風云4A衛星沙塵檢測產品在內蒙古區域的應用

王家樂，銀 笛

（內蒙古氣象信息中心，內蒙古 呼和浩特 010051）

1 引言

近年來，氣象現代化建設推進迅速，天、地、空多種類的氣象觀測、探測設備日益豐富，氣象信息的精度和時空密度都發生了根本性的改變。目前，內蒙古觀測沙塵暴數據的觀測臺站僅有11個，大部分集中在中西部地區，分布不均勻。因此需要結合衛星數據協同對沙塵暴天氣過程進行監測。風云四號衛星是中國新一代靜止氣象衛星[1]，裝載了多通道掃描成像輻射計（AGRI），具備從高空檢測沙塵的能力，且在天氣晴朗無云的條件下沙塵天氣檢測效率非常高，且下發了jpg格式的沙塵檢測產品圖片，但是制作的圖片產品底圖是純黑色且不能著重凸顯內蒙古區域的沙塵現象，產品如圖1所示。因此，本文以L2通道下NC格式的FY-4A氣象衛星的沙塵檢測產品為研究對象，分析沙塵指標，繪制內蒙古區域的沙塵檢測圖。

圖1 沙塵檢測jpg產品圖

2 沙塵檢測產品介紹

文中選用的是風云四號衛星L2通道的全圓盤沙塵檢測產品，產品格式為NC格式，分辨率為4 km，主要應用產品的沙塵分數（DST）數據，沙塵產品采用的是積分制，分數越高，則表示沙塵出現的概率越大[2]。產品文件名命名規則如下：

3 關鍵技術

3.1 Python語言簡介

Python語言是跨平臺的開源編程語言[3]，是公認的全球5大流行語言之一，在云計算、大數據及人工智能領域都得到了廣泛的應用，其語法簡單、功能強大且簡潔易讀，可在Linux、Windows等多個平臺無縫連接，社區活躍，集眾人之力發布了很多標準庫及功能類庫，極大地提升了開發效率，文中主要應用了處理數據的Pandas類庫，解析NC格式文件的netCDF4類庫及繪制專題圖的Basemap類庫。

3.2 NetCDF文件介紹

NetCDF數據集（簡稱NC）是一種自描述的二進制數據格式，包含維（dimensions）、變量（variables）和屬性（attributes）三種數據類型[4]，變量存儲的表征其物力性質的真實數據，維則對應的是變量的維度信息，屬性則是變量輔助信息屬性，主要用于存儲氣象科學中的氣象數據，文中主要應用Python語言的netCDF4類庫對NC數據集進行解析。

4 主要實現方法

4.1 成像儀標稱行列號與經緯度匹配表生成

風云4A產品存儲的位置信息是成像儀標稱行列號，無實際的經緯度數據，需要讀取標稱網格文件，沙塵檢測產品對應的經緯度文件為FullMask_Grid_4000_1047.raw，文件是一個2 748×2 748的規則網格，從北向南、從西向東依次填寫，每個網格存儲的是16個字節，前8字節為經度值，后8字節為緯度值，數據類型為double。文章研究的內蒙古區域 經 度 范 圍 是97.3°E—126.2°E、緯 度 范 圍 是37.3°N—53.4°N，編寫Matlab程序，生成內蒙古區域標稱行列號與經緯度匹配表，具體代碼如下所示：

4.2 經緯度和沙塵分數數據預處理

4.2.1 經緯度數據預處理

成像儀標稱行列號與經緯度匹配表存儲的數據格式是“行號，列號，經度，緯度”，需要經過預處理將一維列式存儲格式轉為二維網格存儲，讀取匹配表中的最大和最小行列號，計算橫向網格和縱向網格數，然后將經度和緯度一維數組轉換為2維網格數據，具體代碼如下所示：

4.2.2 沙塵分數數據預處理

利用netCDF4類庫讀取沙塵檢測產品的沙塵分數數據集[5]，按照內蒙古區域范圍對沙塵分數數據集進行裁剪，具體代碼如下所示：

4.3 沙塵檢測圖繪制

應用Matplotlib類庫的子包Basemap繪制沙塵檢測圖，繪制步驟如下：

第一步，設置繪圖區域及投影。創建一個Basemap實例，用來設置繪圖區域和投影。文中繪圖區域選擇的是內蒙古區域，投影是墨卡托投影，代碼如下所示：

m=Basemap(projection='merc',llcrnrlat=37.3,urcrnrlat=53.45,llcrnrlon=97.3,urcrnrlon=126.20,resolution='c')

第二步，經緯度與圖像像素點轉換。調用map函數將預處理的經緯度映射為繪制圖像的像素點，代碼如下所示：x,y=m(lons,lats)

第三步，設置繪圖色標。選用十六進制作為設定顏色值的代碼，沙塵分數值越大顏色越深，顏色編碼序列為

['#FFE479','#FDDD6E','#F3AC5C','#FA7935','#F45A10','#F75 60E']，設置了顏色序列，還要為每一組顏色匹配對應的沙塵分數范圍，沙塵分數數據列表為[12,15,17,19,21,23,24]，代碼如下所示：

第四步，繪制沙塵檢測圖。調用Basemap的內置函數contourf沙塵檢測圖繪制并保存為圖片，代碼如下所示：

5 應用與總結

本文基于全圓盤沙塵監測產品繪制了底圖透明的內蒙古區域的沙塵檢測圖，產品如圖2所示，并在內蒙古沙塵暴天氣實時跟蹤監測系統開展應用，為開展沙塵暴天氣科研、預報預測以及氣象服務提供了數據產品支撐。

圖2 內蒙古區域沙塵檢測圖

致謝：在此，特別感謝國家衛星氣象中心風云衛星遙感數據服務網http://satellite.nsmc.org.cn/提供的相關風云衛星沙塵監測產品及輔助數據。