利用衛(wèi)星紅外多光譜監(jiān)測(cè)沙塵的方法

苗慧靈

（北京市氣象局，北京 100089）

利用衛(wèi)星紅外多光譜監(jiān)測(cè)沙塵的方法

苗慧靈

（北京市氣象局，北京 100089）

利用沙塵與水云、冰云、下墊面對(duì)紅外輻射的散射、吸收差異，研究了一種衛(wèi)星監(jiān)測(cè)沙塵方法。將TBD8.5－11（8.5μm減11μm亮溫差）、TBD11－12（11μm減12μm亮溫差）、T11（11 μm亮溫）轉(zhuǎn)換成3基色，經(jīng)伽瑪校正合成彩色圖，用于沙塵監(jiān)測(cè)。在實(shí)際應(yīng)用中的結(jié)果表明：此方法對(duì)弱沙塵敏感，能詳細(xì)反映沙塵強(qiáng)弱、位置高低以及沙地和云等多種信息，明顯優(yōu)于常用方法，對(duì)于研究沙塵對(duì)云的影響具有重要意義。同時(shí)，該方法能夠發(fā)揮衛(wèi)星日夜不間斷探測(cè)的優(yōu)點(diǎn)，適合連續(xù)跟蹤監(jiān)測(cè)。

沙塵暴；多光譜合成；衛(wèi)星遙感

我國(guó)北方沙塵多發(fā)，對(duì)環(huán)境、生態(tài)、氣候等產(chǎn)生影響，成為當(dāng)今普遍關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題［1］。國(guó)內(nèi)外沙塵研究主要為沙塵監(jiān)測(cè)、形成機(jī)制、輸送、預(yù)測(cè)、特性及其氣候效應(yīng)等，觀測(cè)是研究基礎(chǔ)，由于地面測(cè)站有限，衛(wèi)星能彌補(bǔ)測(cè)站不足的缺陷。衛(wèi)星監(jiān)測(cè)沙塵主要有兩種技術(shù)體系，即常用可見光加近紅外 （VIR）和熱紅外 （TIR）技術(shù)［2］。早在1974年Shenk等［3］提出可見光加紅外方法；Ackeman［4］曾用中紅外 （3.7μm）和紅外 （11μm）亮溫差監(jiān)測(cè)沙塵暴；郭鈮等［5］利用可見光 （0.45μm）和近紅外 （2.1μm）、紅外 （3.7μm，8.5μm）亮溫差建立了沙塵暴指數(shù)；Zhang等［6］用 TBD11－12（11μm 減12μm 亮溫差）、TBD8.5－11（8.5μm 減11μm 亮溫差）識(shí)別沙塵，分級(jí)顯示沙塵強(qiáng)弱、冰云、水云等。

一方面，對(duì)于沙塵TBD11－12為負(fù)值，云和地表TBD11－12為正值 （或零），因此，用TBD11－12很容易識(shí)別沙塵。另一方面，由于水汽對(duì)8.5μm吸收較強(qiáng)，在無(wú)沙 （或弱沙）時(shí)，T8.5（8.5μm亮溫）＜T11（11μm 亮溫），TBD8.5－11為負(fù)；當(dāng)強(qiáng)沙塵時(shí)，TBD8.5－11為正。因此，可用 TBD8.5－11標(biāo)識(shí)沙塵的強(qiáng)弱。利用MODIS紅外 （8.5μm、11μm、12μm）資料，將 TBD8.5－11、TBD11－12、T11轉(zhuǎn)換為3基色，經(jīng)伽瑪校正合成彩色圖監(jiān)測(cè)沙塵，方法適用日夜連續(xù)監(jiān)測(cè)。利用紅外多光譜監(jiān)測(cè)沙塵，還可獲得云和地表詳細(xì)信息，為研究沙塵對(duì)云的影響提供更豐富的信息，對(duì)環(huán)境影響研究具有重要意義。

1 監(jiān)測(cè)沙塵原理與方法

1.1 沙塵復(fù)折射指數(shù)特性

復(fù)折射指數(shù)實(shí)部和虛部反映了氣溶膠的散射、吸收能力。與水、冰相比，沙塵在11μm波段的復(fù)折射指數(shù)實(shí)部和虛部都大于12μm的，表明沙塵散射、吸收強(qiáng)，透過(guò)率小，更多12μm波段的能量穿過(guò)大氣到達(dá)衛(wèi)星，TBD11－12為負(fù)；相反，冰云、水云、地表TBD11－12為正。

雖然沙塵比冰云、水云對(duì)11μm的散射、吸收強(qiáng)，但是水汽對(duì)8.5μm （靠近水汽吸收波段）吸收更強(qiáng)。因此，當(dāng)沙塵較弱時(shí)，11μm散射、吸收不足以抵消8.5μm的水汽吸收時(shí)，8.5μm透過(guò)率小于11μm，TBD8.5－11為負(fù)；當(dāng)沙塵增強(qiáng)或有卷云時(shí)，11μm散射吸收增強(qiáng)，且大于8.5μm，TBD8.5－11為正。張鵬等［2］指出，強(qiáng)沙塵的 TBD8.5－11大于零；Ackerman等［7］觀測(cè)到卷云的8.5μm亮溫比11μm的高。晴空無(wú)沙塵時(shí)TBD8.5－11為較大負(fù)值。因此，TBD8.5－11反映了沙塵強(qiáng)弱。

1.2 MODIS紅外多光譜監(jiān)測(cè)沙塵方法

利用TBD11－12標(biāo)識(shí)沙塵，TBD8.5－11標(biāo)識(shí)沙塵的強(qiáng)弱，T11標(biāo)識(shí)目標(biāo)物溫度 （高度），表1給出MODIS識(shí)別沙塵閾值。將TBD11－12反轉(zhuǎn)值賦予紅色 （R），TBD8.5－11反轉(zhuǎn)值賦予綠色 （G），T11值賦予藍(lán)色 （B），合成紅外多光譜彩色圖，經(jīng)測(cè)試確定TBD11－12反轉(zhuǎn)值取值范圍為－4～3K，TBD8.5－11反轉(zhuǎn)值取值范圍為－2～10K，T11為261～289K。彩色圖中各種顏色物理意義為：紅色和紫紅色為沙塵，紅色表示沙塵溫度低 （高度高），紫紅色表示沙塵溫度高 （高度低），弱沙塵為淺紫色，顏色越深沙塵越強(qiáng)，反之亦然；水云為土黃色，冰云為暗紅色，沙地為青白色。因此，用此方法得到沙塵監(jiān)測(cè)圖，圖中的沙塵、水云、冰云、沙地色差大，易于分辨，將沙塵顯示為紅色和紫紅色還能起到警示作用。

表1 沙塵閾值

2 個(gè)例應(yīng)用

2.1 白天沙塵監(jiān)測(cè)與傳統(tǒng)方法比較

選取2008年5月2日沙塵過(guò)程，分別采用該方法和2種常用方法合成衛(wèi)星圖像，對(duì)比分析監(jiān)測(cè)沙塵效果。當(dāng)天Aqua衛(wèi)星過(guò)境為13：15（北京時(shí)間，以下均同），用 TBD11－12、TBD8.5－11、T11合成得到圖1a。由圖1a可見，強(qiáng)沙塵位于圖中央呈紅色和紫紅色，高度不同，邊緣弱沙塵呈淺紫色，周圍沙地呈青白色，圖左上角和圖右側(cè)存在呈土黃色的水云和呈暗紅色的冰云，有些水云位于冰云之上，有些冰云位于沙塵之上，有些位于沙塵邊緣，能清晰看出云與沙塵界限及混合。用該方法監(jiān)測(cè)沙塵，能詳細(xì)反映沙塵強(qiáng)弱、高低，以及沙地和云等多種信息，對(duì)于研究沙塵對(duì)云的影響具有重要意義。

一種常用衛(wèi)星監(jiān)測(cè)沙塵方法是用3個(gè)可見光（0.645μm，0.555μm，0.469μm）反射率合成彩色圖 （圖1b），圖中栗黃色為沙塵，白色為云，當(dāng)云與沙塵混合時(shí)云區(qū)發(fā)黃，灰黑色為地表。圖中央呈栗黃色的強(qiáng)沙塵和圖上部白色云區(qū)清晰可見，右側(cè)發(fā)黃云區(qū)表示云與沙塵相互混合，但邊緣的弱沙塵和沙地辨識(shí)較困難。與圖1a相比，雖然強(qiáng)沙塵和云易于分辨，但對(duì)沙塵強(qiáng)弱和高度、云的相態(tài)不敏感，不易識(shí)別弱沙塵，區(qū)分沙塵與沙地困難，因?yàn)樯车嘏c栗黃色相近。

另一種常用方法是用表1的閾值，設(shè)定強(qiáng)沙塵為黃色，弱沙塵為暗黃色，在圖1b上半透明疊加得到圖1c。圖中黃色為強(qiáng)沙塵，暗黃色為弱沙塵，栗黃色為沙源地。與圖1b相比，通過(guò)加大強(qiáng)、弱沙塵和沙地色差，可視效果得到改善，但在沙塵與云互相混合區(qū)域，易錯(cuò)判成沙塵（見圖1c右側(cè)）而忽略云信息。與圖1a相比，在反映云信息 （水云、冰云）、云與沙塵相互作用、沙塵高度等方面效果欠佳。綜上所述，新方法可視能力強(qiáng)，在許多方面優(yōu)于常用可見光方法，特別是在與云互相作用區(qū)域優(yōu)勢(shì)明顯。

2.2 雙星日夜連續(xù)沙塵監(jiān)測(cè)

2011年5月11日，受鋒面氣旋影響，蒙古國(guó)中東部、我國(guó)內(nèi)蒙古地區(qū)出現(xiàn)強(qiáng)沙塵，局部沙塵暴。衛(wèi)星監(jiān)測(cè)表明，沙塵源自蒙古國(guó)中部，進(jìn)入我國(guó)逐漸東移南下，經(jīng)歷先加強(qiáng)后減弱過(guò)程。圖2a為Terra衛(wèi)星 （過(guò)境時(shí)間11：37）多光譜圖，圖2b為Aqua衛(wèi)星 （過(guò)境時(shí)間13：17）多光譜合成圖，比Terra晚100min。由圖可知，在100min內(nèi)，紅色沙塵區(qū)面積沒(méi)有太大變化，但圖2b紅色增強(qiáng)表明沙塵強(qiáng)度增加，沙塵區(qū)位置與圖2a相似，南下了1個(gè)緯距，略為東移。

圖1 2008－05－02T13：15Aqua衛(wèi)星監(jiān)測(cè)沙塵的3種方法合成圖

圖2 2011－05－11—12EOS/MODIS衛(wèi)星4次過(guò)境紅外多光譜合成圖

圖2c和2d為衛(wèi)星夜間監(jiān)測(cè)沙塵多光譜合成圖，夜間各目標(biāo)物顏色物理意義與白天一致 （僅沙地因夜間溫度低呈金黃色）。與白天相比，夜間紅色沙塵區(qū)面積縮小強(qiáng)度減弱，至12日凌晨，116°E以西區(qū)域沙塵基本結(jié)束，僅東部存在沙塵，東移了4個(gè)經(jīng)距。利用MODIS衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)日夜不間斷沙塵跟蹤監(jiān)測(cè) （每天4次），有利于了解沙塵范圍、強(qiáng)度及演變，為研究沙塵暴和做好災(zāi)害防御提供監(jiān)測(cè)基礎(chǔ)。

2.3 地面監(jiān)測(cè)驗(yàn)證

2011年5月11日11時(shí)地面觀測(cè)資料顯示，沙塵暴位于106～118°E、41～46°N （圖3中曲線區(qū)域），與TERRA （11：37）衛(wèi)星監(jiān)測(cè)的沙塵暴 （圖2a）一致，表明衛(wèi)星監(jiān)測(cè)沙塵方法有效。

3 結(jié)論

針對(duì)沙塵、地表、云、下墊面在衛(wèi)星3個(gè)紅外通道 （8.5μm、11μm、12μm）的散射吸收特點(diǎn)和差異，建立可日夜不間斷監(jiān)測(cè)沙塵的紅外多光譜技術(shù)方法。其中，TBD11－12反映沙塵，TBD8.5－11反映沙塵強(qiáng)弱，T11反映目標(biāo)物溫度 （高度），賦于3基色進(jìn)行伽瑪校正，生成反映沙塵有無(wú)、強(qiáng)弱、冰云、水云及地表的多光譜彩色合成圖。

與常用可見光方法比較，該方法在反映云信息、云與沙塵相互作用區(qū)域、沙塵強(qiáng)弱與高度等方面可視效果更好，監(jiān)測(cè)功能更強(qiáng)，對(duì)弱沙塵、沙地、與云互相作用區(qū)識(shí)別優(yōu)勢(shì)明顯，實(shí)現(xiàn)日夜不間斷連續(xù)監(jiān)測(cè)，對(duì)研究沙塵發(fā)生、發(fā)展、演變具有現(xiàn)實(shí)意義。

［1］石廣玉，趙思雄 .沙塵暴研究中的若干科學(xué)問(wèn)題［J］.大氣科學(xué)，2003，27 （4）：591－606.

［2］張鵬，張興贏，胡秀清，等.2006年一次沙塵活動(dòng)的衛(wèi)星定量遙感和分析研究 ［J］.氣候與環(huán)境研究，2007，12 （3）：302－308.

［3］Shenk W E，Curran R J.The detection of dust storms over land and water with satellite visible and visible and infrared measurements ［J］.Mon Wea Rev，1974，102 （12）：830－837.

［4］Ackerman S A.Using the radiative temperature difference at 3.7and 11to track dust outbreaks［J］.Remote Sens Environ，1989，27 （2）：129－133.

［5］郭鈮，蔡迪花，韓蘭英，等.MODIS沙塵暴判識(shí)方法與業(yè)務(wù)系統(tǒng) ［J］.氣象，2009，35 （1）：102－108.

［6］Zhang P，Lu N M，Hu X Q，et al.Identification and physiclal retrieval of dust storm using three MODIS thermal IR channels ［J］.Global and Planetary Chance，2006，52 （4）：197－206.

［7］Ackerman S A，Smith W L，Spinhirne J D，et al.The 27—28October 1986FIRE IFO cirrus case study：Spectral properties of cirrus clouds in the 8－12μm window ［J］.Mon Wea Rev，1990，118（11）：2377－2388.

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苗慧靈 .利用衛(wèi)星紅外多光譜監(jiān)測(cè)沙塵的方法 ［J］.陜西氣象，2014（3）：1－4.

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2014－03－28

苗慧靈 （1962—），女，河北肅寧人，漢族，助工，從事應(yīng)用氣象工作。