风云气象卫星在自然灾害监测中的应用

张兴赢 郑伟 高玲

张兴赢，国家卫星气象中心研究员，博士生导师，风云三号气象卫星产品应用示范系统主任设计师，国家大气环境监测卫星工程应用系统副总师。2006年获北京师范大学大气物理化学博士学位，长期致力于卫星大气环境遥感应用研究，先后主持国家自然科学基金项目、科技部重点研发专项、国家高分辨率对地观测专项等20多项，在与日本、欧盟国际合作项目中，作为中方首席科学家参与国际重大的卫星遥感应用科学研究计划。参与出版专著5部，完成国家和行业标准9项，发表学术论文150余篇，其中SCI收录英文论文40多篇。先后获得省部级以上个人荣誉8项，入选中国气象局“科技领军人才”，2014年被团中央和人力资源社保部共同授予“全国青年岗位能手”荣誉称号，第十二届全国青联委员，第十三届全国政协委员。

引言

我国是世界上自然灾害最为严重的国家之一，灾害种类多，分布地域广，发生频率高，灾害损失严重。气象卫星具有观测频次高、成像范围广等特点，一直在灾害监测评估中发挥着重要的作用。我国已经成功发射了17颗风云气象卫星，其中静止气象卫星9颗，极轨气象卫星8颗。风云三号（FY-3）极轨气象卫星，作为我国第二代极轨气象卫星，共搭载有10余种观测仪器，包括最高空间分辨率达到250m的中分辨率成像仪、微波成像仪等，可以进行全球、全天候、三维立体定量遥感。目前，我国已经发射4颗风云三号卫星，包括FY-3A、FY-3B、FY-3C和FY-3D,其中3A和3C属于上午星，3B和3D属于下午星，实现了对地球上午和下午组网观测，一天可以对同一地区进行多次监测，每天可以获得多次全球的观测资料。风云四号气象卫星是我国新一代静止轨道定量遥感气象卫星，风云四号A星（FY-4A）的辐射成像通道为14个，覆盖了可见光、短波红外、中波红外和长波红外等波段。星上辐射定标精度0.5 K、灵敏度0.2 K、可见光空间分辨率0.5km。同时，卫星还配置有912个光谱探测通道的干涉式大气垂直探测仪，光谱 分 辨率0.8cm-1，可在垂直方向上对大气结构实现高精度定量探测，这些特性是欧美第三代静止轨道单颗气象卫星不具备的。风云气象卫星的这些特点，大大提高了对自然灾害的监测能力。本文以台风、暴雨、灰霾、干旱、森林草原火灾、雪灾、洪涝等自然灾害监测为例，介绍了风云气象卫星在自然灾害监测中的应用。

风云卫星灾害监测应用

图1 FY-4A气象卫星监测图像（2018年9月15日10:30）

图2 FY-4A气象卫星暴雨强对流监测图像（2018年8月8日08:00）

（一）台风监测

在常规观测资料稀少的热带洋面上，气象卫星是监测台风最主要的工具。台风在卫星云图上表现为有组织的涡旋状云系，是一种比较容易识别的灾害性天气系统。常用于监测台风的卫星云图包括红外云图、水汽图以及可见光云图。红外云图上的色调分布反映的是地面或云面的红外辐射或亮度温度分布，根据卫星云图上的色调差异可以估计地面、云面（云顶）的温度分布，或根据图像上的温度色差来推测云系的分布以及其发展高度。水汽图也是一种红外云图,以6.7μm为中心的吸收带是水汽强吸收带，在此吸收带内，到达卫星的辐射量主要来自对流层上部。大气中水汽含量越多，卫星收到的辐射量也就越多，对流层上部的冷高湿区在水汽图上就表现得较亮，低湿区则显得较暗。故可通过卫星测量这一吸收带的辐射来推测对流层上部大气中的水汽含量。可见光云图是利用可见光谱段测量来自地面和云面反射的太阳辐射，再按所接收到的辐射大小以黑白色调来表示的图像。可见光云图对于分析台风云系的细微结构、中心的定位和确定对流云区的分布方面相对于红外云图具有更强的“真实性”，可以起到一定的纠偏作用。

利用风云静止气象卫星时间分辨率高的优势，可以确定台风的初生和中心位置，估算其强度、移向和移速，判断其登陆时间、地点以及暴雨范围等。新一代静止气象卫星风云四号A星携带的干涉式大气垂直探测仪和闪电成像仪，为探测台风雷电活动以及外围环境场变化监测提供新的手段。另外，利用风云极轨气象卫星的被动微波资料可以获取台风温度、湿度三维结构，计算大风的影响半径和强降水区面积等。

图1为2018年第22号台风“山竹”（超强台风级）FY-4A气象卫星监测图像，图像显示“山竹”台风结构完整，整体结构较松散，其外围云系已经开始影响台湾、福建和广东沿海等地。

（二）暴雨强对流监测

暴雨是我国最常见的最严重自然灾害之一，其发生和发展涉及不同尺度天气系统的复杂的相互作用。在卫星云图上暴雨不仅具有大范围的云系特征，而且也具有较小尺度精细结构和对流云特征。由于直接造成暴雨的主要影响系统——中尺度对流云团具有发展迅速和尺度小的特点，常规观测不足以捕捉其生命史中的变化细节及其结构，所以在监测、临近/短时预报等业务中，卫星遥感便成为十分重要的监测手段。在可见光云图中，流云型常表现为清晰的边界和块状的纹理。可以再借助11μm红外云图来确定它们是深厚的（冷云顶）还是浅薄的（暖云顶）。在白天，也可以借助3.7μm的近红外图像来确定云的微物理特征（低反射率对应着冰晶或大水滴，高反射率对应着小水滴）。对流云常常被组织成为对流系统，强烈发展的对流云和中尺度对流系统由于云顶的迅速抬高，具有云顶亮温下降、云顶面积增大和云顶亮温梯度加大等特征。阈值法被广泛用于暴雨云团的判识。通常认为云顶亮温≤-32℃的云是对流云，而当云顶亮温≤-52℃时，则认为云已穿过了对流层顶，对流发展非常旺盛，强对流天气现象也会出现。根据中尺度云团的尺度范围、持续时间、形状对中尺度云团进行分类。

图2为利用FY-4卫星资料监测2018年8月8日华北地区出现的强对流天气，图中显示强对流云团主要位于山西北部、北京西部和东部、河北中东部、天津、山东北部、辽宁东南部和渤海海域。根据地面气象观测数据统计，上述地区1小时降水量较大，其中北京东部局地1小时降水量超过70mm。

图3 a 风云3B卫星雾霾监测图像（2016年1月14日14:30）

图3 b 风云3B卫星吸收性气溶胶指数（AAI）分布图（2016年1月14日14:30）

图4 风云四号A星AGRI的气溶胶光学厚度(550nm)产品分布（2017年6月16日10:00）

（三）灰霾监测

悬浮在大气中的气溶胶微粒通过与太阳光以及地面长波辐射相互作用影响着地气系统的辐射平衡。当气溶胶在大气中的含量较高时，引起的低能见度的事件即为灰霾。基于气溶胶的消光特性，利用卫星平台遥感大气气溶胶是探测气溶胶物理光学特征的重要手段。但卫星信号中气溶胶贡献相对较小，地表的复杂性使得气溶胶参数反演更为困难，此外气溶胶粒子的形状、大小、谱分布以及成分差异非常大，也很难精确描述。目前卫星遥感最常用的探测原理是：通过被动遥感方式获取紫外一可见光一近红外波段的大气顶后向散射辐射，根据卫星在这些反射波段观测到的辐射值结合辐射传输模式反演获取气溶胶参数，如气溶胶光学厚度、Angstrom指数等。

此外霾中的吸收性气溶胶，由于具有较大的复折射指数虚部，它的消光系数表现出特有的随波长变化的光谱特征，这一特征在紫外波段尤为突出，因此可以通过计算紫外波段的吸收性气溶胶指数(AAI)来反映霾区的影响范围和程度。图3a是2016年1月14日霾事件发生期间的霾监测图像实例。由图可见，华北、黄淮等地出现了中到重度霾天气，在图中表现为灰黄色。在霾影响区域，吸收性气溶胶指数超过了3.5（图3b），说明这次污染过程受吸收性气溶胶影响十分明显。

随着工艺的进步，新一代静止气象卫星FY-4/AGRI搭载的仪器也增设了适合气溶胶参数反演的通道，其气溶胶光学厚度产品值的高低（图4）也能很好地反映出大气中气溶胶的含量，对灰霾的定量观测具有十分重要的参考价值。

（四）沙尘监测

沙尘天气是由于强风将地面大量松软沙土或尘埃卷入空中而形成的，沙尘天气会使空气混浊、水平能见度降低，是我国北方春季主要的灾害性天气之一。沙尘暴经常发源于人迹罕至的荒漠地区，地面观测很难获得沙尘的输出源头，而气象卫星则可以观测到荒漠地区从地面起沙到空中传输的全过程。大气中的沙尘由沙粒、尘土等矿物质组成，它们会吸收和散射太阳的短波辐射及地面和云层发射的长波辐射，这就使它有了自己独特的光谱特征。通过比对沙尘暴光谱特征与其他光谱特征的差异，就可以对沙尘暴进行监测。在气象卫星观测的不同探测通道数值组合的彩色卫星图像中，我们可以通过颜色、纹理和边界形状等特征识别出沙尘暴区域。同时，还可以利用卫星数据定量计算出沙尘的光学厚度、沙尘粒子有效半径、大气中的载沙量、沙尘顶高度等信息。通过多个时次的卫星图像对比分析，还可以监测沙尘暴的发源地、移动路径、覆盖范围、影响面积，进而跟踪沙尘暴的发生和发展变化。

2018年10月19日新疆东部、甘肃西部以及内蒙古西部等地出现沙尘天气。利用FY-3C气象卫星监测显示（图5a、图5b）：沙尘区主要位于南疆盆地东部和哈密地区、甘肃酒泉和张掖、内蒙古阿拉善等地，部分沙尘区上空有云覆盖。经估算，卫星可视的沙尘区面积约为17.4万平方千米。

图5 a FY-3C气象卫星沙尘监测图像（2018年10月19日12:25）

图5 b FY-3C气象卫星沙尘监测示意图像（2018年10月19日12:25）

（五）干旱监测

干旱是波及范围广、对人们的生产生活影响严重的自然灾害之一。利用气象卫星遥感技术可以对大范围的干旱事件进行客观、高效的监测评价。卫星遥感可见光、近红外和远红外波段干旱监测技术，为区域旱情动态监测提供了有效手段。可见光到远红外的多光谱遥感监测土壤水分和干旱的方法主要分为三种，包括利用可见光和近红外波段进行检测，基于远红外波段的热惯量方法，综合利用可见光、近红外和远红外资料的监测。目前，由于植物-土壤-水分系统的复杂性，使得卫星遥感干旱监测存在一定的难度和不确定性。各种监测模型有其适用的季节和区域，还没有一个适用于全年、全国范围的模型。在国家卫星气象中心干旱监测业务中，基于极轨气象卫星数据，利用热惯量法和供水植被指数法等方法对全国范围进行全年干旱监测，并以垂直干旱指数方法对区域干旱事件进行动态监测，同时结合基于静止卫星资料的相对蒸散法作为干旱监测的一部分。另外，基于被动微波遥感资料反演的土壤水分信息可以更加直接地反映区域的干旱情况，这种方法较少受到云层的干扰，具有近全天候的特点，在干旱监测中应用也越来越广泛。

2018年5月上旬东北和内蒙古地区降水偏少，出现不同程度旱情。FY-2E卫星地表相对蒸散距平百分率监测结果显示（图6），东北地区西部、内蒙古中部和东南部的地表相对蒸散值较常年仍明显偏低，土壤水分供应状况较差。FY-3B气象卫星微波成像仪（MWRI）反演的地表土壤水分可以指征地表0-5cm的土壤体积含水量，利用FY-3B微波成像仪5月9-13日数据制作的土壤水分监测图显示（图7），东北地区西部和内蒙古中东部的土壤水分仍较低，有旱情发生。

（六）森林草原火灾监测

森林火灾是一种突发性强、破坏性大、处置救助较为困难的自然灾害。我国森林总面积较少，但分布范围十分广阔，数百万平方千米地域内，森林覆盖度疏密不均。我国的草原更是非常辽阔，约占国土面积40%。火情监测一直是森林草原防火工作的重要组成部分。风云气象卫星具有视野宽广、观测频次较密、对地面高温热源敏感的特点，已经在森林草原火情监测及评估中发挥了重要作用。由于火点引起中红外波段计数值急剧变化，造成与周围像元的明显反差，因此使用人机交互方式可以较容易地识别火点。同时，利用风云气象卫星的可见光和近红外通道对云、水体、植被等敏感的特性，生成由中红外、近红外、可见光通道组成的多光谱彩色合成图，其效果明显好于单通道的火点显示。根据火点在中红外波段引起辐射率和亮温急剧增大这一特点，可将中红外亮温与周围背景像元亮温差异，以及中红外与远红外亮温增量差异作为计算火点自动判识的主要参数。

图6 FY-2E气象卫星东北、内蒙古地区地表相对蒸散距平百分率图（2018年5月1日-10日）

图7 FY-3B/MWRI土壤水分监测图（2018年5月9日-13日）

风云三号气象卫星的中红外通道空间分辨率大多为1000米，这样一个像元的面积就是1平方千米。通常森林草原火灾明火区的面积没有这么大，经过研究和试验发现，当明火区的面积达到100平方米时，气象卫星就可以监测到。随着风云四号气象卫星的发射，我国森林草原火灾监测的时效性大大提高，可以实现15分钟获得一次全国的森林草原火情监测信息。气象卫星不但可以快速发现森林草原火灾的明火信息，还可以对森林草原火灾的过火面积进行估算，在火灾损失评估中起到重要作用。当森林草原火灾发生后，将直接破坏地表森林和草地的覆盖状况，过火区可见光和近红外的光谱特征发生明显变化。气象卫星不但可以监测到我国的火点，还可以实现对世界范围各个地方森林草原火灾的快速监测。每年春季，在蒙古国靠近我国东北地区的区域经常会发生草原火灾。由于大风的影响，草原火灾可能会向我国边境蔓延。气象卫星每天都会对这些区域进行连续监测，将火灾发生的位置、距离我国边境的最短距离、可能蔓延到我国边境的时间等信息，实时传送给相关部门。近年来，国外很多国家都向我国提出了气象卫星火灾监测技术援助需求。比如印度尼西亚“烧芭”活动造成马来西亚空气质量下降，马来西亚请求中国为其提供了卫星遥感火情监测软件平台和数据支持。

图8 风云三号气象卫星森林火情监测多通道合成图（2017年6月4日14时05分）

图8为风云三号气象卫星2017年6月4日14时火情监测图，可以看出山东省青岛平度市有一处火点，位于东经119.97度，北纬36.93度，经估算明火区面积约1.66公顷，地理信息显示，该处火点的土地覆盖类型为林地。

（七）雪灾监测

过量的积雪对社会经济和人们日常生活带来不良影响，形成白灾或雪灾。利用风云气象卫星遥感资料开展积雪监测，分析积雪动态变化对于气候分析、水文研究以及防灾减灾等都具有十分重要的意义。国家卫星气象中心自20世纪90年代以来便开展了积雪监测业务。卫星遥感积雪监测原理和方法主要包括了积雪信息提取方法、积雪深度估算方法以及多种积雪监测产品制作方法。卫星遥感积雪判识主要根据积雪在可见光、近红外、短波红外以及远红外通道的光谱特性，采用多通道阈值法提取出积雪信息，进而获取积雪覆盖范围及面积等。基于可见光、近红外及短波红外资料的积雪深度估算原理主要基于积雪反射率、积雪覆盖率与积雪深度之间的相关关系。一方面，可见光对较薄的雪层具有一定的穿透性，并且积雪反射率受到积雪性质的影响，主要体现在积雪粒径和观测角度上，造成粒径的变化主要有积雪中水的含量（干雪、湿雪）和积雪老化程度（新雪、旧雪），观测角度则体现了积雪在反射上的各向异性特征。另一方面，卫星观测积雪像元在大多数情况下为混合像元，积雪深度越大，积雪覆盖率越大，相应的积雪像元反射率也越大，三者之间存在较好的关系。积雪覆盖率和积雪像元反射率受到下垫面条件包括地形、植被覆盖率、土地覆盖类型等影响，在相同积雪深度不同下垫面条件下，积雪覆盖率和积雪像元反射率差异较大。因此，在一定积雪深度范围内，积雪深度与积雪反射率或积雪覆盖率之间存在较好的关系，可以利用这三者间的关系，考虑积雪下垫面、积雪性质以及积雪观测角度等的影响，估算出积雪深度。

图9为利用风云三号卫星VIRR数据对我国东部地区出现的大范围降雪及雨雪天气积雪监测图。在风云三号12月30日东部地区积雪监测图中可见，华北、华东等地有较大范围积雪，影响地区包括山东全境等地。与25日东部地区积雪监测图对比分析可见，山东等地出现较大范围的新增积雪。

在有云层覆盖的天气下，可以利用风云三号卫星MWRI获取积雪覆盖信息，还可以计算雪深和雪水当量等参数。虽然微波成像仪资料的空间分辨率相对较低，但弥补了光学卫星遥感数据无法获得云层覆盖下的地表信息。

图9 风云三号卫星积雪监测图

（八）洪涝监测

洪涝灾害在我国发生频率高，危害程度大。风云气象卫星可获得洪涝灾害发生前后的江、河、湖泊和水库等水体的空间分布和面积，对洪涝灾害进行监测和评估，可以为政府部门制定防灾减灾决策提供信息支持。水体对0.4μm至2.5μm电磁波长范围的吸收作用明显强于绝大多数其他地物，其在近红外及中红外波段的反射能量很少，而植被和土壤在近红外和中红外这两个波段吸收能量较少。基于这个原理，可以比较容易地在气象卫星图像上提取水体信息。在2013年东北松花江流域洪涝灾害监测、2016年长江流域中下游洪涝灾害（图10）监测工作中，基于风云三号气象卫星等资料制作了大量监测图像图形产品和分析报告，为洪涝灾害防御决策服务提供了卫星遥感监测信息。

同时，利用风云三号气象卫星的全球观测能力，我国气象部门也对国外的重大洪涝灾害事件积极开展监测。2015年夏季缅甸发生了重大洪涝灾害，缅甸政府希望我国提供卫星遥感洪涝灾害监测支持。我国气象部门立即响应，向缅甸政府发送了洪涝灾害监测信息。在2010年夏季巴基斯坦洪涝、2011年夏季泰国洪涝灾害、2017年夏季美国飓风导致的洪涝灾害中，我国气象部门都进行了有效监测，提高了风云三号气象卫星在国际上的知名度。

图10 风云气象卫星监测湖北省孝感市洪涝水体变化专题图（2016年07月22日11：16/2016年06月17日14：00）

风云气象卫星自然灾害监测应用展望

风云气象卫星在防灾减灾领域已经发挥了重要的作用，除了本文介绍的台风、暴雨、雾霾、沙尘、干旱、森林草原火灾、雪灾、洪涝等自然灾害监测，风云气象卫星在火山爆发、水体藻类水华、冰冻、高温热浪等灾害监测中都有广泛的应用。风云气象卫星改变了我们以前以国外卫星资料为主进行灾害监测的局面。随着我国现代化建设的稳步推进，防灾减灾工作对卫星遥感的应用需求将会越来越旺盛。进一步发展风云气象卫星综合探测能力，提高定量应用水平，更好地发挥气象卫星在防灾减灾领域的作用，还有很多工作需要开展。

1）气象卫星发展了几十年，积累了大量的历史数据，同时气象卫星又在不断地获取新的数据。对长时间序列气象卫星遥感资料进行深加工处理，基于这些资料开展自然灾害的时空分布特征和驱动因子分析研究，可为更加全面和准确地开展灾害监测服务提供科学依据。

2）近些年来，我国已经逐步建立起包括气象、海洋、资源、环境和减灾等多个对地观测卫星遥感系列，高空间分辨率卫星遥感资料获取途径便捷性和时效性在不断提高。开展综合利用风云气象卫星和我国自主研发的其他系列卫星资源应用方法研究和监测评估新产品研发，发挥各自的优势，可进一步提高我国卫星遥感对灾害监测评估的精细化水平。

3）气象卫星在被动遥感仪器继续使用的同时，测雨雷达、激光雷达、散射计等主动遥感仪器也逐步开始试验试用。融合处理微波、红外、可见光多频段多通道资料，以及主动与被动遥感数据，可更加准确地获取全球大气、海洋和陆地定量信息，提高灾害监测评估精度。

4）气象卫星资料反演技术与数值天气预报技术、陆面模型同化技术的结合以及其应用的不断深入，将提高自然灾害的监测评估精度，为灾害的预测提供信息支撑，为防灾减灾工作提供更加科学准确的决策依据。