利用卫星红外多光谱监测沙尘的方法

苗慧灵

（北京市气象局，北京 100089）

利用卫星红外多光谱监测沙尘的方法

苗慧灵

（北京市气象局，北京 100089）

利用沙尘与水云、冰云、下垫面对红外辐射的散射、吸收差异，研究了一种卫星监测沙尘方法。将TBD8.5－11（8.5μm减11μm亮温差）、TBD11－12（11μm减12μm亮温差）、T11（11 μm亮温）转换成3基色，经伽玛校正合成彩色图，用于沙尘监测。在实际应用中的结果表明：此方法对弱沙尘敏感，能详细反映沙尘强弱、位置高低以及沙地和云等多种信息，明显优于常用方法，对于研究沙尘对云的影响具有重要意义。同时，该方法能够发挥卫星日夜不间断探测的优点，适合连续跟踪监测。

沙尘暴；多光谱合成；卫星遥感

我国北方沙尘多发，对环境、生态、气候等产生影响，成为当今普遍关注的热点问题［1］。国内外沙尘研究主要为沙尘监测、形成机制、输送、预测、特性及其气候效应等，观测是研究基础，由于地面测站有限，卫星能弥补测站不足的缺陷。卫星监测沙尘主要有两种技术体系，即常用可见光加近红外 （VIR）和热红外 （TIR）技术［2］。早在1974年Shenk等［3］提出可见光加红外方法；Ackeman［4］曾用中红外 （3.7μm）和红外 （11μm）亮温差监测沙尘暴；郭铌等［5］利用可见光 （0.45μm）和近红外 （2.1μm）、红外 （3.7μm，8.5μm）亮温差建立了沙尘暴指数；Zhang等［6］用 TBD11－12（11μm 减12μm 亮温差）、TBD8.5－11（8.5μm 减11μm 亮温差）识别沙尘，分级显示沙尘强弱、冰云、水云等。

一方面，对于沙尘TBD11－12为负值，云和地表TBD11－12为正值 （或零），因此，用TBD11－12很容易识别沙尘。另一方面，由于水汽对8.5μm吸收较强，在无沙 （或弱沙）时，T8.5（8.5μm亮温）＜T11（11μm 亮温），TBD8.5－11为负；当强沙尘时，TBD8.5－11为正。因此，可用 TBD8.5－11标识沙尘的强弱。利用MODIS红外 （8.5μm、11μm、12μm）资料，将 TBD8.5－11、TBD11－12、T11转换为3基色，经伽玛校正合成彩色图监测沙尘，方法适用日夜连续监测。利用红外多光谱监测沙尘，还可获得云和地表详细信息，为研究沙尘对云的影响提供更丰富的信息，对环境影响研究具有重要意义。

1 监测沙尘原理与方法

1.1 沙尘复折射指数特性

复折射指数实部和虚部反映了气溶胶的散射、吸收能力。与水、冰相比，沙尘在11μm波段的复折射指数实部和虚部都大于12μm的，表明沙尘散射、吸收强，透过率小，更多12μm波段的能量穿过大气到达卫星，TBD11－12为负；相反，冰云、水云、地表TBD11－12为正。

虽然沙尘比冰云、水云对11μm的散射、吸收强，但是水汽对8.5μm （靠近水汽吸收波段）吸收更强。因此，当沙尘较弱时，11μm散射、吸收不足以抵消8.5μm的水汽吸收时，8.5μm透过率小于11μm，TBD8.5－11为负；当沙尘增强或有卷云时，11μm散射吸收增强，且大于8.5μm，TBD8.5－11为正。张鹏等［2］指出，强沙尘的 TBD8.5－11大于零；Ackerman等［7］观测到卷云的8.5μm亮温比11μm的高。晴空无沙尘时TBD8.5－11为较大负值。因此，TBD8.5－11反映了沙尘强弱。

1.2 MODIS红外多光谱监测沙尘方法

利用TBD11－12标识沙尘，TBD8.5－11标识沙尘的强弱，T11标识目标物温度 （高度），表1给出MODIS识别沙尘阈值。将TBD11－12反转值赋予红色 （R），TBD8.5－11反转值赋予绿色 （G），T11值赋予蓝色 （B），合成红外多光谱彩色图，经测试确定TBD11－12反转值取值范围为－4～3K，TBD8.5－11反转值取值范围为－2～10K，T11为261～289K。彩色图中各种颜色物理意义为：红色和紫红色为沙尘，红色表示沙尘温度低 （高度高），紫红色表示沙尘温度高 （高度低），弱沙尘为浅紫色，颜色越深沙尘越强，反之亦然；水云为土黄色，冰云为暗红色，沙地为青白色。因此，用此方法得到沙尘监测图，图中的沙尘、水云、冰云、沙地色差大，易于分辨，将沙尘显示为红色和紫红色还能起到警示作用。

表1 沙尘阈值

2 个例应用

2.1 白天沙尘监测与传统方法比较

选取2008年5月2日沙尘过程，分别采用该方法和2种常用方法合成卫星图像，对比分析监测沙尘效果。当天Aqua卫星过境为13：15（北京时间，以下均同），用 TBD11－12、TBD8.5－11、T11合成得到图1a。由图1a可见，强沙尘位于图中央呈红色和紫红色，高度不同，边缘弱沙尘呈浅紫色，周围沙地呈青白色，图左上角和图右侧存在呈土黄色的水云和呈暗红色的冰云，有些水云位于冰云之上，有些冰云位于沙尘之上，有些位于沙尘边缘，能清晰看出云与沙尘界限及混合。用该方法监测沙尘，能详细反映沙尘强弱、高低，以及沙地和云等多种信息，对于研究沙尘对云的影响具有重要意义。

一种常用卫星监测沙尘方法是用3个可见光（0.645μm，0.555μm，0.469μm）反射率合成彩色图 （图1b），图中栗黄色为沙尘，白色为云，当云与沙尘混合时云区发黄，灰黑色为地表。图中央呈栗黄色的强沙尘和图上部白色云区清晰可见，右侧发黄云区表示云与沙尘相互混合，但边缘的弱沙尘和沙地辨识较困难。与图1a相比，虽然强沙尘和云易于分辨，但对沙尘强弱和高度、云的相态不敏感，不易识别弱沙尘，区分沙尘与沙地困难，因为沙地与栗黄色相近。

另一种常用方法是用表1的阈值，设定强沙尘为黄色，弱沙尘为暗黄色，在图1b上半透明叠加得到图1c。图中黄色为强沙尘，暗黄色为弱沙尘，栗黄色为沙源地。与图1b相比，通过加大强、弱沙尘和沙地色差，可视效果得到改善，但在沙尘与云互相混合区域，易错判成沙尘（见图1c右侧）而忽略云信息。与图1a相比，在反映云信息 （水云、冰云）、云与沙尘相互作用、沙尘高度等方面效果欠佳。综上所述，新方法可视能力强，在许多方面优于常用可见光方法，特别是在与云互相作用区域优势明显。

2.2 双星日夜连续沙尘监测

2011年5月11日，受锋面气旋影响，蒙古国中东部、我国内蒙古地区出现强沙尘，局部沙尘暴。卫星监测表明，沙尘源自蒙古国中部，进入我国逐渐东移南下，经历先加强后减弱过程。图2a为Terra卫星 （过境时间11：37）多光谱图，图2b为Aqua卫星 （过境时间13：17）多光谱合成图，比Terra晚100min。由图可知，在100min内，红色沙尘区面积没有太大变化，但图2b红色增强表明沙尘强度增加，沙尘区位置与图2a相似，南下了1个纬距，略为东移。

图1 2008－05－02T13：15Aqua卫星监测沙尘的3种方法合成图

图2 2011－05－11—12EOS/MODIS卫星4次过境红外多光谱合成图

图2c和2d为卫星夜间监测沙尘多光谱合成图，夜间各目标物颜色物理意义与白天一致 （仅沙地因夜间温度低呈金黄色）。与白天相比，夜间红色沙尘区面积缩小强度减弱，至12日凌晨，116°E以西区域沙尘基本结束，仅东部存在沙尘，东移了4个经距。利用MODIS卫星实现日夜不间断沙尘跟踪监测 （每天4次），有利于了解沙尘范围、强度及演变，为研究沙尘暴和做好灾害防御提供监测基础。

2.3 地面监测验证

2011年5月11日11时地面观测资料显示，沙尘暴位于106～118°E、41～46°N （图3中曲线区域），与TERRA （11：37）卫星监测的沙尘暴 （图2a）一致，表明卫星监测沙尘方法有效。

3 结论

针对沙尘、地表、云、下垫面在卫星3个红外通道 （8.5μm、11μm、12μm）的散射吸收特点和差异，建立可日夜不间断监测沙尘的红外多光谱技术方法。其中，TBD11－12反映沙尘，TBD8.5－11反映沙尘强弱，T11反映目标物温度 （高度），赋于3基色进行伽玛校正，生成反映沙尘有无、强弱、冰云、水云及地表的多光谱彩色合成图。

与常用可见光方法比较，该方法在反映云信息、云与沙尘相互作用区域、沙尘强弱与高度等方面可视效果更好，监测功能更强，对弱沙尘、沙地、与云互相作用区识别优势明显，实现日夜不间断连续监测，对研究沙尘发生、发展、演变具有现实意义。

［1］石广玉，赵思雄 .沙尘暴研究中的若干科学问题［J］.大气科学，2003，27 （4）：591－606.

［2］张鹏，张兴赢，胡秀清，等.2006年一次沙尘活动的卫星定量遥感和分析研究 ［J］.气候与环境研究，2007，12 （3）：302－308.

［3］Shenk W E，Curran R J.The detection of dust storms over land and water with satellite visible and visible and infrared measurements ［J］.Mon Wea Rev，1974，102 （12）：830－837.

［4］Ackerman S A.Using the radiative temperature difference at 3.7and 11to track dust outbreaks［J］.Remote Sens Environ，1989，27 （2）：129－133.

［5］郭铌，蔡迪花，韩兰英，等.MODIS沙尘暴判识方法与业务系统 ［J］.气象，2009，35 （1）：102－108.

［6］Zhang P，Lu N M，Hu X Q，et al.Identification and physiclal retrieval of dust storm using three MODIS thermal IR channels ［J］.Global and Planetary Chance，2006，52 （4）：197－206.

［7］Ackerman S A，Smith W L，Spinhirne J D，et al.The 27—28October 1986FIRE IFO cirrus case study：Spectral properties of cirrus clouds in the 8－12μm window ［J］.Mon Wea Rev，1990，118（11）：2377－2388.

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苗慧灵 .利用卫星红外多光谱监测沙尘的方法 ［J］.陕西气象，2014（3）：1－4.

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2014－03－28

苗慧灵 （1962—），女，河北肃宁人，汉族，助工，从事应用气象工作。