基于遙感數據的霧物理屬性信息提取

趙國慶

【摘 要】大霧是一種常見的災害性天氣現象。基于遙感數據的霧物理屬性參數提取日益成為了研究的熱點。以MODIS和FY-3A數據，對發生于2013年1月的中國中東部大霧進行了霧物理參數提取，并對時間序列遙感影像進行時間序列變化分析。結果表明：霧物理參數提取既可以定量分析霧發展過程中內部變化的信息，又可以進一步認識霧生消的規律，為提高霧預報提供奠定一定的基礎。

【關鍵詞】遙感；大霧天氣；信息提取

0 引言

霧是一種常見的災害性自然天氣現象，對交通、人體健康和大氣環境等方面帶來嚴重危害影響。隨著遙感科學技術的發展，基于遙感數據的大霧物理參數反演分析是近年來的研究熱點。低能見度直接威脅交通安全，而霧中能見度的變化直接受霧滴數密度、含水量、平均直徑、等物理參量的影響。了解霧的微物理特性，分析其變化規律，有助于我們加深認識霧的發生、發展，為霧的預測預警、精確預報提供科學依據。

1 研究區域和研究數據

本文以中國東部地區為研究區域，對發生于2013年1月10日-14日的白天陸地輻射大霧過程進行研究。東部地區地理位置優越，地形以低山丘陵為主，霧天氣一直是東部地區秋冬季節常見的災害性天氣現象之一。

MODIS是EOS計劃的主要探測儀器，有36個光譜通道，星下點空間分辨率分別為250m、500m、1000m。由于MODIS具有多光譜，空間分辨率高，定標定位精度高、數據信噪比高等優點，為環境監測提供了可能[1]。

FY-3A，即風云三號衛星，是由我國國產的第二代太陽同步軌道氣象衛星，其降交點地方時為10點05分，為上午星，回歸周期為5天[2]。具有全球、全天候、多光譜、三維、定量遙感監測能力。本文主要應用的是可見光紅外掃描輻射計（VIRR）探測儀，其包含7個可見光通道和3個紅外通道。

針對此次大霧，本文選取研究區域內該時段的MODIS和FY-3A影像數據組成時間序列，總共得到9幅影像數據。

2 霧反演算法

霧物理參數反演是假設在理想化的大氣輻射傳輸條件下，根據Stephen等人對大量實驗數據分析所得到的經驗公式。

3 實驗結果與時間序列分析

3.1 能見度變化分析

根據上一節的反演算法，對此次大霧過程影像進行反演。其中，圖1顯示了本次大霧能見度反演的結果。

1月10日由于下墊面平均含水量較高，較厚的逆溫層出現，此后出現較濃大霧，10時15分平均能見度約為122米，下午13時平均能見度約為81米。經過部分霧消散因子的影響，到晚上霧的濃度會有所下降。11日凌晨，氣溫持續降低，空氣中的水汽達到飽和，霧開始形成，隨后迅速下降，09時55分能見度約為118米。此后，12日～14日，霧能見度變化范圍較小，一直持續在100米上下變動，說明了此次大霧日變化特征不明顯，具有很強的穩定性和持續性，強度大不易消散。

3.2 物理參數變化分析

霧物理參量可以定量的描述陸地霧的發生發展特征，以了解研究區域陸地霧的特點。表2給出了此次大霧過程中不同發展階段霧光學厚度（？子）、幾何厚度（？駐z）、液態水含量（LWP）、霧滴平均半徑（Re）的統計值。

霧在發展的不同階段，物理參量存在明顯差異。從表可以得到，霧在形成階段霧滴數濃度較低，液態含水量較小；霧的發展、成熟和消散階段，霧滴數濃度顯著增大、液態含水量增大，粒子半徑也有所增加。在霧的發展進程中，平均含水量、液態水含量與能見度呈明顯反相變化。在霧發展過程的后期，霧滴粒子有效半徑與能進度反相變化顯著，但是在前期過程中，霧滴粒子的半徑隨時間變化較小。

4 結論

本位以MODIS和FY-3A數據為數據源，對發生于中國中東部的一次白天陸地輻射霧進行了微物理屬性的信息提取，并定量分析了大霧過程。其不僅能宏觀了解霧的發生發展趨勢，而且可以定量化分析大霧發展過程中大霧內部物理屬性的變化趨勢和發展程度，為霧的精確預報提供數據支持。

【參考文獻】

[1]楊嵐，魏鳴，徐永明.長江三角洲霧的 MODIS 遙感檢測[J].科技創新導報， 2008，5（13）：1-1.

[2]徐擁軍.基于 FY-3A/VIRR 數據火情監測系統的設計與實現[D].北京：中國地質大學，2012.

[3] Stephens G L. Radiation profiles in extended water clouds. II： Parameterization schemes[J]. Journal of the Atmospheric Sciences， 1978，35（11）：2123-2132.

[4]Bendix J， Thies B， Cermak J， et al. Ground fog detection from space based on MODIS daytime data-a feasibility study[J]. Weather and Forecasting， 2005，20（6）： 989-1005.

[5]吳曉京，陳云浩，李三妹.應用 MODIS 數據對新疆北部大霧地面能見度和微物理參數的反演[J].遙感學報，2005，9（6）：688-696.

[責任編輯：鄧麗麗]