风云四号卫星成像仪数据在大雾监测中的应用

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一、引言

近几年来，大雾天气频发，这种灾害性天气不仅对交通影响重大，且对人类健康有着不可忽视的影响。对这种大范围的灾害性天气进行宏观监测对于方便居民出行和优化大气治理具有重要的意义。气象卫星在大雾天气的监测中发挥着十分重要的作用，气象卫星遥感图像能反映大雾的影响范围和发展过程，利用气象卫星覆盖范围广、时间频次高等优势可以对陆地和海洋上的大雾进行宏观、连续性的监测[1-2]。大雾具有特殊的光谱、结构特性，在卫星云图上与地表、云系等遥感目标物有不同的表现，所以可以利用大雾在气象卫星成像仪不同光谱通道上的独特特性对其进行遥感监测。相比极轨气象卫星，静止气象卫星可以在短时间内对同一区域进行连续扫描，本文主要针对静止气象卫星进行大雾遥感监测应用。

二、大雾遥感监测方法

白天，静止气象卫星成像仪有可见光通道数据，雾在可见光波段的反射率较高，且其通道亮温明显高于中高云，使得大雾监测较为容易。夜间，则通常利用红外通道和中红外通道数据进行大雾遥感监测[3]。

1. 大雾遥感监测进展

国外早在1970年代就开始利用气象卫星数据对大雾进行遥感监测，Gurka最早用美国SMS-1卫星成像仪可见光通道图像分析了雾的消散过程，表明雾消散与可见光通道反射率有直接的关系，为大雾消散预报打下了良好的基础[4]。Eyre等应用美国诺阿（NOAA）气象卫星搭载的甚高分辨率辐射计（AVHRR）近红外通道和红外通道差值的方法判识雾[5]。Lee综合美国地球静止轨道环境卫星GOES-8 / 9卫星成像仪近红外通道和红外通道差值以及近红外通道反射率的方法判识白天、夜晚、太阳初升阶段的雾和低云[6]。Bendix针对极轨和静止气象卫星成像仪AVHRR、MODIS、SEVIRI分别开发了雾判识流程，并利用AVHRR数据，用两种不同的算法反演了白天和夜晚大雾区的地面能见度[7]。

国内对雾的遥感监测起步较晚，刘健等验证了中红外通道反射率与云、雾粒子的半径密切相关[8]。吴晓京用streamer模式模拟计算各种云雾粒子在风云二号C星（FY-2C）成像仪通道上的辐射特性，分析了红外通道和近红外通道亮温差方法判识雾的有效范围，用AVHRR数据结合数字高程数据（DEM）提取了新疆北部地区大雾的垂直厚度，反演了大雾区的能见度和垂直水汽含量（LWP）以及雾滴有效半径，用风云二号B星（FY-2B）和日本气象卫星（GMS）资料进行了中国陆地地区大雾消散临近预报[9-10]。刘年庆等利用支持向量机的方法，选择出最能反应大雾特征的通道组合来对雾区样本和非雾区样本进行训练，利用所生成的模板对可能的大雾区域进行精确判识[11]。刘贵华等利用AVHHR资料分析了雾顶的微物理特性，利用中红外通道数据反演了雾顶粒子的有效半径[12]。李亚春、周红妹等综合了雾的光谱特征和结构特征、动态特征区别云和雾，应用计盒维数分析和模版特征分析或图像游程编码的快速联通区域标记技术构建了监测模型[13-14]。

2. 大雾的物理特性

大雾具有独特的物理特性：雾滴主要是由液态水滴组成，一般比云中水滴小得多，平均半径不到10μm，在雾形成或消散期间，半径可小于1μm。

大雾发展过程中大气层结是绝对稳定的，垂直运动很小，大雾温度和反射率的空间变化很小，雾顶很均匀。

大雾是接地的，其底部较低，所以大雾的温度接近于地面温度。

大雾的独特物理特性使得雾粒子与其他云粒子在成像仪的某些通道上表现不同，因此，可以将雾区分出来。

3. 大雾的遥感监测原理

大雾特殊的物理特性导致其具有特殊的光谱和结构特性。白天，大雾在可见光波段的反射率高于下垫面，低于中高云和厚云，略高于薄云。可见光通道反射率主要反映雾的光学厚度，雾光学厚度越大反射率越高。另外大雾的物理温度明显高于其他中云和高云，因此，很容易将其识别出来。中红外通道3.7μm通道的反射率主要反映粒子有效半径，有效半径越小，反射率越大，雾滴在3.7μm通道的反射率大于其他云粒子。白天3.7μm通道既包含雾滴的发射也包含了雾滴对太阳光的反射，所以可以通过计算3.7μm通道反射率来区分大雾。

夜间，由于大雾在中红外通道的比辐射率明显小于其在长波红外通道的比辐射率，造成这两个通道亮温不同，由此，利用红外通道和中红外通道亮温差判识夜间大雾的方法被广泛应用[15-16]。

另外，大雾纹理细腻、平整，而云纹理粗糙、散乱，无论白天还是夜晚，都可以借助图像纹理来区分云和雾。

三、风云四号A星成像仪数据在大雾遥感监测中的应用

新一代静止气象卫星——风云四号A星（FY-4A）于2016年12月11日成功发射，其上搭载了先进的静止轨道辐射成像仪（AGRI），该成像仪设置有14个通道，观测时效最高可达到1min/次，空间分辨率最高可达500m，成像仪性能比上一代静止气象卫星有大幅提升，且与国际同类气象卫星成像仪性能相当[17]。

为了探索FY-4A气象卫星成像仪在大雾遥感监测中的应用，根据上述FY-4A气象卫星成像仪通道设置和大雾在不同通道的特性，本文选取了几个大雾的个例，并选取几个对大雾敏感的通道，包括单一的通道图像，也包括多个通道组合图像，通过对各个图像进行比较分析，来进行大雾的遥感监测应用。

白天大雾监测效果较好的AGRI成像仪单通道图像包括可见光0.47μm通道监测图像，可见光0.65μm通道监测图像，可见光0.83μm通道监测图像，近红外1.61μm通道监测图像，中红外3.72μm通道监测图像（图1），图中可以清楚地看到山西南部以及河北、河南、山东三省交界处的大雾，在可见光和近红外通道监测图像中，雾区呈灰白色或白色，颜色与云区相近，但是可以通过图像纹理区分，雾区相对均匀、光滑，云区纹理粗糙（图1 a、b、c、d）。在中红外通道监测图像中，雾区呈灰黑色，纹理均匀（图1 e）。

图1 AGRI成像仪单通道大雾监测图像（北京时间：2017年11月20日 08：00）

相较于单通道的黑白图像，彩色图像能更直观清晰地显示大雾区，彩色图像通常会选择对大雾敏感的3 个通道数据，赋予红色、绿色、蓝色，利用加色法合成，得到可以突出大雾信息的彩色图像。白天大雾监测效果较好的AGRI成像仪三通道合成图像有：可见光0.65μm通道、可见光0.83μm通道、可见光0.47μm通道合成监测图像，近红外1.61μm通道、 可见光0.47μm通道、可见光0.47μm通道合成监测图像，近红外1.61μm通道、可见光0.83μm通道、可见光0.65μm通道合成监测图像（图2），图中山西南部以及河北、河南、山东三省交界处的大雾边界清晰，图2b、图2c中云呈青色，可以有效区分大雾和云。

夜晚AGRI成像仪数据只有中红外和红外通道有效，而对大雾敏感的通道只有中红外和长波红外通道，所以晚上能有效监测大雾的图像较少，比较有效的有中红外通道监测图像（图3）中可以看到陕西、四川交界处，陕西、河南、湖北交界处的大雾，在中红外通道3.72μm监测图像中，雾区呈灰白色，雾区纹理相对均匀、光滑。

四、小结

基于雾滴的物理特性并结合卫星观测的数据可以有效监测大雾的发生发展，本文初步探索了利用新一代静止气象卫星成像仪图像开展大雾遥感监测，通过选取对大雾敏感的成像仪通道生成单通道图像和三通道合成图像，图像能较为清晰地反映大雾区域，有利于相关业务人员快捷高效地监测大雾过程。同时，有待于进一步开发更多不同的多通道合成图像和经过通道计算的图像来遥感监测大雾，另外也可以利用FY-4A气象卫星成像仪数据生成大雾自动判识产品，并进一步计算相关的大雾特征量参数。