基于天气雷达和极轨卫星的火点识别应用

陈有利，丁烨毅，黄鹤楼

(浙江省宁波市气象台，浙江 宁波 315012)

1 引 言

卫星遥感可在森林火情、积雪、植被覆盖、干旱、沙尘暴、台风、水情、城市热岛等方面开展监测工作。进入21世纪，卫星遥感也在不断地拓展着应用领域。天气雷达在强对流、台风、暴雨、飑线等灾害性天气监测预警中发挥着巨大作用，但国内外对其在烟尘等空气污染物监测方面的研究和应用还较少。本文利用两者资料对宁波亚洲浆纸业有限公司(亚洲浆纸业)大火进行了监测。通过这一个例的分析表明，雷达和卫星资料互为补充，对高温热源点的监测预警具有重要意义。

2 材料与方法

2.1 火情概况

2006年8月8日5时18分左右，位于浙江省宁波市北仑区小港青峙工业区宏源路88号的宁波亚洲浆纸业有限公司废纸原料露天堆场突发大火，成千上万吨用做原料的碎纸陷入火海，厂区的上空被烟雾笼罩，现场地面温度一度达到45 ℃以上，数十米外就能感觉到灼人的热浪，周围的空气中弥漫着刺鼻的焦臭味，在离火场10 km外，就能看到天空中升腾着长龙般的浓烟。此次大火燃烧近40 h，过火面积约4 600 m2。

2.2 天气特征

当天视场区域内以多云天气为主，无降水，地面以东南—东风为主，风速5～6 m·s-1，高空(500 hPa、700 hPa、850 hPa)基本上为南—东南风控制，近地层925 hPa为东南风，因该区域位于沿海，早晚水汽条件较好，有一定湿度。

2.3 位置信息

大火发生后，我们进行了现场勘察，并通过卫星定位仪(GPS)对火点进行了定位。卫星遥感分析得到的火点位置信息基本上和实际位置接近(个别遥感图因地理位置未完全校正距离相差稍大)，而雷达分析得到的信息和实际火点位置有偏差，主要因为雷达探测到的是漂离火点的烟尘，而不是实际热源点。火点位置监测信息详见表1。

表1 火情实际位置与监测分析的位置对比Tab.1 The position comparison of the actual location of the fire and the monitoring analysis

3 结果与分析

3.1 天气雷达

受空气浮力和空气流动的共同影响，废纸原料燃烧产生的大量烟尘在一定的范围和高度内传送和扩散，在浓度较大的情况下，雷达回波反应明显，图1、图2为各时次、各层次反射率因子>15 dBz区域的回波强度特征，雷达剖面图见图3。

图1 各时次雷达回波特征图(说明：仰角为0.5°，时次为06、11、16、21时，图像已作Z≤15 dBz的过滤处理)Fig.1 Observed radar reflectivity at elevation 0.5°at 0600 BT 8 Aug 2006, 1100 BT 8 Aug 2006, 1600 BT 8 Aug 2006, and 2100 BT 8 Aug 2006

3.1.1 雷达回波的时间特征 ①回波因燃烧产生的烟尘反射雷达电磁波而形成，且大火现场为烟尘的源地，表现在图1上为下风方有一回波极大值区，在风向一定的情况下，回波的上风端位置固定。

②回波走向为东南—西北，与925 hPa(基本上为1 000 m高度)的主导风向一致。

③回波面积主要受地面火势影响，随地面火势的强弱而生消和发展，由图1可间接判断出16时前火势已基本上得到控制。

④回波大值区的位置基本固定，当火势一定时，回波强度也少变。

与降水回波的时间变化相比，烟尘产生的雷达回波固定少动，强度不是太大，而降水回波的强度和位置一般是变化的。

图2 10时左右各层次雷达回波特征图(说明：仰角层次为0.5°、1.5°、2.4°、3.4°，图像已作Z≤15dBz的过滤处理)Fig.2 Observed radar reflectivity larger than 15dBz at elevation 0.5°at 0600 BT 8 Aug 2006, 1100 BT 8 Aug 2006, 1600 BT 8 Aug 2006, and 2100 BT 8 Aug 2006

图3 10时左右雷达剖面图Fig.3 Cross-section of radar reflectivity at 1000 BT 8 Aug 2006

3.1.2 雷达回波的空间特征 ①回波发展高度低，离地约1.5 km左右，只存在于仰角为0.5°、1.5°、2.4°的产品中；烟尘受热力、浮力和重力等共同影响下不可能升得太高。

②回波面积随仰角的增大而减小，说明烟尘主体在1 km以下。

③可以明显看到火情源地附近的烟尘柱；在0.5°雷达产品的剖面图17～20 km处，自下而上为一回波较强区，底部最大强度超过40dBz。

与降水回波的空间变化相比，烟尘产生的雷达回波只存在于低仰角区内，离地高度低，而降水回波可存在于更高的高度。

综上所述，烟尘产生的雷达回波位于火情源地下风方，固定少动，离地高度低，强度不是太大，在仍有较大火势时强度中心基本不变，但在下风方边界的大小随时间有所增大或缩小。

3.2 极轨卫星

由于火区燃烧释放热量，致使地表温度升高，向外发射红外辐射值也增大，故被识别出为异常高温点。利用卫星遥感资料生成的火情图像，很容易将异常高温点从环境中辨别出来。

CH3的阈值(门槛值)设置与现场火势的强度、环境气温的高低有关。对初发生的火情和基本接近尾声的火情，因其与背景差别不大，火点不易识别，这时CH3的阈值应设低些；随着环境温度升高，火势增大，这时CH3的阈值应设高些。图4中的红点就是我们在不同时间中卫星遥感监测到的火点，其中CH3通道亮温的阈值设置FY-1D为303 K，NOAA16为325 K，NOAA18为335 K。

图4 宁波东北部卫星遥感图(白色为云)Fig.4 Satellite remote sensing in northeastern Ningbo (white represents cloud)

4 结语

文中研究了天气雷达和极轨卫星的火点识别应用，得到如下结论：

①天气雷达为带烟尘大火的监测提供了一种新的手段。它能得到燃烧产生的漂浮物在较高的时间和空间分辨率上的形态，从而间接分析出地面火势。

②燃烧引起的烟尘产生的雷达回波固定少动，中心强度不强、变化不大，且位于下风方，边界大小随时间有增减，离地高度低，与降水回波存在明显的差异。

③天气雷达和卫星遥感联合监测，资料互补，可提高大火监测的准确度和灵敏度。

在卫星遥感资料监测火情时，随着环境温度的变化，通道阈值可能需要微调，才能达到理想的监测效果，在今后的实践工作中将进一步积累经验。

[1] 张培昌，杜秉玉，戴铁丕，等.雷达气象学[M].北京:气象出版社,2001:307-352.

[2] 俞小鼎，姚秀萍，熊廷南，等.多普勒天气雷达原理与业务应用[M].北京:气象出版社,2006：182-187.

[3] 陈渭明，夏浣清，陈光宇，等.卫星气象学[M].北京:气象出版社,1989：64-68.

[4] 张文建，潘锡元，刘诚，等.卫星遥感监测大气与环境科学原理和技术[M].北京:气象出版社,2004：151-158.

[5] 戎志国,刘诚,孙涵,等.卫星火情探测灵敏度试验与火情遥感新探测通道选择[J].地球科学进展,2007,(08):866-871.

[6] 王福州,郭魁英,王国斌,等.基于AVHRR的地市级火情监测分析与应用[J].气象,2006,(10):112-116.

[7] 王艳秋,姬菊枝,魏松林,等.利用AVHRR资料对哈尔滨市森林火灾的判别分析[J].自然灾害学报,2005,(05):131-135.