基于FY-3B/VIRR數據的新疆沙塵天氣遙感監測應用研究

楊志華，張旭，毛煒嶧

（新疆維吾爾自治區氣候中心，新疆 烏魯木齊 830002）

基于FY-3B/VIRR數據的新疆沙塵天氣遙感監測應用研究

楊志華，張旭，毛煒嶧

（新疆維吾爾自治區氣候中心，新疆 烏魯木齊 830002）

新疆是我國沙塵天氣多發區，但是地面測站稀少，使用衛星遙感監測沙塵天氣有非常大的優勢。利用國家衛星氣象中心開發并向各省推廣的SMART業務系統，以FY-3B/VIRR為數據源，采用以人機交互方式分析區域沙塵遙感監測方法。以2012年數據為例，對沙塵天氣進行了遙感監測，結果表明FY-3B/VIRR數據可有效提取沙塵天氣信息，具有較好的沙塵監測評估業務應用前景。

SMART系統；FY-3B/VIRR數據；沙塵監測；新疆

沙塵天氣分為浮塵、揚沙、沙塵暴和強沙塵暴四類。浮塵指塵土、細沙均勻地浮游在空中，使水平能見度小于10 km的天氣現象；揚沙指風將地面塵沙吹起，使空氣相當混濁，水平能見度在1～10 km以內的天氣現象；沙塵暴指強風將地面大量塵沙吹起，使空氣很混濁，水平能見度小于1 km的天氣現象；強沙塵暴指大風將地面塵沙吹起，使空氣模糊不清，渾濁不堪，水平能見度小于500 m的天氣現象[1]。新疆是我國沙塵暴的主要源區之一，南疆有著名的塔克拉瑪干大沙漠，北疆有古爾班通古特大沙漠，為沙塵暴的產生提供了基本的物質條件。新疆沙塵暴出現頻率，北疆古爾班通古特沙漠年平均日數在15 d以上，沙漠南緣、天山北麓一線多在4～10 d之間。南疆年平均高于15 d的高發區域覆蓋整個塔克拉瑪干沙漠，沙漠南緣、昆侖山北麓一線年平均日數為13～35 d，高于沙漠其它周邊地區[2]。

新疆地面測站稀疏，有沙塵監測項目的常規測站更少，沙塵天氣發生、發展、傳送及其強度變化等性質的監測數據極度缺乏，沙塵天氣影響的定量評估存在技術難題。而衛星遙感監測無論從時間還是空間尺度的監測而言，都具有非常大的潛在優勢。目前國內沙塵暴的遙感監測主要利用靜止氣象衛星（GMS/VISSR）和極軌氣象衛星（NOAA/AVHRR、FY21C/MVISR）兩大系列數據。極軌衛星的空間分辨率是1.1 km，高于靜止氣象衛星，而靜止衛星的優勢在于時間分辨高，對于持續時間較短的沙塵天氣過程的監測很有利[3-10]。EOS-Terra星上搭載的MODIS傳感器在繼承了NOAA/AVHRR功能的同時，數據的空間分辨率提高到了0.25 km、數據波段數增加到36個，它的應用極大豐富了沙塵天氣遙感監測的內容并得到了廣泛的應用[11-15]。

我國自主研發的“風云三號”是第二代極軌氣象衛星，由兩顆衛星組成（FY-3A衛星、FY-3B衛星）。“風云三號”裝載的探測儀器有：10通道掃描輻射計、20通道紅外分光計、20通道中分辨率成像光譜儀、臭氧垂直探測儀、臭氧總量探測儀、太陽輻照度監測儀、4通道微波溫度探測輻射計、5通道微波濕度計、微波成像儀、地球輻射探測儀和空間環境監測器[16]。利用“風云三號”衛星數據進行新疆沙塵天氣監測的相關研究還在起步階段，國內相關文獻較少。本研究主要探討以“風云三號”衛星10通道掃描輻射計數據源（FY-3B/VIRR）參考較為成熟的方法進行沙塵暴監測，并進行了業務化應用研究。

1 利用FY-3B/VIRR監測沙塵天氣的原理

1.1 大氣沙塵氣溶膠監測原理

懸浮在大氣中的沙塵均稱為大氣沙塵氣溶膠，在可見光和熱紅外波段，沙塵氣溶膠具有以下特征：

（1）熱紅外輻射（10.3～12.5 μm），沙塵氣溶膠的吸收較強，利用熱紅外通道可區別沙塵和地面背景，結合中紅外波段，利用二者對相同目標物反映的差異，可有效地識別沙塵和地面背景。

根據Mie輻射理論制作的體積消光圖可見，干燥沙塵氣溶膠在小粒徑情況下，對10 μm、12 μm紅外波段輻射有不同的消光，其中對10 μm波長消光略強于12 μm波長，即在衛星傳感器10 μm波段上探測到的輻射通量將減少，使得12 μm波段的探測值大于10 μm波段，但在大粒徑情況下消光差異不大。因此在一定條件下，可以利用衛星傳感器在10 μm、12 μm波段探測值的差值提取沙塵信息[17]。

（2）在可見光波段和近紅外波段（0.6～1.3 μm），沙塵暴發生時，常見粒徑的沙塵氣溶膠都有較高的反射率。

（3）在短波紅外波段（1.3～1.9 μm），這一光譜差異可用于識別沙塵暴、植被和中高云。

（4）在中紅外波段（3.5～3.9 μm），沙塵氣溶膠散射能量增加了亮溫物理量值，有利于區別水體、地表植被、裸土、低云和高層云、高積云、濃積云等部分中高云。但這一波段的遙感信息有時不能有效區別地表和高云。

1.2 FY-3B/VIRR用于沙塵監測的光譜通道特征

FY-3（B）號衛星上的可見光、紅外掃描輻射計（VIRR）的光譜范圍位于0.43～12.5 μm，設10個通道（表1），地面分辨率1.1 km。其位于第1、2、7、8、9、10通道位于可見光和近紅外波段，用于探測下墊面對太陽光的反射特性，對大氣沙塵有不同程度的靈敏性；通道3、4、5為熱紅外通道，通道3為中紅外通道，可接收來自下墊面的熱輻射，可以檢測沙塵與云系、地表的熱輻射差異。通道6為短紅外通道，用于探測下墊面對太陽光的反射特性，對大氣沙塵有較高的靈敏性[17]。

表1 可見光、紅外掃描輻射計（VIRR）光譜范圍

通過利用上述儀器探測通道對大氣沙塵以及對與不同云系、不同地表的響應靈敏性，將多個通道的探測數據組合判識；可以將沙塵信息從遙感數據中分離出來，實現大氣沙塵的衛星遙感監測。

2 利用FY-3B/VIRR數據的沙塵天氣監測方法

沙塵氣溶膠的這些光譜輻射特性，在FY-3B/ VIRR相應觀測通道上，都有靈敏的響應。由于FY-3B/VIRR數據通道的設置與EOS/MODIS數據通道設置基本相同，參考EOS/MODIS數據較為成熟的方法，根據大氣懸浮沙塵粒子與云類、裸地、植被和水體等物體光譜輻射特性的相對差異，采用多光譜閾值法可對沙塵像元進行判識和提取計算，具體算法見圖1。

圖1 FY-3B/VIRR數據沙塵監測算法流程

RVIS（地）＜RVIS（沙塵）＜RVIS（中低云），且T11（沙塵）＜T11（地），且RSIR（沙塵）＞RSIR（中高云），且ΔT3.7-11（沙塵）＞ΔT3.7-11（地、低云），或T11-12（沙塵）＜0。

RVIS表示可見光0.55～0.68 μm譜段的反射率，對應FY-3B/VIRR的1通道，SMART系統中反射率閾值范圍取值24%～40%，可初步確定沙塵范圍。

RNIR表示近紅外0.7～1.1 μm波段的反射率，對應FY3B/VIRR的2通道。

RSIR表示短波紅外1.58～1.65 μm波段的反射率，對應FY3B/VIRR的6通道，SMART系統中反射率下限取值范圍為25%～40%，可排除云覆蓋的部分影響。

T3.7為3.55～3.95 μm中紅外譜段的等效黑體輻射亮溫，對應FY-3B/VIRR的3通道。

T11為10.3～11.3 μm熱紅外分裂窗通道的等效黑體輻射亮溫，對應FY-3B/VIRR的4通道，SMART系統中亮溫取上限值范圍為260～290 K，可部分排除低云和冰雪的影響。

T12為11.5～12.5 μm熱紅外分裂窗通道的等效黑體輻射亮溫，對應FY-3B/VIRR的5通道。

ΔT3.7-11=T3.7-T11，表示3.55～3.95 μm譜段與10.3～11.3 μm譜段亮溫差。

ΔT11-12=T11-T12，表示10.3～11.3 μm譜段與11.5～12.5 μm譜段亮溫差。

RVIS（地）、RVIS（沙塵）、RVIS（云）、T11（沙塵）、T11（地）、RSIR（沙塵）、RSIR（云）、ΔT3.7-11（沙塵）、ΔT3.7-11（地）、ΔT3.7-11（云）等分別表示衛星相應波段對地面、沙塵氣溶膠、云的測值。

根據上述算法，應用FY-3B/VIRR衛星數據可以實現區域沙塵天氣監測。

3 FY-3B/VIRR數據沙塵天氣遙感監測應用實例

3.1 數據選擇和處理

FY-3B/VIRR數據來源于中國氣象局烏魯木齊氣象衛星地面站所接收的原始軌道文件，時間范圍為2012年全年共700余條。原始軌道0級文件經處理軟件生成HDF格式的1 B數據，幾何校正定位、輻射定標和投影轉換采用由中國氣象局國家衛星氣象中心提供的衛星監測分析與遙感應用軟件平臺（SMART）。該軟件平臺是風云三號等氣象衛星監測、分析、服務為一體的綜合應用平臺，為全國氣象部門從事災害及環境遙感應用的專業技術人員提供的一個專業化的遙感應用平臺，目前該應用平臺已在新疆氣象局業務試運行。

經過預處理和投影轉換生成局地投影文件和影像縮略圖以供篩選和應用。投影方式采用等經緯度投影，影像數據分辨率為0.01°，中心經緯度84.25° E，41.75°N，行數2 550，列數1 550，覆蓋新疆范圍。

3.2 監測結果

對2012年全年FY-3B/VIRR數據進行篩選，得到合適沙塵信息提取的衛星軌道數據41條。基于上述技術方法對篩選后的影像數據進行監測處理，監測到有沙塵天氣活動的衛星數據27條并進行了沙塵信息的提取和專題圖的制作。

以2012年3月22日的FY-3B/VIRR沙塵監測為例，從監測結果和相同時間EOS/MODIS的影像圖及沙塵增強合成圖像[15]的對比可以看出，運用FY-3B/VIRR數據對沙塵進行監測取得了較好的效果。位于塔里木盆地南緣的沙塵區域被明顯的標示出來，其他區域無誤判，監測結果未受其下墊面沙漠地表、植被和水體的影響（圖2）。

以FY-3B/VIRR沙塵天氣監測結果為基礎對27條軌道的沙塵區域面積進行統計，得到新疆2012年全年沙塵天氣發生分布情況、沙塵面積等信息。從表2統計表數據可以看出，2012年新疆的沙塵天氣主要集中出現在4月、5月和11月，這與該區域代表站地面觀測資料統計年內時間分布特征是基本一致的。

3.3 沙塵監測評價

以2012年衛星監測到影響范圍較大的一次沙塵天氣為例，對此次沙塵天氣進行評價。此次沙塵天氣出現在2012年11月6—8日，由11月7日15:06接收到的FY-3B/VIRR數據監測到沙塵影響面積高達24.2萬km2，沙塵覆蓋面積占整個南疆地區的23.4%（圖3）。

圖3 2012年11月7日FY-3B/VIRR衛星沙塵監測圖

對沙塵覆蓋區域進行分地區統計，由統計數據可以得知此次沙塵天氣覆蓋南疆5個地區，主要影響阿克蘇地區、喀什地區和和田地區。其中阿克蘇地區沙塵區域覆蓋面積7.15萬km2占轄區面積的54.55%，主要影響區域為阿克蘇市和沙雅縣；喀什地區沙塵區域覆蓋面積5.17萬km2占轄區面積的46.38%，主要影響區域為巴楚縣和麥蓋提縣；和田地區沙塵區域覆蓋面積9.04萬km2占轄區面積的36.30%，主要影響區域為墨玉縣和皮山縣；克州和巴州沙塵覆蓋率較小（表3）。

表3 2012年11月7日FY-3B/VIRR衛星沙塵監測數據統計

對沙塵覆蓋地區各縣、市進行統計，此次共有34個縣市受到沙塵天氣影響。其中阿克蘇市、阿瓦提縣、疏勒縣、麥蓋提縣、岳普湖縣、伽師縣、墨玉縣共7個縣、市沙塵覆蓋率在90%以上；共14個縣、市沙塵覆蓋率在50%以上；且末縣、烏什縣、阿克陶縣、阿合奇縣和和田縣沙塵覆蓋率在10%以下（圖4）。

圖4 2012年11月7日南疆主要縣、市沙塵覆蓋率

4 結論

（1）利用FY-3B/VIRR數據開展沙塵天氣監測是可行的。在具體應用時，會遇到由于沙塵暴的頂端與某些低云、沙塵暴與部分沙漠地表難以區分以及碎云和高亮地表的影響，這些影響可利用SMART軟件通過對參數的調整以人機交互的形式得到很好的解決。FY-3B/VIRR多通道方法的應用，可有效提取沙塵天氣信息，人機交互多通道域值的分析可以作為FY3B/VIRR沙塵監測業務化的主要方法。

（2）對2012年全年FY-3B/VIRR數據的沙塵暴信息提取和專題圖結果和EOS/MODIS的沙塵增強合成圖結果基本吻合，沙塵天氣的分布與相關臺站觀測統計趨勢基本一致，同時利用遙感手段獲得了沙塵天氣的影響范圍信息。FY-3B/VIRR以其可見光和熱紅外通道對沙塵響應靈敏的優勢，可以作為沙塵天氣監測的又一重要數據源。

（3）在利用FY-3B/VIRR數據進行沙塵天氣動態監測中，天氣影響是制約因素，大面積的云覆蓋對沙塵天氣的監測影響最大，對沙塵天氣天數和影響面積的統計都有較大的影響。由于監測區域地面觀測站點稀疏，沒有合適的實測數據作為結果檢驗，今后的研究及業務應用還需要在多種衛星數據源的對比監測方面深入研究。

（4）通過衛星遙感監測沙塵氣溶膠可以給出沙塵天氣的影響面積，為沙塵天氣影響定量評估奠定了基礎，但是需要繼續探討不同強度的沙塵天氣的衛星遙感監測原理和方法及其應用，可以為更加精細的沙塵天氣影響評估提供技術支持。

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The Remote Sensing Monitoring Application Research in Dust Weather of Xinjiang Based on FY-3B/VIRR Data

YANG Zhihua，ZHANG Xu，MAO Weiyi
（Xinjiang Climate Center，Urumqi 830002，China）

There was multiple dust weather area in Xinjiang Province,due to lack of the ground observation station,there are so many advantages that we can use the remote sensing satellite to monitor the dust weather.By using the SMART system which came from the National Satellite Meteorological Center,with FY-3B/VIRR as data source,adopted the man-machine interaction method to analyze the regional dust weather.We inspected the dust weather by used the data of the year 2012,the results show that it can distill the information of dust weather efficiently by using FY3B/VIRR data,and it has much more application perspective applied in our professional work.

SMART system；FY-3B/VIRR；dust weather monitoring；Xinjiang

TP79

B

1002-0799（2014）05-0048-05

10.3969/j.issn.1002-0799.2014.05.009

2013-11-28；

2014-02-27

新疆氣象局重點項目（ZD201402）。

楊志華（1980-），男，工程師，主要從事遙感監測分析服務業務及相關研究。E-mail：10441697@qq.com

楊志華，張旭，毛煒嶧.基于FY-3B/VIRR數據的新疆沙塵天氣遙感監測應用研究[J].沙漠與綠洲氣象，2014，8（5）：48-52.