遼寧開原7·3 強(qiáng)對(duì)流天氣的衛(wèi)星識(shí)別分析技術(shù)＊

馮 琬，叢顯輝，張 博

（1.中國(guó)民用航空飛行學(xué)院，四川 廣漢618307；2.大連航空有限責(zé)任公司，遼寧 大連116000）

1 研究背景

對(duì)流云是由于大氣發(fā)生對(duì)流運(yùn)動(dòng)而生成的一種產(chǎn)物，強(qiáng)對(duì)流云常伴有冰雹、龍卷風(fēng)以及短時(shí)大風(fēng)等強(qiáng)對(duì)流天氣。但是由于強(qiáng)對(duì)流系統(tǒng)時(shí)空尺度小，具有突發(fā)性、災(zāi)害性、預(yù)報(bào)難度大的特點(diǎn)，利用常規(guī)的氣象觀測(cè)手段很難能夠捕捉到強(qiáng)對(duì)流系統(tǒng)。天氣雷達(dá)作為一種非常規(guī)的天氣觀測(cè)設(shè)備，基于雷達(dá)資料對(duì)強(qiáng)對(duì)流系統(tǒng)的觀測(cè)也已經(jīng)被廣泛應(yīng)用，但是，雷達(dá)的探測(cè)波段單一，并且覆蓋范圍有限，在強(qiáng)對(duì)流系統(tǒng)的探測(cè)上有著明顯的缺陷。衛(wèi)星相較于雷達(dá)覆蓋范圍廣，靜止氣象衛(wèi)星的資料幾乎可以覆蓋全球1/4 的面積，此外隨著衛(wèi)星技術(shù)的不斷提高，衛(wèi)星的時(shí)間分辨率以及空間分辨率也在不斷提高，并且衛(wèi)星可以實(shí)現(xiàn)全天候、多波段的觀測(cè)，衛(wèi)星在對(duì)流云的識(shí)別上有著不可替代的優(yōu)越性。

在對(duì)對(duì)流云的研究中，研究者較為關(guān)注的是對(duì)于強(qiáng)對(duì)流云團(tuán)以及快速發(fā)展對(duì)流云的識(shí)別判斷。在眾多方法中，亮溫閾值法是最為常見的。許多專家學(xué)者針對(duì)不同地域，提出了利用不同的閾值來進(jìn)行強(qiáng)對(duì)流云的識(shí)別判斷，與單一閾值法相比較，多閾值更具有優(yōu)勢(shì)，可以發(fā)揮衛(wèi)星多通道觀測(cè)的優(yōu)點(diǎn)，從而能夠更好地識(shí)別對(duì)流云系[1-3]，亮溫閾值法能夠快速有效地識(shí)別出對(duì)流云。確定出適合研究地區(qū)的亮溫閾值，并且充分利用地球靜止氣象衛(wèi)星多波段觀測(cè)的特點(diǎn)，準(zhǔn)確地識(shí)別判斷出強(qiáng)對(duì)流云以及有效地預(yù)判快速發(fā)展對(duì)流云，為強(qiáng)對(duì)流天氣的預(yù)報(bào)提供參考，從而盡可能地減少?gòu)?qiáng)對(duì)流天氣給人民生產(chǎn)生活帶來的危害。

本篇論文基于氣象衛(wèi)星，利用閾值法，針對(duì)開原龍卷風(fēng)天氣，重點(diǎn)進(jìn)行強(qiáng)對(duì)流云團(tuán)的識(shí)別判斷以及快速發(fā)展對(duì)流云的識(shí)別判斷，以此為強(qiáng)對(duì)流天氣的預(yù)報(bào)提供初步參考，從而盡量減輕經(jīng)濟(jì)的損失，避免人員的傷亡。

2 天氣過程

2019-07-03 T17 ：00 起，遼寧開原以北的天空烏云密布，17：14 左右，遼寧開原上空北方天空黑云之中突然出現(xiàn)了一個(gè)顏色深的漏斗云，17：15 左右，漏斗云接地，也正式宣告了此次龍卷天氣的開始，17：15—17：30，強(qiáng)龍卷風(fēng)天氣席卷了遼寧開原市區(qū)，并給遼寧開原帶來了嚴(yán)重的財(cái)產(chǎn)損失以及人員傷亡，龍卷中心附近最大的陣風(fēng)達(dá)到了17 級(jí)甚至17 級(jí)以上，達(dá)到了EF-3 級(jí)強(qiáng)度。由天氣圖可知，東北上空有一冷渦存在，中心強(qiáng)度為560 dagpm，強(qiáng)度極強(qiáng)，造成其西側(cè)有大量強(qiáng)盛的冷空氣在從西北向東南方向侵襲，最后直達(dá)遼河平原，而850 hPa 及以下高度則為西南暖濕氣流，這樣就形成了大氣上層干冷下層暖濕的結(jié)構(gòu)，大氣層結(jié)極不穩(wěn)定，這是強(qiáng)對(duì)流天氣發(fā)生發(fā)展的前提。

3 強(qiáng)對(duì)流云的衛(wèi)星識(shí)別分析

在紅外波段，用亮度溫度值表示目標(biāo)物輻射的強(qiáng)度。而對(duì)于強(qiáng)對(duì)流云來說，由于強(qiáng)對(duì)流云是強(qiáng)烈對(duì)流運(yùn)動(dòng)的產(chǎn)物，強(qiáng)對(duì)流云團(tuán)在衛(wèi)星紅外通道對(duì)應(yīng)的就是亮度溫度值最低的區(qū)域。在本文中，將云頂亮度溫度值小于或者等于230 K 的對(duì)流云定義為強(qiáng)對(duì)流云，并在這個(gè)基礎(chǔ)之上，利用氣象衛(wèi)星中國(guó)區(qū)域紅外通道17：00 數(shù)據(jù)來識(shí)別7·3 遼寧開原龍卷風(fēng)天氣過程中的強(qiáng)對(duì)流云。2019-07-03T17：00 7 通道原始衛(wèi)星圖像如圖1 所示。

本次遼寧開原的龍卷風(fēng)強(qiáng)對(duì)流天氣開始時(shí)間為2019-07-03T17：15 左右，大約于17：30 結(jié)束，一共持續(xù)了約15 min。圖1 中的方框區(qū)域是2019-07-03T17：00遼寧開原龍卷風(fēng)的紅外通道的原始圖像，從紅外衛(wèi)星云圖的圖像中，可以看出云頂光滑平坦，云團(tuán)結(jié)構(gòu)緊密，色調(diào)白亮，所以方框中的云團(tuán)為強(qiáng)對(duì)流云團(tuán)，而強(qiáng)對(duì)流云所帶來的強(qiáng)對(duì)流天氣是氣象預(yù)報(bào)所最為關(guān)注的重點(diǎn)以及難點(diǎn)問題。接下來將利用算法語言進(jìn)行強(qiáng)對(duì)流云團(tuán)的識(shí)別判斷，下面闡述的是識(shí)別強(qiáng)對(duì)流云的過程中，紅外亮溫閾值的選取原則以及過程。

圖1 2019-07-03T17：00 7 通道原始衛(wèi)星圖像

第一步首先確定一個(gè)亮溫閾值的范圍，本文由于缺少對(duì)遼寧地區(qū)強(qiáng)對(duì)流云云頂紅外亮溫值的統(tǒng)計(jì)分析，所以采取反向推導(dǎo)閾值的方法來確定合適的閾值。221 K 適合識(shí)別強(qiáng)對(duì)流云，再考慮到東北地區(qū)氣溫較低，而強(qiáng)對(duì)流云本身由于云體高大且密實(shí)，近似黑體，以致于對(duì)應(yīng)的紅外亮溫值低。所以在本文中選用200～230 K 這一紅外閾值范圍來進(jìn)行強(qiáng)對(duì)流云的識(shí)別判斷，所選擇的亮度溫度值在合適的基礎(chǔ)之上范圍要大些，要確保用選定的亮溫閾值區(qū)間在識(shí)別強(qiáng)對(duì)流云時(shí)，不會(huì)漏掉任何強(qiáng)對(duì)流云的像素點(diǎn)。亮溫閾值識(shí)別結(jié)果如圖2 所示。如圖2（a）所示，從識(shí)別結(jié)果中可以得出，當(dāng)亮溫閾值選取在[200 K，230 K]這一范圍時(shí)，對(duì)于本次遼寧開原龍卷風(fēng)天氣過程中的強(qiáng)對(duì)流云來說，適合的亮度溫度值應(yīng)該位于210～220 K 之間。所以接下來將根據(jù)第一步識(shí)別的結(jié)果進(jìn)一步縮小亮溫閾值的范圍。第二步識(shí)別采用210～220 K 這一亮溫閾值區(qū)間，從圖2（b）中可以看出，亮溫閾值進(jìn)一步鎖定為210～220 K，可以較好地識(shí)別出強(qiáng)對(duì)流云，并且剔除了圖2（a）中大量的非強(qiáng)對(duì)流云區(qū)域，同時(shí)也最大程度保留了強(qiáng)對(duì)流云區(qū)域。最后，將更進(jìn)一步地確定適合開原地區(qū)強(qiáng)對(duì)流云的亮溫閾值，把210～220 K 這一閾值范圍以1 K 為間隔單位，劃分成10 個(gè)亮溫區(qū)間，從而更加精確地確定出識(shí)別此次遼寧開原開原龍卷風(fēng)強(qiáng)對(duì)流云的最佳亮溫閾值，圖2（c）為此次識(shí)別的結(jié)果圖。216～220 K 的亮溫閾值可以最好地識(shí)別出強(qiáng)對(duì)流云，所以本篇論文將用[216 K，220 K]作為強(qiáng)對(duì)流云識(shí)別判斷的亮溫閾值。

圖2 亮溫閾值識(shí)別結(jié)果

但在識(shí)別判斷強(qiáng)對(duì)流云團(tuán)的過程中，容易把相近高度的卷云錯(cuò)誤地識(shí)別判斷為強(qiáng)對(duì)流云，從而產(chǎn)生錯(cuò)誤識(shí)別的情況，影響強(qiáng)對(duì)流云識(shí)別結(jié)果的準(zhǔn)確性。所以在原本識(shí)別結(jié)果的基礎(chǔ)之上，需要進(jìn)行進(jìn)一步識(shí)別，以達(dá)到區(qū)分卷云以及強(qiáng)對(duì)流云的目標(biāo)，從而使識(shí)別結(jié)果更加準(zhǔn)確。

采用分裂窗技術(shù)即12.0 μm 與10.7 μm 的亮度溫度的差值。紅外分裂窗通道受大氣的影響很小，影響兩通道的主要因素是水汽，而對(duì)于強(qiáng)對(duì)流云團(tuán)以及卷云來說，強(qiáng)對(duì)流云團(tuán)內(nèi)部水汽含量大，而卷云的水汽含量相對(duì)于強(qiáng)對(duì)流云團(tuán)來說很少，強(qiáng)對(duì)流云對(duì)應(yīng)的兩通道的差值較之卷云要大。圖3 為應(yīng)用紅外分裂窗技術(shù)區(qū)分強(qiáng)對(duì)流云以及卷云的識(shí)別結(jié)果，圖中方框區(qū)域?yàn)樽R(shí)別出的強(qiáng)對(duì)流云區(qū)域，從圖中可以看出，強(qiáng)對(duì)流云附近區(qū)域沒有出現(xiàn)比其對(duì)應(yīng)兩通道亮溫差值還大的區(qū)域，所以在識(shí)別出的強(qiáng)對(duì)流云區(qū)域中，基本不存在被錯(cuò)誤識(shí)別進(jìn)來的卷云，較為成功地排除了卷云在識(shí)別強(qiáng)對(duì)流云過程中可能造成的不利影響，從而直接證明了識(shí)別結(jié)果是準(zhǔn)確的，并且是可信的。

圖3 分裂窗技術(shù)識(shí)別結(jié)果

4 快速發(fā)展對(duì)流云的識(shí)別

從前文的判別中不難發(fā)現(xiàn)，在17：00，基本大部分都是強(qiáng)對(duì)流云，此時(shí)的積云已經(jīng)得到了強(qiáng)烈的發(fā)展，并且其后所帶來的龍卷風(fēng)強(qiáng)對(duì)流天氣嚴(yán)重危害了人民的財(cái)產(chǎn)以及生命安全，在災(zāi)難天氣發(fā)生之前，如何進(jìn)行正確的天氣預(yù)報(bào)也是有待解決的問題。考慮到衛(wèi)星多通道觀測(cè)以及高時(shí)空分辨率的優(yōu)勢(shì)，本文采取4 個(gè)指標(biāo)，來識(shí)別判斷快速發(fā)展對(duì)流云。表1 是為識(shí)別快速發(fā)展對(duì)流云而設(shè)定的指標(biāo)，當(dāng)目標(biāo)積云同時(shí)滿足表格中所列出的全部指標(biāo)時(shí)，就將目標(biāo)積云判定為快速發(fā)展對(duì)流云。按照4 個(gè)制定的指標(biāo)進(jìn)行數(shù)據(jù)的篩選，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在16：30，2 通道與7 通道的亮溫差值在﹣35～﹣10 ℃之間，從16：30—17：00，7 通道的亮溫值變化小于﹣2 ℃，2 通道與7 通道的亮溫差值變化大于6 ℃，9 通道與7 通道的亮度溫度差值則要大于1 ℃，同時(shí)滿足4 個(gè)指標(biāo)的目標(biāo)積云則就被認(rèn)定為快速發(fā)展對(duì)流云，且比17：00 強(qiáng)對(duì)流天氣發(fā)生時(shí)提前了30 min，有較好的預(yù)報(bào)意義。

表1 快速發(fā)展對(duì)流云識(shí)別指標(biāo)

5 結(jié)束語

龍卷風(fēng)是中小尺度天氣，發(fā)生突然，依據(jù)現(xiàn)有的手段準(zhǔn)確預(yù)報(bào)難度極大，本文從衛(wèi)星資料入手對(duì)強(qiáng)對(duì)流天氣的識(shí)別技術(shù)進(jìn)行了探索，利用閾值法與分裂窗技術(shù)，得到強(qiáng)對(duì)流云的識(shí)別判據(jù)與前期快速發(fā)展時(shí)的指標(biāo)，具有一定的預(yù)報(bào)指示意義。由于時(shí)間、資料的有限性，缺少對(duì)遼寧地區(qū)大量對(duì)流云衛(wèi)星紅外亮溫?cái)?shù)據(jù)資料的統(tǒng)計(jì)分析，所以只能采取反向推導(dǎo)閾值的方法，在閾值選取方面存在不嚴(yán)謹(jǐn)之處。