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        基于MODIS衛(wèi)星觀測資料的中國黃海海域海霧研究

        2015-11-24 02:58:28常成鄭麗娜孟偉
        環(huán)球人文地理·評論版 2015年7期

        常成 鄭麗娜 孟偉

        摘要:通過對2013年的MODIS衛(wèi)星數(shù)據(jù)通道計算,運用現(xiàn)有的海霧遙感理論,對得到的云霧分離后的海霧圖像進(jìn)行分析,得出基于MODIS衛(wèi)星觀測資料的黃海海區(qū)海霧多發(fā)期海霧時空分布特征。

        關(guān)鍵詞:MODIS衛(wèi)星資料;通道;海霧;概率

        引言

        海霧是近海海域災(zāi)害性天氣之一。海霧出現(xiàn)時,垂直和水平能見度極低,嚴(yán)重影響海上航運、捕撈作業(yè)等。海霧登陸時,能夠深入內(nèi)陸幾十、甚至幾百公里遠(yuǎn),有時因穩(wěn)定少變的天氣形勢而持續(xù)數(shù)日,給沿海岸地區(qū)海、陸、空交通增加困難。隨著沿海一帶經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,因海霧災(zāi)害而造成的損失越來越大。海霧檢測技術(shù)的研究對于提高海霧預(yù)報準(zhǔn)確率、降低海霧災(zāi)害損失具有重大意義。利用MODIS衛(wèi)星觀測資料,綜合運用各通道提取海霧信息,對云霧進(jìn)行分離技術(shù)與應(yīng)用研究,再選用適當(dāng)?shù)耐ǖ肋M(jìn)行計算得到海霧概率分布圖,最后分析黃海海域海霧的時空分布特征。

        1 算法介紹

        基于本文的研究內(nèi)容,特選取118°E-125°E,31°N-41°N 區(qū)域的MODIS衛(wèi)星觀測資料進(jìn)行處理。

        1.1 白天算法

        根據(jù)衛(wèi)星遙感理論,層云和霧的反照率大于水體和地面,但小于中高云,在可見光的圖像上表征出不同的紋理和亮度。在紅外波段,霧粒子的輻射特性也隨著波長不同而不同。在長波紅外波段31通道附近,云、霧及其他不透明水云的輻射性狀類似于黑體,近乎完全發(fā)射長波紅外輻射,其輻射比率接近于1。

        圖1:一次海霧過程MODIS衛(wèi)星資料可見光、紅外通道數(shù)據(jù)在所取剖面上的變化圖

        因此,白天太陽輻射可以被忽略,衛(wèi)星測量到的云霧熱紅外波段的輻射轉(zhuǎn)化為亮溫,與云霧頂?shù)奈锢頊囟认嗟?。所以,云霧所處的高度不同,紅外圖像反應(yīng)出的亮溫存在差異。此外,26通道對卷云的監(jiān)測效果理想,有利于在云霧分離中進(jìn)一步濾除中高云的影響。

        從圖1可以看到,中間是一個霧區(qū),兩邊為中高云區(qū)和晴空區(qū)??梢姽饧敖t外17通道在中高云區(qū)、霧區(qū)、晴空區(qū)反照率依次降低,霧區(qū)反照率波動范圍約為20~40%。26通道卷云檢測對于霧區(qū)和晴空區(qū)不敏感,數(shù)值較低。遠(yuǎn)紅外32通道在中高云區(qū)為低值,在霧區(qū)和晴空區(qū)顯示亮溫較高且平滑。綜合利用上述通道,能有效提取霧區(qū)信息。

        圖2:一次海霧過程MODIS衛(wèi)星20和31通道的亮溫在所截剖面上的差異圖

        1.2夜間算法

        夜間MODIS衛(wèi)星只有20至36通道數(shù)據(jù)。海霧粒子在紅外波段上的輻射特性隨波長不同有所變化。在沒有太陽短波輻射和相應(yīng)的反射、散射,只有自身發(fā)射及大氣投射的情況下,大霧在3.7μm波段的有效亮溫比在10.7μm波段低。而對于發(fā)射率幾乎等于1的近黑體陸地表面和海洋表面,這兩個通道間的亮溫幾乎相等;地表發(fā)射率越低,10.7μm波段的有效亮溫相對于3.7μm波段就越低。因此,一般情況下,地表和大霧之間的BT10.7μm-BT3.7μm亮溫差大于2度。從圖2中可以看到,截取剖面由中高云區(qū)、晴空區(qū)和霧區(qū)間隔構(gòu)成。20通道和31通道的數(shù)值在晴空區(qū)基本一致;在中高云區(qū)20通道遠(yuǎn)高于31通道亮溫;而在霧區(qū),20通道數(shù)值則低于31通道。利用這種原理能較好的區(qū)別中高云區(qū)、晴空區(qū)和霧區(qū)。它是目前夜間海霧監(jiān)測的基本方法。再利用32通道對霧區(qū)亮溫的控制,能有效排除以上算法中誤判的積云體和比較高的層云。

        圖3: 4-7月的海霧概率分布圖

        2 黃海海區(qū)海霧多發(fā)期(4~7月)海霧時空分布特征分析

        按照海霧判識算法,對2013年MODIS衛(wèi)星資料進(jìn)行反演,得到海霧多發(fā)期(4-7月)的海霧分布概率圖(圖3)。

        從4~7月份的海霧分布概率圖我們可以看到:

        四月份,海霧發(fā)生的區(qū)域主要位于黃海北部,黃海南部海霧發(fā)生的面積及概率都比較小,黃海南部大部分海區(qū)沒有海霧的發(fā)生。渤海在黃河口附近海域海霧發(fā)生的概率較大。

        五月份,整個黃海北部中部及東部基本上都有海霧的發(fā)生,其中以黃海東部和中部海區(qū)海霧發(fā)生的概率最大。但在黃海南部海霧發(fā)生范圍及概率都不大。而渤海海區(qū)海霧則基本上發(fā)生在與黃海毗鄰的地方,大致可以認(rèn)為是黃海海霧在渤海海區(qū)的延續(xù)。

        六月份海霧發(fā)生的范圍覆蓋整個黃海海區(qū),海霧發(fā)生的概率也比較大,其中以黃海中部、南部以及東北部海區(qū)海霧發(fā)生的概率最高。渤海海區(qū)也基本上都有海霧的發(fā)生,其中以黃河口附近海區(qū)海霧發(fā)生的概率最高。整個山東沿海地區(qū)都有海霧的發(fā)生,其中以日照以南海區(qū)海霧發(fā)生的概率最大。

        七月份黃海海區(qū)海霧發(fā)生的面積大約占整個黃海面積的90%,海霧發(fā)生的概率普遍也比較大,其中尤以黃海東部發(fā)生的概率為最高,黃海北部和南部出現(xiàn)海霧的概率則相對較小。在江蘇沿岸海區(qū)海霧發(fā)生的概率也比較大。渤海海區(qū)海霧主要出現(xiàn)在渤海東部海域以及黃河口附近海區(qū)。

        4 結(jié)論

        1.通過對MODIS衛(wèi)星數(shù)據(jù)的處理分析得出的黃海海區(qū)海霧時空分布特征基本符合一般的海霧分布規(guī)律,通過衛(wèi)星辨別海霧具有一定的可行性。但以上結(jié)論僅用了較少的資料,可能包含了年際變化,要對海霧產(chǎn)生、發(fā)展、分布有個普遍性、規(guī)律性的認(rèn)識,需要對其進(jìn)行大量、長年的資料分析來進(jìn)一步統(tǒng)計氣候態(tài)的黃海海霧時空變化特征。

        2.以上分析只是建立在前人經(jīng)驗總結(jié)的基礎(chǔ)之上,缺乏現(xiàn)實的觀測資料加以訂正對比。因此在以后的工作中,要在結(jié)合更多資料分析的基礎(chǔ)上,比對更多的探空、觀測資料對衛(wèi)星資料處理結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步檢驗。

        3.海霧自動判識算法仍存在很多問題,需要在日后的工作中做進(jìn)一步的改進(jìn)。包括:海霧在邊界區(qū)由于有水體的信息,容易被誤判為低云;低云在邊界區(qū)由于水體信息的混合,容易被誤判為海霧;海霧上有云覆蓋時,衛(wèi)星判識為云;當(dāng)?shù)驮频男再|(zhì)和海霧十分接近時,誤判率會提高等。

        參考文獻(xiàn)

        [1]王彬華,海霧[M].北京:海洋出版社,1983

        [2]馬慧云,李德仁,劉良明,等.基于MODIS衛(wèi)星數(shù)據(jù)的平流霧檢測研究[J].武漢大學(xué)學(xué)報,30(2):143-145.

        [3]鮑獻(xiàn)文,王鑫,孫立潭,等.衛(wèi)星遙感全天候監(jiān)測海霧技術(shù)與應(yīng)用[J],高技術(shù)通訊,15(1):101-106.

        [4]王鑫,黃菲,周發(fā)秀,等.黃海沿海夏季海霧形成的氣候特征,海洋學(xué)報[J].28(1):26-34.

        Analysis of characters of sea fog of Huanghai Sea which are got by calculating MODIS satellites data

        作者簡介:常成(1985-),男,漢族,山東壽光人,本科,助理工程師,主要從事短期天氣預(yù)報工作。

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