風云四號衛星成像儀數據在大霧監測中的應用

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一、引言

近幾年來，大霧天氣頻發，這種災害性天氣不僅對交通影響重大，且對人類健康有著不可忽視的影響。對這種大范圍的災害性天氣進行宏觀監測對于方便居民出行和優化大氣治理具有重要的意義。氣象衛星在大霧天氣的監測中發揮著十分重要的作用，氣象衛星遙感圖像能反映大霧的影響范圍和發展過程，利用氣象衛星覆蓋范圍廣、時間頻次高等優勢可以對陸地和海洋上的大霧進行宏觀、連續性的監測[1-2]。大霧具有特殊的光譜、結構特性，在衛星云圖上與地表、云系等遙感目標物有不同的表現，所以可以利用大霧在氣象衛星成像儀不同光譜通道上的獨特特性對其進行遙感監測。相比極軌氣象衛星，靜止氣象衛星可以在短時間內對同一區域進行連續掃描，本文主要針對靜止氣象衛星進行大霧遙感監測應用。

二、大霧遙感監測方法

白天，靜止氣象衛星成像儀有可見光通道數據，霧在可見光波段的反射率較高，且其通道亮溫明顯高于中高云，使得大霧監測較為容易。夜間，則通常利用紅外通道和中紅外通道數據進行大霧遙感監測[3]。

1. 大霧遙感監測進展

國外早在1970年代就開始利用氣象衛星數據對大霧進行遙感監測，Gurka最早用美國SMS-1衛星成像儀可見光通道圖像分析了霧的消散過程，表明霧消散與可見光通道反射率有直接的關系，為大霧消散預報打下了良好的基礎[4]。Eyre等應用美國諾阿（NOAA）氣象衛星搭載的甚高分辨率輻射計（AVHRR）近紅外通道和紅外通道差值的方法判識霧[5]。Lee綜合美國地球靜止軌道環境衛星GOES-8 / 9衛星成像儀近紅外通道和紅外通道差值以及近紅外通道反射率的方法判識白天、夜晚、太陽初升階段的霧和低云[6]。Bendix針對極軌和靜止氣象衛星成像儀AVHRR、MODIS、SEVIRI分別開發了霧判識流程，并利用AVHRR數據，用兩種不同的算法反演了白天和夜晚大霧區的地面能見度[7]。

國內對霧的遙感監測起步較晚，劉健等驗證了中紅外通道反射率與云、霧粒子的半徑密切相關[8]。吳曉京用streamer模式模擬計算各種云霧粒子在風云二號C星（FY-2C）成像儀通道上的輻射特性，分析了紅外通道和近紅外通道亮溫差方法判識霧的有效范圍，用AVHRR數據結合數字高程數據（DEM）提取了新疆北部地區大霧的垂直厚度，反演了大霧區的能見度和垂直水汽含量（LWP）以及霧滴有效半徑，用風云二號B星（FY-2B）和日本氣象衛星（GMS）資料進行了中國陸地地區大霧消散臨近預報[9-10]。劉年慶等利用支持向量機的方法，選擇出最能反應大霧特征的通道組合來對霧區樣本和非霧區樣本進行訓練，利用所生成的模板對可能的大霧區域進行精確判識[11]。劉貴華等利用AVHHR資料分析了霧頂的微物理特性，利用中紅外通道數據反演了霧頂粒子的有效半徑[12]。李亞春、周紅妹等綜合了霧的光譜特征和結構特征、動態特征區別云和霧，應用計盒維數分析和模版特征分析或圖像游程編碼的快速聯通區域標記技術構建了監測模型[13-14]。

2. 大霧的物理特性

大霧具有獨特的物理特性：霧滴主要是由液態水滴組成，一般比云中水滴小得多，平均半徑不到10μm，在霧形成或消散期間，半徑可小于1μm。

大霧發展過程中大氣層結是絕對穩定的，垂直運動很小，大霧溫度和反射率的空間變化很小，霧頂很均勻。

大霧是接地的，其底部較低，所以大霧的溫度接近于地面溫度。

大霧的獨特物理特性使得霧粒子與其他云粒子在成像儀的某些通道上表現不同，因此，可以將霧區分出來。

3. 大霧的遙感監測原理

大霧特殊的物理特性導致其具有特殊的光譜和結構特性。白天，大霧在可見光波段的反射率高于下墊面，低于中高云和厚云，略高于薄云。可見光通道反射率主要反映霧的光學厚度，霧光學厚度越大反射率越高。另外大霧的物理溫度明顯高于其他中云和高云，因此，很容易將其識別出來。中紅外通道3.7μm通道的反射率主要反映粒子有效半徑，有效半徑越小，反射率越大，霧滴在3.7μm通道的反射率大于其他云粒子。白天3.7μm通道既包含霧滴的發射也包含了霧滴對太陽光的反射，所以可以通過計算3.7μm通道反射率來區分大霧。

夜間，由于大霧在中紅外通道的比輻射率明顯小于其在長波紅外通道的比輻射率，造成這兩個通道亮溫不同，由此，利用紅外通道和中紅外通道亮溫差判識夜間大霧的方法被廣泛應用[15-16]。

另外，大霧紋理細膩、平整，而云紋理粗糙、散亂，無論白天還是夜晚，都可以借助圖像紋理來區分云和霧。

三、風云四號A星成像儀數據在大霧遙感監測中的應用

新一代靜止氣象衛星——風云四號A星（FY-4A）于2016年12月11日成功發射，其上搭載了先進的靜止軌道輻射成像儀（AGRI），該成像儀設置有14個通道，觀測時效最高可達到1min/次，空間分辨率最高可達500m，成像儀性能比上一代靜止氣象衛星有大幅提升，且與國際同類氣象衛星成像儀性能相當[17]。

為了探索FY-4A氣象衛星成像儀在大霧遙感監測中的應用，根據上述FY-4A氣象衛星成像儀通道設置和大霧在不同通道的特性，本文選取了幾個大霧的個例，并選取幾個對大霧敏感的通道，包括單一的通道圖像，也包括多個通道組合圖像，通過對各個圖像進行比較分析，來進行大霧的遙感監測應用。

白天大霧監測效果較好的AGRI成像儀單通道圖像包括可見光0.47μm通道監測圖像，可見光0.65μm通道監測圖像，可見光0.83μm通道監測圖像，近紅外1.61μm通道監測圖像，中紅外3.72μm通道監測圖像（圖1），圖中可以清楚地看到山西南部以及河北、河南、山東三省交界處的大霧，在可見光和近紅外通道監測圖像中，霧區呈灰白色或白色，顏色與云區相近，但是可以通過圖像紋理區分，霧區相對均勻、光滑，云區紋理粗糙（圖1 a、b、c、d）。在中紅外通道監測圖像中，霧區呈灰黑色，紋理均勻（圖1 e）。

圖1 AGRI成像儀單通道大霧監測圖像（北京時間：2017年11月20日 08：00）

相較于單通道的黑白圖像，彩色圖像能更直觀清晰地顯示大霧區，彩色圖像通常會選擇對大霧敏感的3 個通道數據，賦予紅色、綠色、藍色，利用加色法合成，得到可以突出大霧信息的彩色圖像。白天大霧監測效果較好的AGRI成像儀三通道合成圖像有：可見光0.65μm通道、可見光0.83μm通道、可見光0.47μm通道合成監測圖像，近紅外1.61μm通道、 可見光0.47μm通道、可見光0.47μm通道合成監測圖像，近紅外1.61μm通道、可見光0.83μm通道、可見光0.65μm通道合成監測圖像（圖2），圖中山西南部以及河北、河南、山東三省交界處的大霧邊界清晰，圖2b、圖2c中云呈青色，可以有效區分大霧和云。

夜晚AGRI成像儀數據只有中紅外和紅外通道有效，而對大霧敏感的通道只有中紅外和長波紅外通道，所以晚上能有效監測大霧的圖像較少，比較有效的有中紅外通道監測圖像（圖3）中可以看到陜西、四川交界處，陜西、河南、湖北交界處的大霧，在中紅外通道3.72μm監測圖像中，霧區呈灰白色，霧區紋理相對均勻、光滑。

四、小結

基于霧滴的物理特性并結合衛星觀測的數據可以有效監測大霧的發生發展，本文初步探索了利用新一代靜止氣象衛星成像儀圖像開展大霧遙感監測，通過選取對大霧敏感的成像儀通道生成單通道圖像和三通道合成圖像，圖像能較為清晰地反映大霧區域，有利于相關業務人員快捷高效地監測大霧過程。同時，有待于進一步開發更多不同的多通道合成圖像和經過通道計算的圖像來遙感監測大霧，另外也可以利用FY-4A氣象衛星成像儀數據生成大霧自動判識產品，并進一步計算相關的大霧特征量參數。