65 μm)反射率與霧的光學(xué)厚度成正比；可見(jiàn)光通道6(中心波長(zhǎng)為2.2 μm,BD2.2 μm)，對(duì)于霧滴的小粒子，反射輻射比云大，因此可以較好地區(qū)分云；中波紅外通道8(中心波長(zhǎng)為為3.725 μm，BD3.725 μm)反射率主要反映粒子有效半徑,有效粒子越小、反射率越大，霧滴在該通道的反射率大于其他云粒子，白天該通道既包含霧滴的紅外發(fā)射也包含了霧滴對(duì)太陽(yáng)光的反射，所以日間可以通過(guò)計(jì)算3.725 μm 反射率來(lái)區(qū)分大霧。長(zhǎng)波紅外通道12(中心波長(zhǎng)為10.8 μm，BD10.8 μm)主要用于測(cè)量霧頂溫度信息。對(duì)于夜間大霧觀測(cè)，使用10.8和3.725 μm的通道亮溫差(BTD10.8 μm-3.725 μm)有較好表現(xiàn)。本文應(yīng)用以上霧的特性和衛(wèi)星各通道綜合判斷大霧的生消。

2 兩次持續(xù)強(qiáng)濃霧過(guò)程概況

2019年1月25—26日，北疆沿天山一帶的烏魯木齊機(jī)場(chǎng)出現(xiàn)持續(xù)36 h的能見(jiàn)度為500～1 000 m的大霧天氣，其中25日06:00—09:30、18:00—20:00、26日02：30—13:30出現(xiàn)能見(jiàn)度為200～500 m濃霧，25日04:00—06:00、09:30—18:00更是出現(xiàn)能見(jiàn)度為200 m以下的強(qiáng)濃霧(圖1a)。此次大霧天氣對(duì)機(jī)場(chǎng)運(yùn)行造成較大影響。

2019年3月17—18日，北疆沿天山一帶出現(xiàn)大范圍大霧天氣。烏魯木齊機(jī)場(chǎng)3月16日23:08至17日14:17、17日23:48至18日18:00出現(xiàn)兩個(gè)階段且持續(xù)時(shí)長(zhǎng)達(dá)34 h的大霧天氣(圖1b)。18日，烏魯木齊國(guó)際機(jī)場(chǎng)多趟進(jìn)出港航班延誤、備降或取消，機(jī)場(chǎng)啟動(dòng)大面積航班延誤應(yīng)急響應(yīng)，滯留旅客達(dá)5 400人。

圖1 2019年1月25—26日(a)和3月17—18日(b)兩次持續(xù)濃霧過(guò)程能見(jiàn)度的演變

3 2019年1月25—26日連續(xù)濃霧分析

3.1 各通道圖像分析

3.1.1 大霧發(fā)生前

1月25日00：30大霧發(fā)生前，沿天山一帶為輕霧，能見(jiàn)度在1 000 m以上。BTD10.8 μm-3.725 μm通道圖像(圖2a)中烏蘇(W)附近有小范圍霧區(qū)，BTD10.8 μm-3.725 μm為2～8 K。烏魯木齊機(jī)場(chǎng)上空有卷云，BTD10.8 μm-3.725 μm<0 K，10.8 μm紅外通道呈現(xiàn)淺白色(圖略)。26日02：30機(jī)場(chǎng)實(shí)況由輕霧轉(zhuǎn)為能見(jiàn)度在1 000 m以下的大霧，紅外云圖中沿天山一帶呈現(xiàn)中等灰度(圖略)，自動(dòng)氣象站實(shí)況顯示北疆沿天山的石河子(S)—烏魯木齊機(jī)場(chǎng)(Z)一帶均維持大霧，個(gè)別站點(diǎn)出現(xiàn)能見(jiàn)度為200～500 m濃霧。26日04：30的Z處已出現(xiàn)能見(jiàn)度為200 m以下強(qiáng)濃霧，BTD10.8 μm-3.725 μm通道圖像(圖2b)中W—S—Z一線為大霧，BTD10.8 μm-3.725 μm為4～8 K。

3.1.2 大霧維持期間

1月25日14:30 大霧維持期間，BD0.47 μm(通道1)、BD0.65 μm(通道2)、BD0.83 μm(通道3)圖像較一致，BD0.83 μm通道(圖2c)對(duì)地面植被、山脈分布顯示效果清晰，均顯示北疆盆地大部有積雪和云，但無(wú)法分辨低云霧，沿天山一帶看不出云頂凸起。在BD2.2 μm通道(圖2d)中W—S—Z色調(diào)明顯較周?chē)?，這是因?yàn)殪F區(qū)中的霧滴粒子在該通道反射率較周?chē)?。在BD3.725 μm通道(圖2e)中W—S—Z一線為“黑云”邊緣，霧區(qū)與周?chē)葡祵?duì)比度較明顯，這是由于日間霧區(qū)溫度較周?chē)斐?。地面?shí)況顯示S—Z附近為能見(jiàn)度在500～1 000 m的大霧。在BD10.8 μm通道(圖2f)J—W—S和Z—Q一線溫度較一致，S—Z一帶云頂溫度略低。在26日11:30的BD0.83 μm可見(jiàn)光通道(圖2g)中J—W—S—Z—Q反射率較周?chē)庆F區(qū)高，圖中色調(diào)略微更亮，在西部國(guó)境線附近有東北—西南向纖維狀少量卷云。在短波紅外BD3.725 μm通道(圖2i)中可以明顯看到北疆的“黑云”范圍較25日有明顯擴(kuò)大，邊界光滑，地面實(shí)況顯示26日大霧范圍明顯加大，J—W—S—Z—Q一線出現(xiàn)能見(jiàn)度為200～500 m的濃霧。W附近“黑云”中出現(xiàn)色調(diào)較白的冷云，說(shuō)明有冷空氣進(jìn)入大霧區(qū)，有利于大霧消散，在長(zhǎng)波紅外云圖(圖2j)中云頂溫度在225～235 K。

3.1.3 大霧消散階段

1月26日14:30地面大霧范圍明顯減小，BD2.2 μm通道(圖2k)中烏魯木齊機(jī)場(chǎng)Z處出現(xiàn)反射率小的暗區(qū)，Q處大霧已經(jīng)消失，BD3.725 μm通道(圖2l)沿天山一帶呈現(xiàn)狹長(zhǎng)“黑云”帶，云頂溫度逐漸降低(圖略)，說(shuō)明霧層有所抬升，機(jī)場(chǎng)能見(jiàn)度由200～500 m(濃霧)轉(zhuǎn)為500～900 m(大霧)，16：00以后能見(jiàn)度轉(zhuǎn)為1 km以上(輕霧)，此次大霧天氣過(guò)程結(jié)束。

圖2 2019年1月25—26日持續(xù)濃霧過(guò)程中，25日00：30(a)、04：30(b)、14：30(c～f)，26日11：30(g～i)、14：30(k～l)FY-4A的AGRI各通道圖像

3.2 衛(wèi)星云產(chǎn)品分析

FY-4A的L2級(jí)云產(chǎn)品基于4 000 m分辨率L1級(jí)紅外通道數(shù)據(jù)反演，因此該產(chǎn)品全天可用。1月25日02:30沿天山一帶開(kāi)始出現(xiàn)大霧，云頂高度大約為1 000～3 000 m(圖略)。14:30云頂高度(圖3a)顯示，北疆沿天山一帶有小范圍低云，云頂高度大約為1 000～3 000 m，在云分類(lèi)產(chǎn)品(圖3b)中沿天山一帶主要為暖液態(tài)水云和過(guò)冷水云，這與3.1節(jié)中沿天山一帶云頂不均勻，頂部有凸起較對(duì)應(yīng)。夜間，北疆沿天山云頂高度維持在1 000～3 000 m，主要以暖液態(tài)水云為主伴隨少量過(guò)冷水云(圖略)。26日11:30(圖3c)沿天山一帶1 000～3 000 m云頂高度和范圍明顯較25日加大，云相態(tài)與云分類(lèi)均為暖液態(tài)水云，在S北側(cè)有過(guò)冷水云(圖3d)，Z處云頂高度略高于其他地區(qū)，對(duì)應(yīng)時(shí)次的烏魯木齊機(jī)場(chǎng)實(shí)況顯示出現(xiàn)能見(jiàn)度為200～500 m的濃霧。26日14:30沿天山一帶大霧范圍有所減小，云頂高度產(chǎn)品中邊界不平滑(圖3e)，云頂高度為2 000～3 000 m，較大霧維持時(shí)段有所抬升，云分類(lèi)產(chǎn)品圖(圖3f)顯示W(wǎng)、S附近的過(guò)冷水云消失。

圖3 2019年1月25日14：30(a，b)，26日11：30(c，d)和14：30(e，f)大霧天氣FY-4A云產(chǎn)品

綜上所述，對(duì)于日間霧的監(jiān)測(cè)，可以選擇BD0.83 μm、BD2.2 μm、BD3.725 μm和BD10.8 μm通道，但是對(duì)夜間霧的監(jiān)測(cè)比較困難，可以使用BTD10.8 μm-3.725 μm通道差圖像進(jìn)行監(jiān)測(cè)，同時(shí)FY-4A的云頂高度和云分類(lèi)產(chǎn)品也可以作為夜間霧監(jiān)測(cè)的輔助手段。其中BD0.83 μm、BD2.2 μm、BD3.725 μm通道均為FY-4A新增通道，與FY-2系列衛(wèi)星相比具有更豐富的通道信息，更有利于對(duì)大霧的監(jiān)測(cè)。

4 2019年3月17—18日連續(xù)濃霧分析

4.1 各通道圖像分析

4.1.1 第一階段

2019年進(jìn)入3月以后，北疆地表溫度升溫明顯，地面幾乎無(wú)積雪，因此衛(wèi)星探測(cè)低云/霧效果更好。3月16日白天，北疆沿天山一帶主要為輕霧天氣，自動(dòng)氣象站能見(jiàn)度為1～3 km，溫度為-2～2℃，夜間溫度開(kāi)始下降，沿天山一帶能見(jiàn)度略有下降。16日23時(shí)，烏魯木齊機(jī)場(chǎng)周邊的米泉、昌吉、五家渠三站出現(xiàn)能見(jiàn)度在1 000 m以下大霧。

3月17日大霧維持期間，在10:30衛(wèi)星云圖BD0.83 μm通道圖像(圖4a)上，J—W—S—Z—Q一帶上空有色調(diào)較亮的低云霧，低云反射率大約為0.5～0.7，J—W—S云頂不光滑，有不均勻凸起，說(shuō)明霧頂上空有擾動(dòng)云系，S—Z—Q一線云頂較為光滑均勻，邊界清晰，地面自動(dòng)氣象站實(shí)況顯示S—Z—Q一線出現(xiàn)能見(jiàn)度為200～500 m的濃霧，而J—W—S出現(xiàn)能見(jiàn)度為2～4 km的輕霧。BD0.47 μm、BD0.65 μm通道圖像(圖略)差別不大，但BD0.83 μm圖像對(duì)比度稍高，對(duì)地表監(jiān)測(cè)效果更好，更容易觀察沿天山一帶霧區(qū)，其色調(diào)較BD0.47 μm更亮一點(diǎn)。在BD2.2 μm中波紅外通道圖像(圖4b)中J—W—S—Z—Q一帶霧區(qū)色調(diào)明顯較周?chē)?，輪廓很清晰，但J—W—S色調(diào)較S—Z—Q暗，這是由于J—W—S一線霧區(qū)上空的中低層擾動(dòng)云系中含有半徑較大的雨滴粒子，其反射率小于霧區(qū)的半徑較小的雨滴粒子。在BD3.725 μm通道圖像(圖4c)中Z—Q一線溫度較高，能表現(xiàn)出“黑云”特征，且“黑云”輪廓與BD0.83 μm通道沿天山一帶中東部輪廓一致，云頂亮溫在270～300 K。在BD10.8 μm通道長(zhǎng)波紅外圖(圖4d)中北疆盆地霧區(qū)溫度分布很不均勻，這說(shuō)明云頂溫度差別較大，S—Z—Q溫度相對(duì)較高，約為240～260 K，而J—W—S溫度最低達(dá)到200～230 K，這可反映出云頂高度不均勻，與BD0.83 μm、BD2.2 μm通道反映出的霧頂之上有中低擾動(dòng)云系較對(duì)應(yīng)。隨著J—W—S一帶的中低擾動(dòng)云系的移動(dòng)，北疆盆地霧區(qū)東部邊緣開(kāi)始向西消散，邊緣開(kāi)始模糊，而霧區(qū)西部無(wú)明顯變化，此時(shí)地面實(shí)況中W—S能見(jiàn)度上升至1～2 km，說(shuō)明中高云帶來(lái)了擾動(dòng)，使得地面靜穩(wěn)條件略有減弱。

在17日14:30可見(jiàn)光BD0.8 μm通道圖像(圖4e)中S—Z—Q一線色調(diào)較S以西地區(qū)亮且可清晰看出云頂不均勻的凸起，盆地東部霧邊緣進(jìn)一步變得模糊，而西部邊界仍然很光滑，云層厚度有所減小，BD3.725 μm通道(圖4g)中盆地霧區(qū)輪廓仍然清晰可見(jiàn)，其反射率明顯大于周?chē)庆F區(qū)，但S—Z上空反照率相對(duì)霧區(qū)其余部分要暗，說(shuō)明BD0.83 μm中顯示的烏魯木齊上空中高云的反射率較霧區(qū)的層云暗一些。在BD3.725 μm(圖4g)中波紅外圖像中J—W—S由于霧區(qū)溫度相對(duì)較高，顯示為“黑云”，而S—Z—Q區(qū)域色調(diào)呈灰白至白色，說(shuō)明云頂相對(duì)較冷，且霧層相對(duì)較薄。而長(zhǎng)波紅外BD10.8 μm通道圖像(圖4h)顯示與BD3.725 μm一致，說(shuō)明此時(shí)S—Z上空有中高云擾動(dòng)云系，對(duì)應(yīng)地面實(shí)況中S—Z—Q一線能見(jiàn)度均上升至1～2 km。此后霧區(qū)范圍維持緩慢減小，而S—Z一線受中高云影響，實(shí)況一致為輕霧，能見(jiàn)度為1～2 km。烏魯木齊機(jī)場(chǎng)第一階段大霧結(jié)束。

4.1.2 第二階段

3月18日00:00開(kāi)始，S—Z一帶輕霧再次轉(zhuǎn)為大霧，個(gè)別站點(diǎn)出現(xiàn)能見(jiàn)度為200～500 m濃霧。在17日23:30紅外BTD10.8 μm-3.725 μm圖像(圖4i)中開(kāi)始北疆盆地霧區(qū)范圍再次擴(kuò)大，18日03:30(圖4j)霧區(qū)范圍最大，地面實(shí)況中W—S—Z—Q一線為能見(jiàn)度在0～100 m特強(qiáng)濃霧。05:30(圖4k)開(kāi)始高空波動(dòng)云系進(jìn)入新疆西部地區(qū)，并向東北移動(dòng)。07:30(圖4l)霧區(qū)上空出現(xiàn)結(jié)構(gòu)較為松散的波動(dòng)云系，僅對(duì)Z及附近的阜康、天池站的大霧消散起到一定作用，W—S一帶出現(xiàn)大霧并仍維持能見(jiàn)度為100～200 m的特強(qiáng)濃霧。

18日14:30云系大范圍影響北疆地區(qū)，沿天山一帶大部分站點(diǎn)濃霧消散轉(zhuǎn)為輕霧，能見(jiàn)度為1～5 km，可見(jiàn)光BD0.8 μm圖像(圖4m)沿天山一帶呈東西向云帶，且反照率較強(qiáng)，可明顯看出云層較厚，云頂出現(xiàn)纖維狀卷云，反射率為0.5～0.7。在BD2.2 μm短波紅外圖像(圖4n)中沿天山一帶出現(xiàn)反射率較亮的東西向云系，但范圍較17日明顯減小，主要集中在S—Z和Z—Q一帶，反射率約為0.5～0.7。在BD3.725 μm中波紅外圖(圖4o)中Z上空云系溫度較低，呈灰色，黑云形狀不明顯。在BD10.8 μm長(zhǎng)波紅外通道圖像(圖4p)中沿天山一帶云系色調(diào)較亮，Z以東區(qū)域上空云頂溫度為210～230 K，說(shuō)明受中高云影響。隨著冷空氣主力進(jìn)入新疆地區(qū)，沿天山一帶大霧消散，烏魯木齊機(jī)場(chǎng)大霧于18時(shí)消散轉(zhuǎn)為能見(jiàn)度在1 km以上的輕霧，此次大霧過(guò)程結(jié)束。

圖4 2019年3月17—18日大霧天氣過(guò)程中，17日10：30(a～d)、14：30(e～h)、23：30(i)，18日03：30(j)、05：30(k)、07：30(l)、14：30(m～p)FY-4A的AGRI各通道圖像

4.2 衛(wèi)星云產(chǎn)品分析

3月16日23:00北疆沿天山一帶出現(xiàn)云頂高度為1 000～3 000 m的低云霧區(qū)(圖5a)，云分類(lèi)產(chǎn)品(圖5b)顯示為暖液態(tài)水云，地面實(shí)況顯示W(wǎng)—S—Z—Q一帶出現(xiàn)能見(jiàn)度<1 km的大霧天氣，局地出現(xiàn)濃霧和特強(qiáng)濃霧。17日10：30(圖5c)，大霧區(qū)域范圍較夜間加大，且在J—W—S一線上空出現(xiàn)4 000～8 000 m的中高層云系，云分類(lèi)圖中(圖5d)對(duì)應(yīng)J—W—S一線出現(xiàn)過(guò)冷水云及冰水混合云，W南部天山山區(qū)出現(xiàn)了卷云。17日14:30云頂高度(圖5e)為4 000～8 000 m的中高云東移進(jìn)入烏魯木齊地區(qū)，大部分為不透明卷云伴隨少量過(guò)冷水云(圖5f)。受擾動(dòng)云系影響，15:00—23:00沿天山一帶地面實(shí)況顯示為能見(jiàn)度為1～2 km的輕霧天氣,烏魯木齊機(jī)場(chǎng)第一階段大霧結(jié)束。隨著擾動(dòng)云系的遠(yuǎn)離，靜穩(wěn)形勢(shì)再次加強(qiáng)，17日23:00地面實(shí)況顯示北疆沿天山一帶大霧再次生成，從23:30云頂高度產(chǎn)品(圖5g)中也可看出北疆盆地云層高度較為一致，約為1 000～3 000 m，主要為暖液態(tài)水云(圖5h)。18日10：30(圖略)，J—W及其南部山區(qū)出現(xiàn)4 000～8 000 m的中高層云，S—Z—Q一線仍以云頂高度為1 000～3 000 m的低云霧為主，云分類(lèi)產(chǎn)品中J—W及南部山區(qū)主要為過(guò)冷水云，S—Z—Q為暖水云。14:00實(shí)況顯示S—Z一線大部分站點(diǎn)能見(jiàn)度上升至1 km以上，對(duì)應(yīng)時(shí)次的14:30(圖5i)天山山區(qū)、伊犁河谷中高云向東北移動(dòng)，云系影響沿天山一帶，云類(lèi)型(圖5j)主要為過(guò)冷水云、不透明冰云、冰云和卷云，過(guò)冷水云較零散，烏魯木齊大霧于18時(shí)地面冷空氣進(jìn)入后好轉(zhuǎn)。

圖5 2019年3月16日23：30(a，b)，17日10：30(c，d)、14：30(e，f)、23：30(g，h)，18日14：30(i，j)大霧天氣FY-4A云產(chǎn)品

綜上所述，通過(guò)使用FY-4A的云頂高度和云分類(lèi)產(chǎn)品能夠更加清晰了解霧的范圍、霧頂高度和云的微物理結(jié)構(gòu)，對(duì)霧的生消有更好的認(rèn)識(shí)，彌補(bǔ)了夜間霧的監(jiān)測(cè)劣勢(shì)。

5 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)兩次持續(xù)性強(qiáng)濃霧天氣的分析，得到以下結(jié)論：

(1)FY-4A可見(jiàn)光通道對(duì)于白天大霧監(jiān)測(cè)有較好的效果，其中BD0.83 μm通道對(duì)云和地表監(jiān)測(cè)效果較BD0.47 μm、BD0.65 μm通道更好，BD2.2 μm通道對(duì)大霧反應(yīng)效果更好，由于BD2.2 μm通道中心波長(zhǎng)為2.2 μm，屬于短波紅外通道，其接收到的輻射有太陽(yáng)短波輻射和地球長(zhǎng)波輻射，因此該通道受可見(jiàn)光影響，在白天使用效果較好，夜間圖像很暗，無(wú)法使用。BD3.725 μm通道中心波長(zhǎng)為3.725 μm，與FY-2系列衛(wèi)星的IR4通道較一致，對(duì)于大霧，由于其白天接收太陽(yáng)短波輻射，溫度相對(duì)周?chē)^高，在圖像中表現(xiàn)為“黑云”，但夜間由于接收不到太陽(yáng)輻射，其使用與長(zhǎng)波紅外通道類(lèi)似，但其接收的紅外輻射小于BD10.8 μm通道，因此可以用BTD10.8 μm-3.725 μm通道差圖像對(duì)夜間霧進(jìn)行識(shí)別。業(yè)務(wù)上常用的長(zhǎng)波紅外BD10.8 μm通道圖像全天可用，但對(duì)于上層有云的霧區(qū)監(jiān)測(cè)效果不好，但是可用其來(lái)判別擾動(dòng)云系的移動(dòng)，這對(duì)于夜間大霧消散還是有較好效果。

(2)FY-4A的云頂高度和云分類(lèi)產(chǎn)品在這兩次大霧中有較好表現(xiàn)。對(duì)于低云和霧區(qū)，其云頂高度為1 000～2 000 m，當(dāng)高度變化為2 000～3 000 m時(shí)，地面霧層有所抬升，能見(jiàn)度好轉(zhuǎn)，云分類(lèi)產(chǎn)品可以較好地判斷云的種類(lèi)，對(duì)于低云霧，主要為暖液態(tài)水云，而對(duì)于中高云，主要為過(guò)冷水云、混合不透明冰云、透明冰云和卷云。當(dāng)大范圍過(guò)冷水云覆蓋霧區(qū)時(shí)，有助于補(bǔ)充水汽，不利于大霧消散，而出現(xiàn)大范圍混合不透明冰云、透明冰云和卷云時(shí)，有利于大霧消散。