基于天氣雷達和極軌衛星的火點識別應用

陳有利，丁燁毅，黃鶴樓

(浙江省寧波市氣象臺，浙江 寧波 315012)

1 引 言

衛星遙感可在森林火情、積雪、植被覆蓋、干旱、沙塵暴、臺風、水情、城市熱島等方面開展監測工作。進入21世紀，衛星遙感也在不斷地拓展著應用領域。天氣雷達在強對流、臺風、暴雨、颮線等災害性天氣監測預警中發揮著巨大作用，但國內外對其在煙塵等空氣污染物監測方面的研究和應用還較少。本文利用兩者資料對寧波亞洲漿紙業有限公司(亞洲漿紙業)大火進行了監測。通過這一個例的分析表明，雷達和衛星資料互為補充，對高溫熱源點的監測預警具有重要意義。

2 材料與方法

2.1 火情概況

2006年8月8日5時18分左右，位于浙江省寧波市北侖區小港青峙工業區宏源路88號的寧波亞洲漿紙業有限公司廢紙原料露天堆場突發大火，成千上萬噸用做原料的碎紙陷入火海，廠區的上空被煙霧籠罩，現場地面溫度一度達到45 ℃以上，數十米外就能感覺到灼人的熱浪，周圍的空氣中彌漫著刺鼻的焦臭味，在離火場10 km外，就能看到天空中升騰著長龍般的濃煙。此次大火燃燒近40 h，過火面積約4 600 m2。

2.2 天氣特征

當天視場區域內以多云天氣為主，無降水，地面以東南—東風為主，風速5～6 m·s-1，高空(500 hPa、700 hPa、850 hPa)基本上為南—東南風控制，近地層925 hPa為東南風，因該區域位于沿海，早晚水汽條件較好，有一定濕度。

2.3 位置信息

大火發生后，我們進行了現場勘察，并通過衛星定位儀(GPS)對火點進行了定位。衛星遙感分析得到的火點位置信息基本上和實際位置接近(個別遙感圖因地理位置未完全校正距離相差稍大)，而雷達分析得到的信息和實際火點位置有偏差，主要因為雷達探測到的是漂離火點的煙塵，而不是實際熱源點。火點位置監測信息詳見表1。

表1 火情實際位置與監測分析的位置對比Tab.1 The position comparison of the actual location of the fire and the monitoring analysis

3 結果與分析

3.1 天氣雷達

受空氣浮力和空氣流動的共同影響，廢紙原料燃燒產生的大量煙塵在一定的范圍和高度內傳送和擴散，在濃度較大的情況下，雷達回波反應明顯，圖1、圖2為各時次、各層次反射率因子>15 dBz區域的回波強度特征，雷達剖面圖見圖3。

圖1 各時次雷達回波特征圖(說明：仰角為0.5°，時次為06、11、16、21時，圖像已作Z≤15 dBz的過濾處理)Fig.1 Observed radar reflectivity at elevation 0.5°at 0600 BT 8 Aug 2006, 1100 BT 8 Aug 2006, 1600 BT 8 Aug 2006, and 2100 BT 8 Aug 2006

3.1.1 雷達回波的時間特征 ①回波因燃燒產生的煙塵反射雷達電磁波而形成，且大火現場為煙塵的源地，表現在圖1上為下風方有一回波極大值區，在風向一定的情況下，回波的上風端位置固定。

②回波走向為東南—西北，與925 hPa(基本上為1 000 m高度)的主導風向一致。

③回波面積主要受地面火勢影響，隨地面火勢的強弱而生消和發展，由圖1可間接判斷出16時前火勢已基本上得到控制。

④回波大值區的位置基本固定，當火勢一定時，回波強度也少變。

與降水回波的時間變化相比，煙塵產生的雷達回波固定少動，強度不是太大，而降水回波的強度和位置一般是變化的。

圖2 10時左右各層次雷達回波特征圖(說明：仰角層次為0.5°、1.5°、2.4°、3.4°，圖像已作Z≤15dBz的過濾處理)Fig.2 Observed radar reflectivity larger than 15dBz at elevation 0.5°at 0600 BT 8 Aug 2006, 1100 BT 8 Aug 2006, 1600 BT 8 Aug 2006, and 2100 BT 8 Aug 2006

圖3 10時左右雷達剖面圖Fig.3 Cross-section of radar reflectivity at 1000 BT 8 Aug 2006

3.1.2 雷達回波的空間特征 ①回波發展高度低，離地約1.5 km左右，只存在于仰角為0.5°、1.5°、2.4°的產品中；煙塵受熱力、浮力和重力等共同影響下不可能升得太高。

②回波面積隨仰角的增大而減小，說明煙塵主體在1 km以下。

③可以明顯看到火情源地附近的煙塵柱；在0.5°雷達產品的剖面圖17～20 km處，自下而上為一回波較強區，底部最大強度超過40dBz。

與降水回波的空間變化相比，煙塵產生的雷達回波只存在于低仰角區內，離地高度低，而降水回波可存在于更高的高度。

綜上所述，煙塵產生的雷達回波位于火情源地下風方，固定少動，離地高度低，強度不是太大，在仍有較大火勢時強度中心基本不變，但在下風方邊界的大小隨時間有所增大或縮小。

3.2 極軌衛星

由于火區燃燒釋放熱量，致使地表溫度升高，向外發射紅外輻射值也增大，故被識別出為異常高溫點。利用衛星遙感資料生成的火情圖像，很容易將異常高溫點從環境中辨別出來。

CH3的閾值(門檻值)設置與現場火勢的強度、環境氣溫的高低有關。對初發生的火情和基本接近尾聲的火情，因其與背景差別不大，火點不易識別，這時CH3的閾值應設低些；隨著環境溫度升高，火勢增大，這時CH3的閾值應設高些。圖4中的紅點就是我們在不同時間中衛星遙感監測到的火點，其中CH3通道亮溫的閾值設置FY-1D為303 K，NOAA16為325 K，NOAA18為335 K。

圖4 寧波東北部衛星遙感圖(白色為云)Fig.4 Satellite remote sensing in northeastern Ningbo (white represents cloud)

4 結語

文中研究了天氣雷達和極軌衛星的火點識別應用，得到如下結論：

①天氣雷達為帶煙塵大火的監測提供了一種新的手段。它能得到燃燒產生的漂浮物在較高的時間和空間分辨率上的形態，從而間接分析出地面火勢。

②燃燒引起的煙塵產生的雷達回波固定少動，中心強度不強、變化不大，且位于下風方，邊界大小隨時間有增減，離地高度低，與降水回波存在明顯的差異。

③天氣雷達和衛星遙感聯合監測，資料互補，可提高大火監測的準確度和靈敏度。

在衛星遙感資料監測火情時，隨著環境溫度的變化，通道閾值可能需要微調，才能達到理想的監測效果，在今后的實踐工作中將進一步積累經驗。

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