2019年春季我国沙尘天气卫星监测数据分析

文 | 刘清华 王新 任素玲

国家卫星气象中心

一、引言

沙尘天气是一种具有巨大破坏力的灾害性天气，对生态系统、交通、农作物、人体健康等均有不利影响。我国沙尘天气主要发生在北方地区，而在西北广大地区的范围内，地面监测站点较少，不能很好地记录沙尘天气。气象卫星遥感技术可以从空间上捕捉沙尘天气动态信息，是目前监测、跟踪、分析沙尘天气最为有效的手段之一。

利用气象卫星数据进行沙尘天气监测的技术由单通道监测到多通道综合应用，如20世纪70年代国外首先开展了利用可见光和红外通道数据监测陆地和水体上空沙尘（Carlson T N 1979，Griggs M 1975）。90年代国内外开始综合多通道数据进行沙尘监测，包括根据沙尘粒子在可见光、近红外、短波红外、中红外、热红外通道不同于云、地表等其他目标物的光谱辐射特性，用阈值法进行沙尘信息提取(郑新江等 2001，方宗义等 2001，胡秀清等2007，罗敬宁等 2015，Zhang P等 2006）。

随着新型传感器的发展，开展了利用微波数据、高光谱数据、激光雷达数据进行沙尘天气监测的相关研究工作（Huang等 2006，Peyridieu等 2013，Hui Xu等 2013）。同时，也形成了多个沙尘定量参数，典型的如红外差值沙尘指数（IDDI），沙尘气溶胶光学厚度（AOD）,紫外吸收性气溶胶指数（AAI）等。本文结合地面观测和卫星自动监测产品（包含沙尘定量参数），采用图像目视解译和多光谱综合分析方法进行沙尘天气监测。

二、沙尘卫星监测方法

沙尘中含有大量大小不同的矿物质粒子，它们会吸收、散射、反射太阳的短波辐射及地面的长波辐射,并向外发射辐射。根据沙尘粒子的辐射传输特性，通过分析沙尘在不同光谱波段上的发射和反射特性，同时结合沙尘信息的空间分布形态特征来遥感监测沙尘，是沙尘灾害监测（包括沙尘信息提取与强度监测）的主要理论基础。

1.多光谱综合分析方法

多光谱综合分析方法即利用不同的光谱波段对沙尘气溶胶有不同的表现，综合这些特征表现，实现对沙尘的识别和变化分析（陆文杰等 2011）。主要包括：

1）在可见光波段和近红外波段（0.5～1.25μm），沙尘气溶胶有较高的反射率。

2）在短波红外波段（1.3～1.9μm），沙尘气溶胶的反射率高于可见光波段和近红外波段，而且明显高于中高云的反射率。在该波段水体反射率很低，地表植被反射率较低，裸土反射率较高，沙漠反射率最高。

3）在中红外波段（3.5～3.9μm），沙尘气溶胶散射辐射的绝对能量低于可见光、近红外、短波红外波段，但远高于热红外波段。沙尘区的中红外通道和热红外窗区通道的亮温差值比其他目标亮温差值大，亮温差可有效地区分沙尘区和地面背景。

4）在热红外通道（10.3～12.5μm），沙尘气溶胶的吸收较强，沙尘的等效黑体亮温与水体、地表植被、裸土和沙漠有一定的温度差异。根据Mie散射理论，干燥沙尘气溶胶在小粒径情况下，对10μm、12μm红外波段辐射有不同的消光，其中对10μm波长消光略强于12μm波长，使得12μm 通道的亮温值大于10μm通道，但在大粒径情况下消光差异不大，此方法称为红外分裂窗法。但是，当沙尘十分浓厚时，分裂窗的差异就会变小，红外分裂窗法对强沙尘不敏感。

2.图像目视解译方法

在卫星图像中，可以通过颜色、色调、纹理和形状等的特征识别出沙尘暴区域。 图像目视解译法采用的图像包括黑白图像（如静止气象卫星的可见光通道图像、红外通道图像）和彩色图像。彩色图像的通道组合选择对沙尘暴敏感的可见光、近红外和中红外（或远红外）3 个光谱波段，赋予红色、绿色、蓝色，利用加色法合成，得到可以突出沙尘暴信息的假彩色图像。如果光谱通道足够，可以选择可见光的三个通道，组合成红色、绿色、蓝色的真彩色图像。在云图中，沙尘暴区有特定的颜色，还有顺着风向的纹理。“沙尘羽”的分布受地形走向影响，其边缘往往和盆地边缘一致（徐希慧 1997）。

另外，针对光谱通道数较多的风云四号A星（FY－4A）成像仪云图，利用8.5μm通道可以区分沙尘区和沙漠/戈壁背景区的特点（Zhang P等 2006），结合红外分裂窗法，选择对沙尘敏感的FY－4A的3个红外通道（8.5μm、11μm和12μm），利用3个通道数据进行RGB合成，具体方法见表1，其不受夜晚观测条件限制，能提供全天候的沙尘监测。

表1 FY－4A沙尘彩色合成图像方法

三、2019年春季沙尘监测结果分析

基于上述方法，本研究生成了2019年春季（3-5月）的沙尘天气卫星监测数据，通过每日监测得到的沙尘影响区域、沙尘影响面积的累加得到月沙尘发生日数、沙尘发生频次、沙尘累计影响面积等数据。

2019年春季全国沙尘频次图（图1）显示，新疆的南疆盆地沙尘频次达到8次，甘肃、内蒙古西部地区沙尘频次达到2次，内蒙古中东部、东北地区沙尘频次达到2次。与2018年春季（图2）相比，沙尘在南疆盆地的影响频次比2018年低，在内蒙古中东部、东北地区的发生频次比2018年高。

图1 2019年春季气象卫星全国沙尘频次图

图2 2018年春季气象卫星全国沙尘频次图

2019年春季卫星可视沙尘累计面积达413.8万平方千米，其中新疆南疆盆地影响面积最大，为315.2万平方千米，其次为内蒙古和黑龙江、甘肃（图3）。

图3 2009年春季卫星可视沙尘累计面积统计图 （单位：万平方千米）

四、典型沙尘天气过程

以2019年5月14-16日一次典型沙尘天气过程为例，这是伴随锋面气旋云系自西向东移动的沙尘天气过程，内蒙古中部、甘肃中部的部分地区出现沙尘暴，沙尘区影响范围大，移动速度快，15日内蒙古中部沙尘强度最强。5月15日14:00（北京时）的FY－4A真彩色图像中沙尘区为沙黄色且有顺风的纹理（图4），5月15日14:00（北京时）的FY－4A彩色合成图中沙尘区为粉红色（图5）。

图4 FY-4A沙尘监测图像（北京时间2019年5月15日14:00）

图5 FY-4A沙尘彩色合成图（北京时间2019年5月15日14:00）

五、讨论与结论

本研究综合多光谱分析法和图像目视解译法建立了2019年春季沙尘天气卫星监测数据。与2018年相比，2019年春季沙尘的累计影响面积偏小，在南疆盆地的影响频次比2018年低，而内蒙古中东部、东北地区沙尘发生频次较高。

结合风云气象卫星图像产品（真彩色合成图、多通道合成沙尘产品）以及定量产品（AOD、AAI、PM10）等多源数据可以对沙尘天气进行高精度的监测分析。

新一代气象卫星FY－4A多通道合成沙尘产品可以在白天、夜间对沙尘过程进行连续监测，在沙尘监测中发挥了重要的作用，该产品具备沙尘路径、沙尘移动速度定量监测能力，相关研究有待进一步开展。