2019年春季我國沙塵天氣衛星監測數據分析

文 | 劉清華 王新 任素玲

國家衛星氣象中心

一、引言

沙塵天氣是一種具有巨大破壞力的災害性天氣，對生態系統、交通、農作物、人體健康等均有不利影響。我國沙塵天氣主要發生在北方地區，而在西北廣大地區的范圍內，地面監測站點較少，不能很好地記錄沙塵天氣。氣象衛星遙感技術可以從空間上捕捉沙塵天氣動態信息，是目前監測、跟蹤、分析沙塵天氣最為有效的手段之一。

利用氣象衛星數據進行沙塵天氣監測的技術由單通道監測到多通道綜合應用，如20世紀70年代國外首先開展了利用可見光和紅外通道數據監測陸地和水體上空沙塵（Carlson T N 1979，Griggs M 1975）。90年代國內外開始綜合多通道數據進行沙塵監測，包括根據沙塵粒子在可見光、近紅外、短波紅外、中紅外、熱紅外通道不同于云、地表等其他目標物的光譜輻射特性，用閾值法進行沙塵信息提取(鄭新江等 2001，方宗義等 2001，胡秀清等2007，羅敬寧等 2015，Zhang P等 2006）。

隨著新型傳感器的發展，開展了利用微波數據、高光譜數據、激光雷達數據進行沙塵天氣監測的相關研究工作（Huang等 2006，Peyridieu等 2013，Hui Xu等 2013）。同時，也形成了多個沙塵定量參數，典型的如紅外差值沙塵指數（IDDI），沙塵氣溶膠光學厚度（AOD）,紫外吸收性氣溶膠指數（AAI）等。本文結合地面觀測和衛星自動監測產品（包含沙塵定量參數），采用圖像目視解譯和多光譜綜合分析方法進行沙塵天氣監測。

二、沙塵衛星監測方法

沙塵中含有大量大小不同的礦物質粒子，它們會吸收、散射、反射太陽的短波輻射及地面的長波輻射,并向外發射輻射。根據沙塵粒子的輻射傳輸特性，通過分析沙塵在不同光譜波段上的發射和反射特性，同時結合沙塵信息的空間分布形態特征來遙感監測沙塵，是沙塵災害監測（包括沙塵信息提取與強度監測）的主要理論基礎。

1.多光譜綜合分析方法

多光譜綜合分析方法即利用不同的光譜波段對沙塵氣溶膠有不同的表現，綜合這些特征表現，實現對沙塵的識別和變化分析（陸文杰等 2011）。主要包括：

1）在可見光波段和近紅外波段（0.5～1.25μm），沙塵氣溶膠有較高的反射率。

2）在短波紅外波段（1.3～1.9μm），沙塵氣溶膠的反射率高于可見光波段和近紅外波段，而且明顯高于中高云的反射率。在該波段水體反射率很低，地表植被反射率較低，裸土反射率較高，沙漠反射率最高。

3）在中紅外波段（3.5～3.9μm），沙塵氣溶膠散射輻射的絕對能量低于可見光、近紅外、短波紅外波段，但遠高于熱紅外波段。沙塵區的中紅外通道和熱紅外窗區通道的亮溫差值比其他目標亮溫差值大，亮溫差可有效地區分沙塵區和地面背景。

4）在熱紅外通道（10.3～12.5μm），沙塵氣溶膠的吸收較強，沙塵的等效黑體亮溫與水體、地表植被、裸土和沙漠有一定的溫度差異。根據Mie散射理論，干燥沙塵氣溶膠在小粒徑情況下，對10μm、12μm紅外波段輻射有不同的消光，其中對10μm波長消光略強于12μm波長，使得12μm 通道的亮溫值大于10μm通道，但在大粒徑情況下消光差異不大，此方法稱為紅外分裂窗法。但是，當沙塵十分濃厚時，分裂窗的差異就會變小，紅外分裂窗法對強沙塵不敏感。

2.圖像目視解譯方法

在衛星圖像中，可以通過顏色、色調、紋理和形狀等的特征識別出沙塵暴區域。 圖像目視解譯法采用的圖像包括黑白圖像（如靜止氣象衛星的可見光通道圖像、紅外通道圖像）和彩色圖像。彩色圖像的通道組合選擇對沙塵暴敏感的可見光、近紅外和中紅外（或遠紅外）3 個光譜波段，賦予紅色、綠色、藍色，利用加色法合成，得到可以突出沙塵暴信息的假彩色圖像。如果光譜通道足夠，可以選擇可見光的三個通道，組合成紅色、綠色、藍色的真彩色圖像。在云圖中，沙塵暴區有特定的顏色，還有順著風向的紋理。“沙塵羽”的分布受地形走向影響，其邊緣往往和盆地邊緣一致（徐希慧 1997）。

另外，針對光譜通道數較多的風云四號A星（FY－4A）成像儀云圖，利用8.5μm通道可以區分沙塵區和沙漠/戈壁背景區的特點（Zhang P等 2006），結合紅外分裂窗法，選擇對沙塵敏感的FY－4A的3個紅外通道（8.5μm、11μm和12μm），利用3個通道數據進行RGB合成，具體方法見表1，其不受夜晚觀測條件限制，能提供全天候的沙塵監測。

表1 FY－4A沙塵彩色合成圖像方法

三、2019年春季沙塵監測結果分析

基于上述方法，本研究生成了2019年春季（3-5月）的沙塵天氣衛星監測數據，通過每日監測得到的沙塵影響區域、沙塵影響面積的累加得到月沙塵發生日數、沙塵發生頻次、沙塵累計影響面積等數據。

2019年春季全國沙塵頻次圖（圖1）顯示，新疆的南疆盆地沙塵頻次達到8次，甘肅、內蒙古西部地區沙塵頻次達到2次，內蒙古中東部、東北地區沙塵頻次達到2次。與2018年春季（圖2）相比，沙塵在南疆盆地的影響頻次比2018年低，在內蒙古中東部、東北地區的發生頻次比2018年高。

圖1 2019年春季氣象衛星全國沙塵頻次圖

圖2 2018年春季氣象衛星全國沙塵頻次圖

2019年春季衛星可視沙塵累計面積達413.8萬平方千米，其中新疆南疆盆地影響面積最大，為315.2萬平方千米，其次為內蒙古和黑龍江、甘肅（圖3）。

圖3 2009年春季衛星可視沙塵累計面積統計圖 （單位：萬平方千米）

四、典型沙塵天氣過程

以2019年5月14-16日一次典型沙塵天氣過程為例，這是伴隨鋒面氣旋云系自西向東移動的沙塵天氣過程，內蒙古中部、甘肅中部的部分地區出現沙塵暴，沙塵區影響范圍大，移動速度快，15日內蒙古中部沙塵強度最強。5月15日14:00（北京時）的FY－4A真彩色圖像中沙塵區為沙黃色且有順風的紋理（圖4），5月15日14:00（北京時）的FY－4A彩色合成圖中沙塵區為粉紅色（圖5）。

圖4 FY-4A沙塵監測圖像（北京時間2019年5月15日14:00）

圖5 FY-4A沙塵彩色合成圖（北京時間2019年5月15日14:00）

五、討論與結論

本研究綜合多光譜分析法和圖像目視解譯法建立了2019年春季沙塵天氣衛星監測數據。與2018年相比，2019年春季沙塵的累計影響面積偏小，在南疆盆地的影響頻次比2018年低，而內蒙古中東部、東北地區沙塵發生頻次較高。

結合風云氣象衛星圖像產品（真彩色合成圖、多通道合成沙塵產品）以及定量產品（AOD、AAI、PM10）等多源數據可以對沙塵天氣進行高精度的監測分析。

新一代氣象衛星FY－4A多通道合成沙塵產品可以在白天、夜間對沙塵過程進行連續監測，在沙塵監測中發揮了重要的作用，該產品具備沙塵路徑、沙塵移動速度定量監測能力，相關研究有待進一步開展。