风云卫星在沙尘天气监测中的业务应用

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一、引言

沙尘天气是干旱地区和半干旱地区特有的灾害性天气，多发区域往往自然条件恶劣、气象观测台站分布少，传统的地面观测存在大面积观测空白区，对沙尘天气监测与研究有很大的局限性。卫星遥感技术利用大气悬浮沙尘粒子的光谱辐射特性及其与云、裸地、植被和水体等光谱辐射特性的相对差异，实现对大气中沙尘信息的提取。卫星遥感技术的发展打破了传统地面沙尘监测的许多制约因素，其直观、监测范围广、动态监测能力强、精度高和时效性强的优势为大范围系统性监测沙尘天气的发生、移动和沉降以及定量遥感沙尘特性提供了超乎寻常的手段，卫星遥感技术在沙尘天气动态监测和定量研究中发挥着越来越重要的作用。

二、沙尘天气卫星遥感监测技术发展

利用卫星遥感技术对沙尘天气开展研究始于1970 年代，Shenk 和 Curran[1]、Carlson[2]、Norton[3]利用卫星可见光、红外波段监测沙尘并估算光学厚度，但单一通道数据判识存在很大局限性。随着星载传感器更新，运用可见光和红外通道反演沙尘技术形成了可见光近红外的VIR技术和热红外的TIR技术两类，可见光近红外VIR技术可实现暗背景上空的沙尘监测[4]，根据不同卫星的不同传感器，选择不同反射通道与红外通道组合运用此技术开展沙尘反演[5-6]。热红外的TIR技术不受夜间观测条件限制，且张鹏等[7-8]发展的算法解决了高亮陆表定量沙尘气溶胶参数反演，因此该方法在卫星定量遥感沙尘的研究中有较大的优势。

随着新型传感器和反演技术的发展，紫外、微波、激光雷达探测技术也逐渐在沙尘监测领域开展应用。Herman[9]定义了可在高亮地表上空实现沙尘反演的紫外波段气溶胶指数, 国内一些学者利用该指数对沙尘天气强度、影响范围和传播开展分析；Huang[10]发展了一种利用微波技术识别部分云下区域沙尘的方法即极化亮温差（MPI）方法,初步弥补了可见光和红外技术无法有效监测有云时沙尘范围的不足；卫星携带的世界上首个应用型星载云和气溶胶激光雷达CALIOP使全球范围的沙尘三维分布的探测成为可能[11]。

此外，不少沙尘遥感研究是结合天气学特点，利用卫星云图对沙尘天气发生的天气云系背景进行分析，以提高对沙尘暴天气系统发生、发展机理及其结构特征的认识，增强沙尘预报能力[12-13]。

纵观沙尘遥感监测技术的发展，沙尘遥感监测使用的卫星从最开始仅使用极轨气象卫星发展到极轨、静止气象卫星全面应用；使用的传感器从光学传感器扩展至微波、激光雷达等传感器；沙尘的遥感监测方法从利用单通道数据监测发展到多通道组合应用，波段使用也从常规的可见光、红外波段，发展、细化到了可见光、近红外、热红外、紫外波段、微波等，多光谱信息的综合应用显著提高了沙尘判识的准确率；沙尘遥感的研究方向也拓展为产生沙尘天气的云型特征分类分析、沙尘产品的反演、沙尘的分布和传播以及下垫面对沙尘灾害形成、演化贡献的研究等；沙尘遥感监测反演的沙尘产品也从单纯的沙尘区域识别，逐渐发展为多元化的卫星定量遥感沙尘信息的产品，包括沙尘气溶胶的光学厚度、沙尘粒子尺度、沙尘柱浓度、沙尘三维分布等。

三、风云卫星沙尘遥感监测业务

我国西北地区以及与我国接壤的蒙古国存在大片沙源地，因此我国沙尘天气既有沙源地附近发生、发展出的强沙尘天气，又有随天气系统向下游传播的扬沙、浮尘天气以及扩散的沙尘气溶胶，具有丰富的沙尘天气类型，针对不同类型沙尘天气监测需求，在实际应用服务中逐渐发展出多种沙尘遥感监测业务产品。目前在轨业务运行的风云二号（FY-2）、风云三号（FY-3）、风云四号（FY-4）系列气象卫星等均具备沙尘监测能力，可通过风云卫星地面应用系统提供业务化的沙尘自动产品，还可利用卫星监测分析与遥感应用系统（SMART）和卫星天气应用平台（SWAP）等业务平台人机交互获得沙尘监测产品，本节着重介绍目前国家卫星气象中心基于风云卫星发展的沙尘遥感监测业务产品。

1. 沙尘彩色合成图产品

通过气象卫星不同通道探测值的组合可以得到多通道彩色合成图，根据沙尘特有的色调、纹理、形状等影像特征，辅以地面实时观测的常规气象资料，根据通道判识阈值对沙尘区进行识别，得到沙尘判识的二值数据，通过附色可得到沙尘监测示意图产品，进而对沙尘影响范围、沙尘覆盖面积、沙尘对交通和土地利用影响等开展定量评估。FY-3系列气象卫星彩色合成图像上沙尘区为沙黄色且有顺风向的纹理，地面裸沙也为沙黄色但无顺风向的纹理，有植被的地面为暗绿色，沙尘区色调的深浅可反映沙尘浓度高低，色调越深表示沙尘浓度越大。FY-4A气象卫星搭载的先进静止轨道辐射成像仪（AGRI）使得静止卫星同样可获取沙尘彩色合成图，为高频次、直观的沙尘监测提供可能。

2. 红外差值沙尘指数产品

FY-2系列气象卫星提供的红外差值沙尘指数产品（IDDI）是目前国内外静止卫星沙尘暴业务产品生成广泛采用的参数之一。卢乃锰、胡秀清等[14-16]从2001年开始研究静止气象卫星的自动沙尘监测方法，引入该指数，并开发了静止气象卫星沙尘自动监测业务算法。利用红外通道观测到的实时目标亮温减去同时刻晴空大气地表亮温，可得到表征由大气沙尘气溶胶造成的地气系统亮温衰减量，即IDDI指数。IDDI可作为沙尘强度的半定量参数，研究和实际业务应用表明，IDDI阈值10和15可以分别确定为对应的沙尘和严重沙尘条件[16]。该产品可以充分利用静止卫星高频次观测优势，动态监测沙尘移动及强度演变情况。

3. 沙尘分数产品

利用FY-3气象卫星可见光红外扫描辐射计（VIRR）研发了基于动态阈值的沙尘自动识别方法[17]，采用12组判识标准自动检测和判识沙尘天气，根据阈值表进行综合信度（沙尘分数）计算，阈值包括0.64μm反射率、11μm亮温、3.7μm亮温、11与12μm亮温差、11与3.7μm亮温差、NDSI雪盖指数、NDVI植被覆盖指数、MNDVI增强植被覆盖指数、0.47μm反射率与0.64μm反射率之比、11μm背景亮温与实际亮温差，以及反射率标准差（只针对海洋）。

FY-4A气象卫星的沙尘检测产品[18-19]也以沙尘分数表示，利用AGRI波段特点，设计12组沙尘判识指标，沙尘分数由通过的沙尘检测指标个数及其阈值的PDF函数决定，沙尘分数越高，越接近标准沙尘光谱统计值，也即沙尘可能性越大，推荐的沙尘分数16以上为沙尘像元，14—16为可能沙尘像元，14以下为非沙尘像元。

4. 沙尘强度指数产品

FY-3系列气象卫星可见光红外扫描辐射计（VIRR）的沙尘强度指数产品[20]（DII）可实时自动提供全球范围的沙尘识别结果和沙尘强度指数。首先利用可见光、近红外（1.6μm）、中红外（3.7μm）和热红外分裂窗通道作为主要的沙尘信息提取波段，实现沙尘信息的自动提取，以零值或者非零值来表示非沙尘区和沙尘区。针对沙尘区，使用近红外通道（1.6μm）计算得到可比强度沙尘指数[21]，结合红外分裂窗通道比值，增加对弱沙尘区强度变化的定量描述，最终得到沙尘强度指数。该产品使用经过归一化处理的1—100之间的无量纲数值代表沙尘强度分布信息，数值越大表示沙尘强度越强，通常，沙尘强度指数大于50为沙尘暴强度[22]。

5. 沙尘能见度产品

根据气象学定义，沙尘天气等级依据水平能见度和风速，且只有水平能见度可以定量反映沙尘天气强度。通过卫星遥感方法获取的沙尘信息主要体现沙尘在垂直方向的分布情况，为了得到以水平能见度为表征的沙尘强度产品，需建立卫星遥感获取的沙尘垂直分布信息和地面水平能见度之间的对应关系。利用提取的近十年沙尘遥感通道信息和沙尘遥感监测信息，基于气象常规观测水平能见度数据，得到沙尘地面能见度统计分析模型，构建适合业务运行要求的沙尘天气强度（水平能见度）反演方法，以反演得到的地面水平能见度表征沙尘天气强度。利用该产品可直观地反映出沙尘强度分布，业务应用显示该产品与地面站点水平能见度一致性高。该业务算法已经集成在国家卫星气象中心业务平台SMART中，以FY-3系列气象卫星作为数据源，输出该业务产品。

6. 大气气溶胶光学厚度产品

FY-3气象卫星中分辨率光谱成像仪（MERSI）的气溶胶产品光学厚度产品[17]（AOD）是白天晴空条件下暗地表区域（水体和较低反射率的浓密植被等）上空的大气气溶胶光学厚度，是利用0.47μm和0.65μm、2.1μm通道观测资料反演的470nm、550nm、650nm波长大气整层气溶胶垂直消光光学厚度，是无量纲参数。其中550nm的气溶胶光学厚度，是表征大气混浊度和气溶胶含量的一个重要物理量，气溶胶含量越高，则AOD的值越大。有沙尘天气发生时，AOD可以用于反映大气中沙尘气溶胶含量的高低，进而判断沙尘天气的强弱[23-24]。

7. 吸收性气溶胶指数产品

沙尘气溶胶是吸收性气溶胶的重要的一种，利用紫外通道数据反演参数来表征对紫外线具有吸收性的气溶胶含量多少和吸收强弱的关系，可用于沙尘监测。FY-3气象卫星紫外臭氧总量探测仪（TOU）的吸收性气溶胶指数（AAI）定义为AAI=100log10(I360_meas/I360_calc)，其中I360_meas代表波长360nm处卫星观测到的辐亮度，I360_calc代表360nm处不考虑气溶胶影响的条件下理论计算得到的卫星辐亮度模拟值，这两个量的比值反映了大气中对紫外波段有吸收性的气溶胶的多少，是无量纲参数。一般来说，对于非吸收性气溶胶，AAI指数接近零甚至是负值，但对于沙尘类吸收性气溶胶有显著的指示意义，尤其对于地面背景很亮的地区，例如冰雪和有云的地区，一般的光学仪器无法获取沙尘等吸收性气溶胶的分布范围，但AAI指数受此影响较小。业务中沙尘发生时往往伴随着云系存在，光学通道监测结果结合AAI指数高值区可排除云的干扰，辅助监测沙尘全貌。

8. 周期统计产品

利用逐次沙尘判识得到的定量数据生成特定时间周期内，例如月度、年度、季节等的沙尘分布与发生频次，并进行沙尘覆盖面积和累计影响面积等统计。图1为2015年春季气象卫星全国沙尘频次统计，可以看到南疆盆地，内蒙古中西部偏北地区，内蒙、吉林、辽宁交界地区沙尘发生频次较高。

图1 2015年春季（3-5月）气象卫星全国沙尘频次图

四、结束语

国家卫星气象中心开展卫星遥感沙尘监测业务十余年之久，业务涵盖沙尘卫星遥感监测、定量计算和灾情评估等，有对沙尘起源、传输路径、影响区域、沙尘定量参数、沙尘强度、沙尘能见度及灾情信息等进行监测、分析、估算的能力，业务实践中已经形成一套完善的业务监测服务体系，建立稳定而持续的沙尘监测业务使全球变暖背景下沙尘频次和影响等特征分析成为可能。

虽然现有多种针对沙尘判识和定量信息的卫星遥感反演业务产品，并在沙尘监测业务中发挥了极大的作用，但目前业务产品存在的一些局限性仍会对沙尘的精确监测带来影响，如在强沙尘发生时，AOD产品无法得到有效的观测产品；吸收性气溶胶除沙尘气溶胶外，还包含来自于化石燃料的燃烧、生物质的燃烧和森林火灾等带来的黑碳气溶胶和有机碳气溶胶，而紫外波段反演方法不能区分吸收性气溶胶的种类，因此AAI产品需要与其他沙尘监测图像配合使用进行沙尘监测分析等。因此，要取得更好的沙尘监测效果，未来应考虑发展针对不同卫星数据、不同沙尘遥感方法之间优势互补、相互融合的可业务化的反演方法，实现更客观全面的沙尘监测，提升卫星沙尘定量遥感的准确性和可靠性。可喜的是目前已经有一些针对多源遥感沙尘信息融合反演研究开展，例如静止与极轨卫星间的融合处理研究，地面观测与卫星观测的融合应用研究[25-26]，可见、红外、微波综合判识沙尘流程实现[10]等。随着我国气象卫星技术和沙尘遥感方法的不断发展，沙尘定量监测业务将更加完善。