風(fēng)云4A衛(wèi)星沙塵檢測(cè)產(chǎn)品在內(nèi)蒙古區(qū)域的應(yīng)用

王家樂，銀 笛

（內(nèi)蒙古氣象信息中心，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051）

1 引言

近年來，氣象現(xiàn)代化建設(shè)推進(jìn)迅速，天、地、空多種類的氣象觀測(cè)、探測(cè)設(shè)備日益豐富，氣象信息的精度和時(shí)空密度都發(fā)生了根本性的改變。目前，內(nèi)蒙古觀測(cè)沙塵暴數(shù)據(jù)的觀測(cè)臺(tái)站僅有11個(gè)，大部分集中在中西部地區(qū)，分布不均勻。因此需要結(jié)合衛(wèi)星數(shù)據(jù)協(xié)同對(duì)沙塵暴天氣過程進(jìn)行監(jiān)測(cè)。風(fēng)云四號(hào)衛(wèi)星是中國(guó)新一代靜止氣象衛(wèi)星[1]，裝載了多通道掃描成像輻射計(jì)（AGRI），具備從高空檢測(cè)沙塵的能力，且在天氣晴朗無云的條件下沙塵天氣檢測(cè)效率非常高，且下發(fā)了jpg格式的沙塵檢測(cè)產(chǎn)品圖片，但是制作的圖片產(chǎn)品底圖是純黑色且不能著重凸顯內(nèi)蒙古區(qū)域的沙塵現(xiàn)象，產(chǎn)品如圖1所示。因此，本文以L2通道下NC格式的FY-4A氣象衛(wèi)星的沙塵檢測(cè)產(chǎn)品為研究對(duì)象，分析沙塵指標(biāo)，繪制內(nèi)蒙古區(qū)域的沙塵檢測(cè)圖。

圖1 沙塵檢測(cè)jpg產(chǎn)品圖

2 沙塵檢測(cè)產(chǎn)品介紹

文中選用的是風(fēng)云四號(hào)衛(wèi)星L2通道的全圓盤沙塵檢測(cè)產(chǎn)品，產(chǎn)品格式為NC格式，分辨率為4 km，主要應(yīng)用產(chǎn)品的沙塵分?jǐn)?shù)（DST）數(shù)據(jù)，沙塵產(chǎn)品采用的是積分制，分?jǐn)?shù)越高，則表示沙塵出現(xiàn)的概率越大[2]。產(chǎn)品文件名命名規(guī)則如下：

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 Python語言簡(jiǎn)介

Python語言是跨平臺(tái)的開源編程語言[3]，是公認(rèn)的全球5大流行語言之一，在云計(jì)算、大數(shù)據(jù)及人工智能領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用，其語法簡(jiǎn)單、功能強(qiáng)大且簡(jiǎn)潔易讀，可在Linux、Windows等多個(gè)平臺(tái)無縫連接，社區(qū)活躍，集眾人之力發(fā)布了很多標(biāo)準(zhǔn)庫及功能類庫，極大地提升了開發(fā)效率，文中主要應(yīng)用了處理數(shù)據(jù)的Pandas類庫，解析NC格式文件的netCDF4類庫及繪制專題圖的Basemap類庫。

3.2 NetCDF文件介紹

NetCDF數(shù)據(jù)集（簡(jiǎn)稱NC）是一種自描述的二進(jìn)制數(shù)據(jù)格式，包含維（dimensions）、變量（variables）和屬性（attributes）三種數(shù)據(jù)類型[4]，變量存儲(chǔ)的表征其物力性質(zhì)的真實(shí)數(shù)據(jù)，維則對(duì)應(yīng)的是變量的維度信息，屬性則是變量輔助信息屬性，主要用于存儲(chǔ)氣象科學(xué)中的氣象數(shù)據(jù)，文中主要應(yīng)用Python語言的netCDF4類庫對(duì)NC數(shù)據(jù)集進(jìn)行解析。

4 主要實(shí)現(xiàn)方法

4.1 成像儀標(biāo)稱行列號(hào)與經(jīng)緯度匹配表生成

風(fēng)云4A產(chǎn)品存儲(chǔ)的位置信息是成像儀標(biāo)稱行列號(hào)，無實(shí)際的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)，需要讀取標(biāo)稱網(wǎng)格文件，沙塵檢測(cè)產(chǎn)品對(duì)應(yīng)的經(jīng)緯度文件為FullMask_Grid_4000_1047.raw，文件是一個(gè)2 748×2 748的規(guī)則網(wǎng)格，從北向南、從西向東依次填寫，每個(gè)網(wǎng)格存儲(chǔ)的是16個(gè)字節(jié)，前8字節(jié)為經(jīng)度值，后8字節(jié)為緯度值，數(shù)據(jù)類型為double。文章研究的內(nèi)蒙古區(qū)域 經(jīng) 度 范 圍 是97.3°E—126.2°E、緯 度 范 圍 是37.3°N—53.4°N，編寫Matlab程序，生成內(nèi)蒙古區(qū)域標(biāo)稱行列號(hào)與經(jīng)緯度匹配表，具體代碼如下所示：

4.2 經(jīng)緯度和沙塵分?jǐn)?shù)數(shù)據(jù)預(yù)處理

4.2.1 經(jīng)緯度數(shù)據(jù)預(yù)處理

成像儀標(biāo)稱行列號(hào)與經(jīng)緯度匹配表存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)格式是“行號(hào)，列號(hào)，經(jīng)度，緯度”，需要經(jīng)過預(yù)處理將一維列式存儲(chǔ)格式轉(zhuǎn)為二維網(wǎng)格存儲(chǔ)，讀取匹配表中的最大和最小行列號(hào)，計(jì)算橫向網(wǎng)格和縱向網(wǎng)格數(shù)，然后將經(jīng)度和緯度一維數(shù)組轉(zhuǎn)換為2維網(wǎng)格數(shù)據(jù)，具體代碼如下所示：

4.2.2 沙塵分?jǐn)?shù)數(shù)據(jù)預(yù)處理

利用netCDF4類庫讀取沙塵檢測(cè)產(chǎn)品的沙塵分?jǐn)?shù)數(shù)據(jù)集[5]，按照內(nèi)蒙古區(qū)域范圍對(duì)沙塵分?jǐn)?shù)數(shù)據(jù)集進(jìn)行裁剪，具體代碼如下所示：

4.3 沙塵檢測(cè)圖繪制

應(yīng)用Matplotlib類庫的子包Basemap繪制沙塵檢測(cè)圖，繪制步驟如下：

第一步，設(shè)置繪圖區(qū)域及投影。創(chuàng)建一個(gè)Basemap實(shí)例，用來設(shè)置繪圖區(qū)域和投影。文中繪圖區(qū)域選擇的是內(nèi)蒙古區(qū)域，投影是墨卡托投影，代碼如下所示：

m=Basemap(projection='merc',llcrnrlat=37.3,urcrnrlat=53.45,llcrnrlon=97.3,urcrnrlon=126.20,resolution='c')

第二步，經(jīng)緯度與圖像像素點(diǎn)轉(zhuǎn)換。調(diào)用map函數(shù)將預(yù)處理的經(jīng)緯度映射為繪制圖像的像素點(diǎn)，代碼如下所示：x,y=m(lons,lats)

第三步，設(shè)置繪圖色標(biāo)。選用十六進(jìn)制作為設(shè)定顏色值的代碼，沙塵分?jǐn)?shù)值越大顏色越深，顏色編碼序列為

['#FFE479','#FDDD6E','#F3AC5C','#FA7935','#F45A10','#F75 60E']，設(shè)置了顏色序列，還要為每一組顏色匹配對(duì)應(yīng)的沙塵分?jǐn)?shù)范圍，沙塵分?jǐn)?shù)數(shù)據(jù)列表為[12,15,17,19,21,23,24]，代碼如下所示：

第四步，繪制沙塵檢測(cè)圖。調(diào)用Basemap的內(nèi)置函數(shù)contourf沙塵檢測(cè)圖繪制并保存為圖片，代碼如下所示：

5 應(yīng)用與總結(jié)

本文基于全圓盤沙塵監(jiān)測(cè)產(chǎn)品繪制了底圖透明的內(nèi)蒙古區(qū)域的沙塵檢測(cè)圖，產(chǎn)品如圖2所示，并在內(nèi)蒙古沙塵暴天氣實(shí)時(shí)跟蹤監(jiān)測(cè)系統(tǒng)開展應(yīng)用，為開展沙塵暴天氣科研、預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)以及氣象服務(wù)提供了數(shù)據(jù)產(chǎn)品支撐。

圖2 內(nèi)蒙古區(qū)域沙塵檢測(cè)圖

致謝：在此，特別感謝國(guó)家衛(wèi)星氣象中心風(fēng)云衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)服務(wù)網(wǎng)http://satellite.nsmc.org.cn/提供的相關(guān)風(fēng)云衛(wèi)星沙塵監(jiān)測(cè)產(chǎn)品及輔助數(shù)據(jù)。