基于FY-3B/VIRR数据的新疆沙尘天气遥感监测应用研究

杨志华，张旭，毛炜峄

（新疆维吾尔自治区气候中心，新疆 乌鲁木齐 830002）

基于FY-3B/VIRR数据的新疆沙尘天气遥感监测应用研究

杨志华，张旭，毛炜峄

（新疆维吾尔自治区气候中心，新疆 乌鲁木齐 830002）

新疆是我国沙尘天气多发区，但是地面测站稀少，使用卫星遥感监测沙尘天气有非常大的优势。利用国家卫星气象中心开发并向各省推广的SMART业务系统，以FY-3B/VIRR为数据源，采用以人机交互方式分析区域沙尘遥感监测方法。以2012年数据为例，对沙尘天气进行了遥感监测，结果表明FY-3B/VIRR数据可有效提取沙尘天气信息，具有较好的沙尘监测评估业务应用前景。

SMART系统；FY-3B/VIRR数据；沙尘监测；新疆

沙尘天气分为浮尘、扬沙、沙尘暴和强沙尘暴四类。浮尘指尘土、细沙均匀地浮游在空中，使水平能见度小于10 km的天气现象；扬沙指风将地面尘沙吹起，使空气相当混浊，水平能见度在1～10 km以内的天气现象；沙尘暴指强风将地面大量尘沙吹起，使空气很混浊，水平能见度小于1 km的天气现象；强沙尘暴指大风将地面尘沙吹起，使空气模糊不清，浑浊不堪，水平能见度小于500 m的天气现象[1]。新疆是我国沙尘暴的主要源区之一，南疆有著名的塔克拉玛干大沙漠，北疆有古尔班通古特大沙漠，为沙尘暴的产生提供了基本的物质条件。新疆沙尘暴出现频率，北疆古尔班通古特沙漠年平均日数在15 d以上，沙漠南缘、天山北麓一线多在4～10 d之间。南疆年平均高于15 d的高发区域覆盖整个塔克拉玛干沙漠，沙漠南缘、昆仑山北麓一线年平均日数为13～35 d，高于沙漠其它周边地区[2]。

新疆地面测站稀疏，有沙尘监测项目的常规测站更少，沙尘天气发生、发展、传送及其强度变化等性质的监测数据极度缺乏，沙尘天气影响的定量评估存在技术难题。而卫星遥感监测无论从时间还是空间尺度的监测而言，都具有非常大的潜在优势。目前国内沙尘暴的遥感监测主要利用静止气象卫星（GMS/VISSR）和极轨气象卫星（NOAA/AVHRR、FY21C/MVISR）两大系列数据。极轨卫星的空间分辨率是1.1 km，高于静止气象卫星，而静止卫星的优势在于时间分辨高，对于持续时间较短的沙尘天气过程的监测很有利[3-10]。EOS-Terra星上搭载的MODIS传感器在继承了NOAA/AVHRR功能的同时，数据的空间分辨率提高到了0.25 km、数据波段数增加到36个，它的应用极大丰富了沙尘天气遥感监测的内容并得到了广泛的应用[11-15]。

我国自主研发的“风云三号”是第二代极轨气象卫星，由两颗卫星组成（FY-3A卫星、FY-3B卫星）。“风云三号”装载的探测仪器有：10通道扫描辐射计、20通道红外分光计、20通道中分辨率成像光谱仪、臭氧垂直探测仪、臭氧总量探测仪、太阳辐照度监测仪、4通道微波温度探测辐射计、5通道微波湿度计、微波成像仪、地球辐射探测仪和空间环境监测器[16]。利用“风云三号”卫星数据进行新疆沙尘天气监测的相关研究还在起步阶段，国内相关文献较少。本研究主要探讨以“风云三号”卫星10通道扫描辐射计数据源（FY-3B/VIRR）参考较为成熟的方法进行沙尘暴监测，并进行了业务化应用研究。

1 利用FY-3B/VIRR监测沙尘天气的原理

1.1 大气沙尘气溶胶监测原理

悬浮在大气中的沙尘均称为大气沙尘气溶胶，在可见光和热红外波段，沙尘气溶胶具有以下特征：

（1）热红外辐射（10.3～12.5 μm），沙尘气溶胶的吸收较强，利用热红外通道可区别沙尘和地面背景，结合中红外波段，利用二者对相同目标物反映的差异，可有效地识别沙尘和地面背景。

根据Mie辐射理论制作的体积消光图可见，干燥沙尘气溶胶在小粒径情况下，对10 μm、12 μm红外波段辐射有不同的消光，其中对10 μm波长消光略强于12 μm波长，即在卫星传感器10 μm波段上探测到的辐射通量将减少，使得12 μm波段的探测值大于10 μm波段，但在大粒径情况下消光差异不大。因此在一定条件下，可以利用卫星传感器在10 μm、12 μm波段探测值的差值提取沙尘信息[17]。

（2）在可见光波段和近红外波段（0.6～1.3 μm），沙尘暴发生时，常见粒径的沙尘气溶胶都有较高的反射率。

（3）在短波红外波段（1.3～1.9 μm），这一光谱差异可用于识别沙尘暴、植被和中高云。

（4）在中红外波段（3.5～3.9 μm），沙尘气溶胶散射能量增加了亮温物理量值，有利于区别水体、地表植被、裸土、低云和高层云、高积云、浓积云等部分中高云。但这一波段的遥感信息有时不能有效区别地表和高云。

1.2 FY-3B/VIRR用于沙尘监测的光谱通道特征

FY-3（B）号卫星上的可见光、红外扫描辐射计（VIRR）的光谱范围位于0.43～12.5 μm，设10个通道（表1），地面分辨率1.1 km。其位于第1、2、7、8、9、10通道位于可见光和近红外波段，用于探测下垫面对太阳光的反射特性，对大气沙尘有不同程度的灵敏性；通道3、4、5为热红外通道，通道3为中红外通道，可接收来自下垫面的热辐射，可以检测沙尘与云系、地表的热辐射差异。通道6为短红外通道，用于探测下垫面对太阳光的反射特性，对大气沙尘有较高的灵敏性[17]。

表1 可见光、红外扫描辐射计（VIRR）光谱范围

通过利用上述仪器探测通道对大气沙尘以及对与不同云系、不同地表的响应灵敏性，将多个通道的探测数据组合判识；可以将沙尘信息从遥感数据中分离出来，实现大气沙尘的卫星遥感监测。

2 利用FY-3B/VIRR数据的沙尘天气监测方法

沙尘气溶胶的这些光谱辐射特性，在FY-3B/ VIRR相应观测通道上，都有灵敏的响应。由于FY-3B/VIRR数据通道的设置与EOS/MODIS数据通道设置基本相同，参考EOS/MODIS数据较为成熟的方法，根据大气悬浮沙尘粒子与云类、裸地、植被和水体等物体光谱辐射特性的相对差异，采用多光谱阈值法可对沙尘像元进行判识和提取计算，具体算法见图1。

图1 FY-3B/VIRR数据沙尘监测算法流程

RVIS（地）＜RVIS（沙尘）＜RVIS（中低云），且T11（沙尘）＜T11（地），且RSIR（沙尘）＞RSIR（中高云），且ΔT3.7-11（沙尘）＞ΔT3.7-11（地、低云），或T11-12（沙尘）＜0。

RVIS表示可见光0.55～0.68 μm谱段的反射率，对应FY-3B/VIRR的1通道，SMART系统中反射率阈值范围取值24%～40%，可初步确定沙尘范围。

RNIR表示近红外0.7～1.1 μm波段的反射率，对应FY3B/VIRR的2通道。

RSIR表示短波红外1.58～1.65 μm波段的反射率，对应FY3B/VIRR的6通道，SMART系统中反射率下限取值范围为25%～40%，可排除云覆盖的部分影响。

T3.7为3.55～3.95 μm中红外谱段的等效黑体辐射亮温，对应FY-3B/VIRR的3通道。

T11为10.3～11.3 μm热红外分裂窗通道的等效黑体辐射亮温，对应FY-3B/VIRR的4通道，SMART系统中亮温取上限值范围为260～290 K，可部分排除低云和冰雪的影响。

T12为11.5～12.5 μm热红外分裂窗通道的等效黑体辐射亮温，对应FY-3B/VIRR的5通道。

ΔT3.7-11=T3.7-T11，表示3.55～3.95 μm谱段与10.3～11.3 μm谱段亮温差。

ΔT11-12=T11-T12，表示10.3～11.3 μm谱段与11.5～12.5 μm谱段亮温差。

RVIS（地）、RVIS（沙尘）、RVIS（云）、T11（沙尘）、T11（地）、RSIR（沙尘）、RSIR（云）、ΔT3.7-11（沙尘）、ΔT3.7-11（地）、ΔT3.7-11（云）等分别表示卫星相应波段对地面、沙尘气溶胶、云的测值。

根据上述算法，应用FY-3B/VIRR卫星数据可以实现区域沙尘天气监测。

3 FY-3B/VIRR数据沙尘天气遥感监测应用实例

3.1 数据选择和处理

FY-3B/VIRR数据来源于中国气象局乌鲁木齐气象卫星地面站所接收的原始轨道文件，时间范围为2012年全年共700余条。原始轨道0级文件经处理软件生成HDF格式的1 B数据，几何校正定位、辐射定标和投影转换采用由中国气象局国家卫星气象中心提供的卫星监测分析与遥感应用软件平台（SMART）。该软件平台是风云三号等气象卫星监测、分析、服务为一体的综合应用平台，为全国气象部门从事灾害及环境遥感应用的专业技术人员提供的一个专业化的遥感应用平台，目前该应用平台已在新疆气象局业务试运行。

经过预处理和投影转换生成局地投影文件和影像缩略图以供筛选和应用。投影方式采用等经纬度投影，影像数据分辨率为0.01°，中心经纬度84.25° E，41.75°N，行数2 550，列数1 550，覆盖新疆范围。

3.2 监测结果

对2012年全年FY-3B/VIRR数据进行筛选，得到合适沙尘信息提取的卫星轨道数据41条。基于上述技术方法对筛选后的影像数据进行监测处理，监测到有沙尘天气活动的卫星数据27条并进行了沙尘信息的提取和专题图的制作。

以2012年3月22日的FY-3B/VIRR沙尘监测为例，从监测结果和相同时间EOS/MODIS的影像图及沙尘增强合成图像[15]的对比可以看出，运用FY-3B/VIRR数据对沙尘进行监测取得了较好的效果。位于塔里木盆地南缘的沙尘区域被明显的标示出来，其他区域无误判，监测结果未受其下垫面沙漠地表、植被和水体的影响（图2）。

以FY-3B/VIRR沙尘天气监测结果为基础对27条轨道的沙尘区域面积进行统计，得到新疆2012年全年沙尘天气发生分布情况、沙尘面积等信息。从表2统计表数据可以看出，2012年新疆的沙尘天气主要集中出现在4月、5月和11月，这与该区域代表站地面观测资料统计年内时间分布特征是基本一致的。

3.3 沙尘监测评价

以2012年卫星监测到影响范围较大的一次沙尘天气为例，对此次沙尘天气进行评价。此次沙尘天气出现在2012年11月6—8日，由11月7日15:06接收到的FY-3B/VIRR数据监测到沙尘影响面积高达24.2万km2，沙尘覆盖面积占整个南疆地区的23.4%（图3）。

图3 2012年11月7日FY-3B/VIRR卫星沙尘监测图

对沙尘覆盖区域进行分地区统计，由统计数据可以得知此次沙尘天气覆盖南疆5个地区，主要影响阿克苏地区、喀什地区和和田地区。其中阿克苏地区沙尘区域覆盖面积7.15万km2占辖区面积的54.55%，主要影响区域为阿克苏市和沙雅县；喀什地区沙尘区域覆盖面积5.17万km2占辖区面积的46.38%，主要影响区域为巴楚县和麦盖提县；和田地区沙尘区域覆盖面积9.04万km2占辖区面积的36.30%，主要影响区域为墨玉县和皮山县；克州和巴州沙尘覆盖率较小（表3）。

表3 2012年11月7日FY-3B/VIRR卫星沙尘监测数据统计

对沙尘覆盖地区各县、市进行统计，此次共有34个县市受到沙尘天气影响。其中阿克苏市、阿瓦提县、疏勒县、麦盖提县、岳普湖县、伽师县、墨玉县共7个县、市沙尘覆盖率在90%以上；共14个县、市沙尘覆盖率在50%以上；且末县、乌什县、阿克陶县、阿合奇县和和田县沙尘覆盖率在10%以下（图4）。

图4 2012年11月7日南疆主要县、市沙尘覆盖率

4 结论

（1）利用FY-3B/VIRR数据开展沙尘天气监测是可行的。在具体应用时，会遇到由于沙尘暴的顶端与某些低云、沙尘暴与部分沙漠地表难以区分以及碎云和高亮地表的影响，这些影响可利用SMART软件通过对参数的调整以人机交互的形式得到很好的解决。FY-3B/VIRR多通道方法的应用，可有效提取沙尘天气信息，人机交互多通道域值的分析可以作为FY3B/VIRR沙尘监测业务化的主要方法。

（2）对2012年全年FY-3B/VIRR数据的沙尘暴信息提取和专题图结果和EOS/MODIS的沙尘增强合成图结果基本吻合，沙尘天气的分布与相关台站观测统计趋势基本一致，同时利用遥感手段获得了沙尘天气的影响范围信息。FY-3B/VIRR以其可见光和热红外通道对沙尘响应灵敏的优势，可以作为沙尘天气监测的又一重要数据源。

（3）在利用FY-3B/VIRR数据进行沙尘天气动态监测中，天气影响是制约因素，大面积的云覆盖对沙尘天气的监测影响最大，对沙尘天气天数和影响面积的统计都有较大的影响。由于监测区域地面观测站点稀疏，没有合适的实测数据作为结果检验，今后的研究及业务应用还需要在多种卫星数据源的对比监测方面深入研究。

（4）通过卫星遥感监测沙尘气溶胶可以给出沙尘天气的影响面积，为沙尘天气影响定量评估奠定了基础，但是需要继续探讨不同强度的沙尘天气的卫星遥感监测原理和方法及其应用，可以为更加精细的沙尘天气影响评估提供技术支持。

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The Remote Sensing Monitoring Application Research in Dust Weather of Xinjiang Based on FY-3B/VIRR Data

YANG Zhihua，ZHANG Xu，MAO Weiyi
（Xinjiang Climate Center，Urumqi 830002，China）

There was multiple dust weather area in Xinjiang Province,due to lack of the ground observation station,there are so many advantages that we can use the remote sensing satellite to monitor the dust weather.By using the SMART system which came from the National Satellite Meteorological Center,with FY-3B/VIRR as data source,adopted the man-machine interaction method to analyze the regional dust weather.We inspected the dust weather by used the data of the year 2012,the results show that it can distill the information of dust weather efficiently by using FY3B/VIRR data,and it has much more application perspective applied in our professional work.

SMART system；FY-3B/VIRR；dust weather monitoring；Xinjiang

TP79

B

1002-0799（2014）05-0048-05

10.3969/j.issn.1002-0799.2014.05.009

2013-11-28；

2014-02-27

新疆气象局重点项目（ZD201402）。

杨志华（1980-），男，工程师，主要从事遥感监测分析服务业务及相关研究。E-mail：10441697@qq.com

杨志华，张旭，毛炜峄.基于FY-3B/VIRR数据的新疆沙尘天气遥感监测应用研究[J].沙漠与绿洲气象，2014，8（5）：48-52.