風云氣象衛星在自然災害監測中的應用

張興贏 鄭偉 高玲

張興贏，國家衛星氣象中心研究員，博士生導師，風云三號氣象衛星產品應用示范系統主任設計師，國家大氣環境監測衛星工程應用系統副總師。2006年獲北京師范大學大氣物理化學博士學位，長期致力于衛星大氣環境遙感應用研究，先后主持國家自然科學基金項目、科技部重點研發專項、國家高分辨率對地觀測專項等20多項，在與日本、歐盟國際合作項目中，作為中方首席科學家參與國際重大的衛星遙感應用科學研究計劃。參與出版專著5部，完成國家和行業標準9項，發表學術論文150余篇，其中SCI收錄英文論文40多篇。先后獲得省部級以上個人榮譽8項，入選中國氣象局“科技領軍人才”，2014年被團中央和人力資源社保部共同授予“全國青年崗位能手”榮譽稱號，第十二屆全國青聯委員，第十三屆全國政協委員。

引言

我國是世界上自然災害最為嚴重的國家之一，災害種類多，分布地域廣，發生頻率高，災害損失嚴重。氣象衛星具有觀測頻次高、成像范圍廣等特點，一直在災害監測評估中發揮著重要的作用。我國已經成功發射了17顆風云氣象衛星，其中靜止氣象衛星9顆，極軌氣象衛星8顆。風云三號（FY-3）極軌氣象衛星，作為我國第二代極軌氣象衛星，共搭載有10余種觀測儀器，包括最高空間分辨率達到250m的中分辨率成像儀、微波成像儀等，可以進行全球、全天候、三維立體定量遙感。目前，我國已經發射4顆風云三號衛星，包括FY-3A、FY-3B、FY-3C和FY-3D,其中3A和3C屬于上午星，3B和3D屬于下午星，實現了對地球上午和下午組網觀測，一天可以對同一地區進行多次監測，每天可以獲得多次全球的觀測資料。風云四號氣象衛星是我國新一代靜止軌道定量遙感氣象衛星，風云四號A星（FY-4A）的輻射成像通道為14個，覆蓋了可見光、短波紅外、中波紅外和長波紅外等波段。星上輻射定標精度0.5 K、靈敏度0.2 K、可見光空間分辨率0.5km。同時，衛星還配置有912個光譜探測通道的干涉式大氣垂直探測儀，光譜 分 辨率0.8cm-1，可在垂直方向上對大氣結構實現高精度定量探測，這些特性是歐美第三代靜止軌道單顆氣象衛星不具備的。風云氣象衛星的這些特點，大大提高了對自然災害的監測能力。本文以臺風、暴雨、灰霾、干旱、森林草原火災、雪災、洪澇等自然災害監測為例，介紹了風云氣象衛星在自然災害監測中的應用。

風云衛星災害監測應用

圖1 FY-4A氣象衛星監測圖像（2018年9月15日10:30）

圖2 FY-4A氣象衛星暴雨強對流監測圖像（2018年8月8日08:00）

（一）臺風監測

在常規觀測資料稀少的熱帶洋面上，氣象衛星是監測臺風最主要的工具。臺風在衛星云圖上表現為有組織的渦旋狀云系，是一種比較容易識別的災害性天氣系統。常用于監測臺風的衛星云圖包括紅外云圖、水汽圖以及可見光云圖。紅外云圖上的色調分布反映的是地面或云面的紅外輻射或亮度溫度分布，根據衛星云圖上的色調差異可以估計地面、云面（云頂）的溫度分布，或根據圖像上的溫度色差來推測云系的分布以及其發展高度。水汽圖也是一種紅外云圖,以6.7μm為中心的吸收帶是水汽強吸收帶，在此吸收帶內，到達衛星的輻射量主要來自對流層上部。大氣中水汽含量越多，衛星收到的輻射量也就越多，對流層上部的冷高濕區在水汽圖上就表現得較亮，低濕區則顯得較暗。故可通過衛星測量這一吸收帶的輻射來推測對流層上部大氣中的水汽含量?？梢姽庠茍D是利用可見光譜段測量來自地面和云面反射的太陽輻射，再按所接收到的輻射大小以黑白色調來表示的圖像?？梢姽庠茍D對于分析臺風云系的細微結構、中心的定位和確定對流云區的分布方面相對于紅外云圖具有更強的“真實性”，可以起到一定的糾偏作用。

利用風云靜止氣象衛星時間分辨率高的優勢，可以確定臺風的初生和中心位置，估算其強度、移向和移速，判斷其登陸時間、地點以及暴雨范圍等。新一代靜止氣象衛星風云四號A星攜帶的干涉式大氣垂直探測儀和閃電成像儀，為探測臺風雷電活動以及外圍環境場變化監測提供新的手段。另外，利用風云極軌氣象衛星的被動微波資料可以獲取臺風溫度、濕度三維結構，計算大風的影響半徑和強降水區面積等。

圖1為2018年第22號臺風“山竹”（超強臺風級）FY-4A氣象衛星監測圖像，圖像顯示“山竹”臺風結構完整，整體結構較松散，其外圍云系已經開始影響臺灣、福建和廣東沿海等地。

（二）暴雨強對流監測

暴雨是我國最常見的最嚴重自然災害之一，其發生和發展涉及不同尺度天氣系統的復雜的相互作用。在衛星云圖上暴雨不僅具有大范圍的云系特征，而且也具有較小尺度精細結構和對流云特征。由于直接造成暴雨的主要影響系統——中尺度對流云團具有發展迅速和尺度小的特點，常規觀測不足以捕捉其生命史中的變化細節及其結構，所以在監測、臨近/短時預報等業務中，衛星遙感便成為十分重要的監測手段。在可見光云圖中，流云型常表現為清晰的邊界和塊狀的紋理。可以再借助11μm紅外云圖來確定它們是深厚的（冷云頂）還是淺薄的（暖云頂）。在白天，也可以借助3.7μm的近紅外圖像來確定云的微物理特征（低反射率對應著冰晶或大水滴，高反射率對應著小水滴）。對流云常常被組織成為對流系統，強烈發展的對流云和中尺度對流系統由于云頂的迅速抬高，具有云頂亮溫下降、云頂面積增大和云頂亮溫梯度加大等特征。閾值法被廣泛用于暴雨云團的判識。通常認為云頂亮溫≤-32℃的云是對流云，而當云頂亮溫≤-52℃時，則認為云已穿過了對流層頂，對流發展非常旺盛，強對流天氣現象也會出現。根據中尺度云團的尺度范圍、持續時間、形狀對中尺度云團進行分類。

圖2為利用FY-4衛星資料監測2018年8月8日華北地區出現的強對流天氣，圖中顯示強對流云團主要位于山西北部、北京西部和東部、河北中東部、天津、山東北部、遼寧東南部和渤海海域。根據地面氣象觀測數據統計，上述地區1小時降水量較大，其中北京東部局地1小時降水量超過70mm。

圖3 a 風云3B衛星霧霾監測圖像（2016年1月14日14:30）

圖3 b 風云3B衛星吸收性氣溶膠指數（AAI）分布圖（2016年1月14日14:30）

圖4 風云四號A星AGRI的氣溶膠光學厚度(550nm)產品分布（2017年6月16日10:00）

（三）灰霾監測

懸浮在大氣中的氣溶膠微粒通過與太陽光以及地面長波輻射相互作用影響著地氣系統的輻射平衡。當氣溶膠在大氣中的含量較高時，引起的低能見度的事件即為灰霾?；跉馊苣z的消光特性，利用衛星平臺遙感大氣氣溶膠是探測氣溶膠物理光學特征的重要手段。但衛星信號中氣溶膠貢獻相對較小，地表的復雜性使得氣溶膠參數反演更為困難，此外氣溶膠粒子的形狀、大小、譜分布以及成分差異非常大，也很難精確描述。目前衛星遙感最常用的探測原理是：通過被動遙感方式獲取紫外一可見光一近紅外波段的大氣頂后向散射輻射，根據衛星在這些反射波段觀測到的輻射值結合輻射傳輸模式反演獲取氣溶膠參數，如氣溶膠光學厚度、Angstrom指數等。

此外霾中的吸收性氣溶膠，由于具有較大的復折射指數虛部，它的消光系數表現出特有的隨波長變化的光譜特征，這一特征在紫外波段尤為突出，因此可以通過計算紫外波段的吸收性氣溶膠指數(AAI)來反映霾區的影響范圍和程度。圖3a是2016年1月14日霾事件發生期間的霾監測圖像實例。由圖可見，華北、黃淮等地出現了中到重度霾天氣，在圖中表現為灰黃色。在霾影響區域，吸收性氣溶膠指數超過了3.5（圖3b），說明這次污染過程受吸收性氣溶膠影響十分明顯。

隨著工藝的進步，新一代靜止氣象衛星FY-4/AGRI搭載的儀器也增設了適合氣溶膠參數反演的通道，其氣溶膠光學厚度產品值的高低（圖4）也能很好地反映出大氣中氣溶膠的含量，對灰霾的定量觀測具有十分重要的參考價值。

（四）沙塵監測

沙塵天氣是由于強風將地面大量松軟沙土或塵埃卷入空中而形成的，沙塵天氣會使空氣混濁、水平能見度降低，是我國北方春季主要的災害性天氣之一。沙塵暴經常發源于人跡罕至的荒漠地區，地面觀測很難獲得沙塵的輸出源頭，而氣象衛星則可以觀測到荒漠地區從地面起沙到空中傳輸的全過程。大氣中的沙塵由沙粒、塵土等礦物質組成，它們會吸收和散射太陽的短波輻射及地面和云層發射的長波輻射，這就使它有了自己獨特的光譜特征。通過比對沙塵暴光譜特征與其他光譜特征的差異，就可以對沙塵暴進行監測。在氣象衛星觀測的不同探測通道數值組合的彩色衛星圖像中，我們可以通過顏色、紋理和邊界形狀等特征識別出沙塵暴區域。同時，還可以利用衛星數據定量計算出沙塵的光學厚度、沙塵粒子有效半徑、大氣中的載沙量、沙塵頂高度等信息。通過多個時次的衛星圖像對比分析，還可以監測沙塵暴的發源地、移動路徑、覆蓋范圍、影響面積，進而跟蹤沙塵暴的發生和發展變化。

2018年10月19日新疆東部、甘肅西部以及內蒙古西部等地出現沙塵天氣。利用FY-3C氣象衛星監測顯示（圖5a、圖5b）：沙塵區主要位于南疆盆地東部和哈密地區、甘肅酒泉和張掖、內蒙古阿拉善等地，部分沙塵區上空有云覆蓋。經估算，衛星可視的沙塵區面積約為17.4萬平方千米。

圖5 a FY-3C氣象衛星沙塵監測圖像（2018年10月19日12:25）

圖5 b FY-3C氣象衛星沙塵監測示意圖像（2018年10月19日12:25）

（五）干旱監測

干旱是波及范圍廣、對人們的生產生活影響嚴重的自然災害之一。利用氣象衛星遙感技術可以對大范圍的干旱事件進行客觀、高效的監測評價。衛星遙感可見光、近紅外和遠紅外波段干旱監測技術，為區域旱情動態監測提供了有效手段?？梢姽獾竭h紅外的多光譜遙感監測土壤水分和干旱的方法主要分為三種，包括利用可見光和近紅外波段進行檢測，基于遠紅外波段的熱慣量方法，綜合利用可見光、近紅外和遠紅外資料的監測。目前，由于植物-土壤-水分系統的復雜性，使得衛星遙感干旱監測存在一定的難度和不確定性。各種監測模型有其適用的季節和區域，還沒有一個適用于全年、全國范圍的模型。在國家衛星氣象中心干旱監測業務中，基于極軌氣象衛星數據，利用熱慣量法和供水植被指數法等方法對全國范圍進行全年干旱監測，并以垂直干旱指數方法對區域干旱事件進行動態監測，同時結合基于靜止衛星資料的相對蒸散法作為干旱監測的一部分。另外，基于被動微波遙感資料反演的土壤水分信息可以更加直接地反映區域的干旱情況，這種方法較少受到云層的干擾，具有近全天候的特點，在干旱監測中應用也越來越廣泛。

2018年5月上旬東北和內蒙古地區降水偏少，出現不同程度旱情。FY-2E衛星地表相對蒸散距平百分率監測結果顯示（圖6），東北地區西部、內蒙古中部和東南部的地表相對蒸散值較常年仍明顯偏低，土壤水分供應狀況較差。FY-3B氣象衛星微波成像儀（MWRI）反演的地表土壤水分可以指征地表0-5cm的土壤體積含水量，利用FY-3B微波成像儀5月9-13日數據制作的土壤水分監測圖顯示（圖7），東北地區西部和內蒙古中東部的土壤水分仍較低，有旱情發生。

（六）森林草原火災監測

森林火災是一種突發性強、破壞性大、處置救助較為困難的自然災害。我國森林總面積較少，但分布范圍十分廣闊，數百萬平方千米地域內，森林覆蓋度疏密不均。我國的草原更是非常遼闊，約占國土面積40%。火情監測一直是森林草原防火工作的重要組成部分。風云氣象衛星具有視野寬廣、觀測頻次較密、對地面高溫熱源敏感的特點，已經在森林草原火情監測及評估中發揮了重要作用。由于火點引起中紅外波段計數值急劇變化，造成與周圍像元的明顯反差，因此使用人機交互方式可以較容易地識別火點。同時，利用風云氣象衛星的可見光和近紅外通道對云、水體、植被等敏感的特性，生成由中紅外、近紅外、可見光通道組成的多光譜彩色合成圖，其效果明顯好于單通道的火點顯示。根據火點在中紅外波段引起輻射率和亮溫急劇增大這一特點，可將中紅外亮溫與周圍背景像元亮溫差異，以及中紅外與遠紅外亮溫增量差異作為計算火點自動判識的主要參數。

圖6 FY-2E氣象衛星東北、內蒙古地區地表相對蒸散距平百分率圖（2018年5月1日-10日）

圖7 FY-3B/MWRI土壤水分監測圖（2018年5月9日-13日）

風云三號氣象衛星的中紅外通道空間分辨率大多為1000米，這樣一個像元的面積就是1平方千米。通常森林草原火災明火區的面積沒有這么大，經過研究和試驗發現，當明火區的面積達到100平方米時，氣象衛星就可以監測到。隨著風云四號氣象衛星的發射，我國森林草原火災監測的時效性大大提高，可以實現15分鐘獲得一次全國的森林草原火情監測信息。氣象衛星不但可以快速發現森林草原火災的明火信息，還可以對森林草原火災的過火面積進行估算，在火災損失評估中起到重要作用。當森林草原火災發生后，將直接破壞地表森林和草地的覆蓋狀況，過火區可見光和近紅外的光譜特征發生明顯變化。氣象衛星不但可以監測到我國的火點，還可以實現對世界范圍各個地方森林草原火災的快速監測。每年春季，在蒙古國靠近我國東北地區的區域經常會發生草原火災。由于大風的影響，草原火災可能會向我國邊境蔓延。氣象衛星每天都會對這些區域進行連續監測，將火災發生的位置、距離我國邊境的最短距離、可能蔓延到我國邊境的時間等信息，實時傳送給相關部門。近年來，國外很多國家都向我國提出了氣象衛星火災監測技術援助需求。比如印度尼西亞“燒芭”活動造成馬來西亞空氣質量下降，馬來西亞請求中國為其提供了衛星遙感火情監測軟件平臺和數據支持。

圖8 風云三號氣象衛星森林火情監測多通道合成圖（2017年6月4日14時05分）

圖8為風云三號氣象衛星2017年6月4日14時火情監測圖，可以看出山東省青島平度市有一處火點，位于東經119.97度，北緯36.93度，經估算明火區面積約1.66公頃，地理信息顯示，該處火點的土地覆蓋類型為林地。

（七）雪災監測

過量的積雪對社會經濟和人們日常生活帶來不良影響，形成白災或雪災。利用風云氣象衛星遙感資料開展積雪監測，分析積雪動態變化對于氣候分析、水文研究以及防災減災等都具有十分重要的意義。國家衛星氣象中心自20世紀90年代以來便開展了積雪監測業務。衛星遙感積雪監測原理和方法主要包括了積雪信息提取方法、積雪深度估算方法以及多種積雪監測產品制作方法。衛星遙感積雪判識主要根據積雪在可見光、近紅外、短波紅外以及遠紅外通道的光譜特性，采用多通道閾值法提取出積雪信息，進而獲取積雪覆蓋范圍及面積等?；诳梢姽狻⒔t外及短波紅外資料的積雪深度估算原理主要基于積雪反射率、積雪覆蓋率與積雪深度之間的相關關系。一方面，可見光對較薄的雪層具有一定的穿透性，并且積雪反射率受到積雪性質的影響，主要體現在積雪粒徑和觀測角度上，造成粒徑的變化主要有積雪中水的含量（干雪、濕雪）和積雪老化程度（新雪、舊雪），觀測角度則體現了積雪在反射上的各向異性特征。另一方面，衛星觀測積雪像元在大多數情況下為混合像元，積雪深度越大，積雪覆蓋率越大，相應的積雪像元反射率也越大，三者之間存在較好的關系。積雪覆蓋率和積雪像元反射率受到下墊面條件包括地形、植被覆蓋率、土地覆蓋類型等影響，在相同積雪深度不同下墊面條件下，積雪覆蓋率和積雪像元反射率差異較大。因此，在一定積雪深度范圍內，積雪深度與積雪反射率或積雪覆蓋率之間存在較好的關系，可以利用這三者間的關系，考慮積雪下墊面、積雪性質以及積雪觀測角度等的影響，估算出積雪深度。

圖9為利用風云三號衛星VIRR數據對我國東部地區出現的大范圍降雪及雨雪天氣積雪監測圖。在風云三號12月30日東部地區積雪監測圖中可見，華北、華東等地有較大范圍積雪，影響地區包括山東全境等地。與25日東部地區積雪監測圖對比分析可見，山東等地出現較大范圍的新增積雪。

在有云層覆蓋的天氣下，可以利用風云三號衛星MWRI獲取積雪覆蓋信息，還可以計算雪深和雪水當量等參數。雖然微波成像儀資料的空間分辨率相對較低，但彌補了光學衛星遙感數據無法獲得云層覆蓋下的地表信息。

圖9 風云三號衛星積雪監測圖

（八）洪澇監測

洪澇災害在我國發生頻率高，危害程度大。風云氣象衛星可獲得洪澇災害發生前后的江、河、湖泊和水庫等水體的空間分布和面積，對洪澇災害進行監測和評估，可以為政府部門制定防災減災決策提供信息支持。水體對0.4μm至2.5μm電磁波長范圍的吸收作用明顯強于絕大多數其他地物，其在近紅外及中紅外波段的反射能量很少，而植被和土壤在近紅外和中紅外這兩個波段吸收能量較少?；谶@個原理，可以比較容易地在氣象衛星圖像上提取水體信息。在2013年東北松花江流域洪澇災害監測、2016年長江流域中下游洪澇災害（圖10）監測工作中，基于風云三號氣象衛星等資料制作了大量監測圖像圖形產品和分析報告，為洪澇災害防御決策服務提供了衛星遙感監測信息。

同時，利用風云三號氣象衛星的全球觀測能力，我國氣象部門也對國外的重大洪澇災害事件積極開展監測。2015年夏季緬甸發生了重大洪澇災害，緬甸政府希望我國提供衛星遙感洪澇災害監測支持。我國氣象部門立即響應，向緬甸政府發送了洪澇災害監測信息。在2010年夏季巴基斯坦洪澇、2011年夏季泰國洪澇災害、2017年夏季美國颶風導致的洪澇災害中，我國氣象部門都進行了有效監測，提高了風云三號氣象衛星在國際上的知名度。

圖10 風云氣象衛星監測湖北省孝感市洪澇水體變化專題圖（2016年07月22日11：16/2016年06月17日14：00）

風云氣象衛星自然災害監測應用展望

風云氣象衛星在防災減災領域已經發揮了重要的作用，除了本文介紹的臺風、暴雨、霧霾、沙塵、干旱、森林草原火災、雪災、洪澇等自然災害監測，風云氣象衛星在火山爆發、水體藻類水華、冰凍、高溫熱浪等災害監測中都有廣泛的應用。風云氣象衛星改變了我們以前以國外衛星資料為主進行災害監測的局面。隨著我國現代化建設的穩步推進，防災減災工作對衛星遙感的應用需求將會越來越旺盛。進一步發展風云氣象衛星綜合探測能力，提高定量應用水平，更好地發揮氣象衛星在防災減災領域的作用，還有很多工作需要開展。

1）氣象衛星發展了幾十年，積累了大量的歷史數據，同時氣象衛星又在不斷地獲取新的數據。對長時間序列氣象衛星遙感資料進行深加工處理，基于這些資料開展自然災害的時空分布特征和驅動因子分析研究，可為更加全面和準確地開展災害監測服務提供科學依據。

2）近些年來，我國已經逐步建立起包括氣象、海洋、資源、環境和減災等多個對地觀測衛星遙感系列，高空間分辨率衛星遙感資料獲取途徑便捷性和時效性在不斷提高。開展綜合利用風云氣象衛星和我國自主研發的其他系列衛星資源應用方法研究和監測評估新產品研發，發揮各自的優勢，可進一步提高我國衛星遙感對災害監測評估的精細化水平。

3）氣象衛星在被動遙感儀器繼續使用的同時，測雨雷達、激光雷達、散射計等主動遙感儀器也逐步開始試驗試用。融合處理微波、紅外、可見光多頻段多通道資料，以及主動與被動遙感數據，可更加準確地獲取全球大氣、海洋和陸地定量信息，提高災害監測評估精度。

4）氣象衛星資料反演技術與數值天氣預報技術、陸面模型同化技術的結合以及其應用的不斷深入，將提高自然災害的監測評估精度，為災害的預測提供信息支撐，為防災減災工作提供更加科學準確的決策依據。