盧乃錳，鄭偉，王新，高玲，劉清華，武勝利，蔣建瑩，谷松巖，方翔

(國家衛(wèi)星氣象中心，北京 100081)

氣象衛(wèi)星及其產(chǎn)品在天氣氣候分析和環(huán)境災(zāi)害監(jiān)測中的應(yīng)用概述

盧乃錳，鄭偉，王新，高玲，劉清華，武勝利，蔣建瑩，谷松巖，方翔

(國家衛(wèi)星氣象中心，北京 100081)

隨著氣象衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展，衛(wèi)星觀測能力不斷提升，全球氣象衛(wèi)星觀測體系逐步形成。美國、歐洲和中國都建立了極軌和靜止氣象衛(wèi)星觀測系統(tǒng)，日本、韓國等國家也擁有各自的氣象衛(wèi)星。與衛(wèi)星發(fā)展初期相比，現(xiàn)在的氣象衛(wèi)星在空間分辨率、時(shí)間分辨率、光譜分辨率以及波段覆蓋范圍等方面都有了極大的提高。與之相伴，氣象衛(wèi)星遙感資料應(yīng)用也取得了長足的進(jìn)步。衛(wèi)星應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展，新的資料處理方法不斷涌現(xiàn)，數(shù)據(jù)使用也完成了從定性向定量的跨越。本文將在總結(jié)目前氣象衛(wèi)星遙感載荷觀測能力的基礎(chǔ)上，著重介紹衛(wèi)星資料在天氣分析、環(huán)境災(zāi)害監(jiān)測以及氣候變化研究方面的應(yīng)用。

氣象衛(wèi)星； 天氣分析； 環(huán)境災(zāi)害； 氣候變化； 監(jiān)測

引言

氣象衛(wèi)星的出現(xiàn)，改變了人類地球觀測的歷史。自從有了氣象衛(wèi)星，臺風(fēng)從哪里產(chǎn)生、如何發(fā)展、向何處移動等困擾天氣預(yù)報(bào)人員的問題迎刃而解；沙塵暴源地在哪里、高原渦怎樣演變、南極臭氧洞如何變化等科學(xué)問題也得到了有效的解決。氣象衛(wèi)星在支撐著現(xiàn)代天氣預(yù)報(bào)的同時(shí)，也推動著地球系統(tǒng)科學(xué)的發(fā)展。

需求牽引與技術(shù)推動共同成就了氣象衛(wèi)星的輝煌。50多年來氣象衛(wèi)星遙感技術(shù)突飛猛進(jìn)。目前星載遙感儀器已經(jīng)覆蓋光學(xué)到微波的各個波段，遙感圖像空間分辨率達(dá)到百米級，時(shí)間分辨率達(dá)到分鐘級，同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)高光譜觀測。在圖像定位方面，目前無論是以6～7 km/s速度高速飛行的極軌氣象衛(wèi)星，還是在約35 800 km高度上進(jìn)行觀測的靜止氣象衛(wèi)星，遙感圖像的定位精度都達(dá)到了像元級，很好地滿足了圖像應(yīng)用的需求，確保了圖像的應(yīng)用。

氣象衛(wèi)星圖像應(yīng)用經(jīng)歷了三個發(fā)展階段[1]。目前氣象衛(wèi)星遙感應(yīng)用主要集中在對臺風(fēng)、暴雨、寒潮等天氣系統(tǒng)的監(jiān)測，以及火情、水情、雪情等環(huán)境與災(zāi)害監(jiān)測方面。與其它類型的遙感資料相比，氣象衛(wèi)星資料可以更有效地揭示天氣系統(tǒng)發(fā)生、發(fā)展和消亡過程，為天氣預(yù)報(bào)，特別是短時(shí)臨近預(yù)報(bào)提供客觀依據(jù)。而利用氣象衛(wèi)星不同通道的光譜信息，可以完成對比較大尺度的環(huán)境和災(zāi)害事件的高頻次跟蹤監(jiān)測，這在一定程度上解決了其他衛(wèi)星回歸周期長，受云遮擋概率高的問題。

1 氣象衛(wèi)星發(fā)展概況

氣象衛(wèi)星分為極地軌道(簡稱極軌)氣象衛(wèi)星和靜止軌道(簡稱靜止)氣象衛(wèi)星。為了得到盡可能一致的太陽光照條件，極軌氣象衛(wèi)星往往采用太陽同步軌道，軌道高度在800 km左右。衛(wèi)星圍繞地球在南北極之間飛行。每14條軌道完成對地球的一次完整覆蓋?？紤]到紅外遙感儀器可以在夜間進(jìn)行觀測，單顆極軌氣象衛(wèi)星通過每天升、降軌就可以完成對地球的2次覆蓋。氣象衛(wèi)星擁有國通常會發(fā)射兩顆過境時(shí)間相差6 h的極軌氣象衛(wèi)星，完成一天4次的對地觀測，以捕捉天氣系統(tǒng)的日變化。在世界氣象組織的協(xié)調(diào)以及衛(wèi)星擁有國雙邊合作框架推動下，不同國家的氣象衛(wèi)星協(xié)同觀測，構(gòu)成了覆蓋全球的極軌氣象衛(wèi)星觀測體系。

靜止氣象衛(wèi)星在赤道上空以與地球自轉(zhuǎn)速度相同的公轉(zhuǎn)速度繞地飛行。由于其軌道高度比極軌氣象衛(wèi)星高40多倍，同樣的遙感載荷，裝載在靜止氣象衛(wèi)星上，其空間分辨率就大為降低。但由于衛(wèi)星相對于地球保持不動，因此，靜止氣象衛(wèi)星能夠以很高的觀測頻率對同一區(qū)域進(jìn)行連續(xù)觀測，特別適用于監(jiān)測快速變化的中小尺度天氣系統(tǒng)。目前只有美國、歐洲和中國同時(shí)擁有穩(wěn)定業(yè)務(wù)化的極軌和靜止氣象衛(wèi)星觀測系統(tǒng)。

1.1 極軌氣象衛(wèi)星

美國在1960年發(fā)射了世界上第一顆極軌氣象衛(wèi)星。盡管它只獲取了黑白圖像，卻有力地表明利用太空觀測手段可以很好地捕捉全球云系空間分布和時(shí)間變化。此后近30年間，美國一直壟斷著全球極軌氣象衛(wèi)星的觀測，其他國家只能靠建設(shè)氣象衛(wèi)星接收站，完成對美國NOAA系列極軌氣象衛(wèi)星的數(shù)據(jù)接收、處理和應(yīng)用。歐洲在2006年才發(fā)射了自己的第一顆極軌氣象衛(wèi)星。

1988年，中國發(fā)射了極軌氣象衛(wèi)星風(fēng)云一號A星。它僅裝載了5通道掃描輻射計(jì)，衛(wèi)星在軌運(yùn)行39 d。風(fēng)云一號A星的升空拉開了中國獨(dú)立自主研制遙感衛(wèi)星的序幕。在風(fēng)云一號B/C/D星之后，2008年5月27日，中國發(fā)射了第二代極軌氣象衛(wèi)星風(fēng)云三號A星，衛(wèi)星載荷數(shù)量增加到11個，涵蓋紫外、可見光、紅外、微波各個波段。風(fēng)云三號A星的發(fā)射標(biāo)志著中國的極軌氣象衛(wèi)星已經(jīng)進(jìn)入世界先進(jìn)行列。繼風(fēng)云三號A星后，中國又陸續(xù)發(fā)射了風(fēng)云三號B星和C星。圖1是目前在軌的風(fēng)云三號全球拼圖，表1是風(fēng)云三號C星遙感載荷及其主要性能指標(biāo)。風(fēng)云極軌氣象衛(wèi)星在全球天氣、氣候、環(huán)境和災(zāi)害監(jiān)測方面發(fā)揮著重要作用。

圖1 風(fēng)云三號全球拼圖Fig.1 FY-3 global mosaic picture

1.2 靜止氣象衛(wèi)星

美國于1975年發(fā)射了靜止氣象衛(wèi)星GOES-1，成為最先擁有靜止氣象衛(wèi)星的國家。20年之后，歐洲氣象衛(wèi)星組織發(fā)射了歐洲第一顆靜止氣象衛(wèi)星Meteosat-1，日本也發(fā)射了它的靜止氣象衛(wèi)星。目前各個國家的靜止氣象衛(wèi)星構(gòu)成了全球協(xié)同觀測星座體系，實(shí)現(xiàn)了靜止氣象衛(wèi)星的全球覆蓋。

表1 風(fēng)云三號C星遙感載荷及其主要性能指標(biāo)

Table 1 Payloads onboard FY-3C and their main parameters

載荷名稱主要參數(shù)指數(shù)應(yīng)用目的可見光紅外掃描輻射計(jì)(VIRR)波長范圍：0 43～12 5μm通道數(shù)：10空間分辨率：1 1km云、植被、雪和冰、地表溫度、海溫、水汽、氣溶膠、海洋水色等中分辨率成像光譜儀(MERSI)波長范圍：0 41～12 5μm通道數(shù)：20空間分辨率：0 25～1km真彩色圖像、云、植被、雪和冰、海洋水色、氣溶膠、火、洪澇等微波成像儀(MWRI)頻率范圍：10 65～150GHz通道數(shù)：12(水平和垂直極化頻點(diǎn)各6個)空間分辨率：15～80km降雨、土壤濕度、云液態(tài)水、海表參數(shù)紅外大氣探測計(jì)(IRAS)波長范圍：0 69～15 5μm通道數(shù)：26空間分辨率：17 0km大氣溫度廓線、大氣濕度廓線、臭氧總量、卷云、氣溶膠等微波大氣溫度探測儀(MWTS?II)頻率范圍：50～57GHz通道數(shù)：13空間分辨率：50～75km大氣溫度廓線、降水、云液態(tài)水等微波大氣濕度探測計(jì)(MWHS?II)頻率范圍：150～183GHz通道數(shù)：15空間分辨率：15km大氣濕度廓線、水汽、降水、云液態(tài)水等全球?qū)Ш叫l(wèi)星掩星探測計(jì)(GNOS)采樣頻率：1～50Hz通道數(shù)：12+4實(shí)時(shí)定位精度：<10m大氣溫度廓線、大氣濕度廓線臭氧總量探測儀(TOU)波長范圍：309～361nm通道數(shù)：6空間分辨率：50km臭氧總量太陽紫外臭氧垂直探測儀(SBUS)波長范圍：252～280nm通道數(shù)：12空間分辨率：200km臭氧廓線、臭氧總量地球輻射探測儀(ERM)波長范圍：0 5～50μm通道數(shù)：2地球輻射太陽輻射測量儀(SIM)波長范圍：0 5～50μm通道數(shù)：1太陽輻射(對日定向跟蹤)空間環(huán)境探測儀(SEM)質(zhì)子：3～300MeV電子：0 15～5 7MeV高能質(zhì)子、高能電子、重離子

中國于1997年發(fā)射了第一顆靜止氣象衛(wèi)星風(fēng)云二號A星。之后又陸續(xù)發(fā)射了6顆風(fēng)云二號系列靜止氣象衛(wèi)星。后期的風(fēng)云二號氣象衛(wèi)星通道擴(kuò)展到5個，時(shí)間分辨率也得到提高。2016年底第二代靜止氣象衛(wèi)星的首發(fā)星風(fēng)云四號A星成功發(fā)射，星上遙感儀器擴(kuò)展到4個，不僅可以對特定區(qū)域?qū)崿F(xiàn)分鐘級的成像，而且可以實(shí)現(xiàn)高光譜觀測，完成大氣溫度/濕度廓線反演，為短臨天氣預(yù)報(bào)以及區(qū)域模式同化提供非常重要的大氣參數(shù)。圖2是風(fēng)云四號掃描輻射計(jì)多通道彩色合成圖，表2是風(fēng)云四號A星遙感儀器及其主要性能指標(biāo)。

圖2 風(fēng)云四號A星掃描輻射計(jì)多通道彩色合成圖Fig.2 FY-4A multi-channel composite image

2 氣象衛(wèi)星技術(shù)現(xiàn)狀

回顧歷史，早期的氣象衛(wèi)星裝載的只是可見光波段相機(jī)，下傳的也是模擬信號。當(dāng)時(shí)的衛(wèi)星圖像可以監(jiān)測白天的天氣系統(tǒng)，但卻無法計(jì)算天氣系統(tǒng)的云頂溫度、云頂高度、云的微物理參數(shù)，更不能對大氣的溫度、濕度和風(fēng)場進(jìn)行反演。經(jīng)歷了50多年的發(fā)展，時(shí)至今日，氣象衛(wèi)星對天氣系統(tǒng)的觀測能力有了極大的提升，其觀測資料不僅可以用于常規(guī)天氣分析，而且可以同化到數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式之中，成為數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的重要數(shù)據(jù)源。目前氣象衛(wèi)星的觀測能力已經(jīng)較好地滿足了氣象業(yè)務(wù)的基本需求。

表2 風(fēng)云四號A星遙感儀器及其主要性能指標(biāo)

Table 2 Payloads onboard FY-4A and their main parameters

載荷名稱主要參數(shù)指標(biāo)14通道成像輻射計(jì)波段覆蓋：0 45～13 8μm空間分辨率：0 5～4km全圓盤觀測時(shí)間：15min觀測區(qū)域：靈活可調(diào)干涉式大氣垂直探測儀波長范圍：700～1130cm-1，1650～2250cm-1光譜分辨率：0 8cm-1，1 6cm-1空間分辨率：16km閃電成像儀探測波段：777 4±0 5nm空間分辨率：7 8km空間環(huán)境監(jiān)視儀器包空間粒子探測+磁場探測

2.1 時(shí)間分辨能力

受火箭推進(jìn)能力的制約，早期的氣象衛(wèi)星都是極軌衛(wèi)星。與靜止軌道氣象衛(wèi)星相比，極軌氣象衛(wèi)星的軌道高度低，同樣角分辨率的遙感載荷裝載在極軌氣象衛(wèi)星上可以獲取更加清晰的遙感影像。然而，受到衛(wèi)星回歸周期的影響，單顆氣象衛(wèi)星每天只能過境兩次，即便是兩顆極軌氣象衛(wèi)星軌道正交排列，對于地球大部分地區(qū)而言，也只能實(shí)現(xiàn)每6 h一次的觀測，這顯然無法滿足對各類天氣系統(tǒng)的監(jiān)測需求。靜止氣象衛(wèi)星出現(xiàn)之后，從理論上講，氣象衛(wèi)星可以完成對目標(biāo)的連續(xù)觀測。早期的靜止氣象衛(wèi)星完成對地球全圓盤掃描時(shí)間是1 h，還無法完全滿足對快速變化的中小尺度天氣系統(tǒng)的監(jiān)測需求。隨著衛(wèi)星三軸穩(wěn)定技術(shù)的成熟和電子技術(shù)的進(jìn)步，現(xiàn)在美國、歐洲和中國的靜止氣象衛(wèi)星可以實(shí)現(xiàn)小于15 min周期的全圓盤觀測，對于特定區(qū)域的觀測頻次已經(jīng)達(dá)到分鐘級。這一能力完全可以滿足現(xiàn)在天氣預(yù)報(bào)的需求。

2.2 空間分辨能力

氣象衛(wèi)星對空間分辨的需求與大氣科學(xué)的發(fā)展相輔相成。就光學(xué)圖像的空間分辨率而言，當(dāng)前衛(wèi)星遙感技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)超前于天氣預(yù)報(bào)的需求。鑒于對數(shù)據(jù)下傳、數(shù)據(jù)處理、產(chǎn)品存檔以及投入產(chǎn)出比的考慮，目前氣象衛(wèi)星光學(xué)成像類遙感載荷的空間分辨率大多選定在1 000～250 m，紅外成像儀器的空間探測分辨率一般在千米級。隨著應(yīng)用需求的發(fā)展，這一指標(biāo)將進(jìn)一步提高。另一方面，在微波觀測波段以及垂直探測譜段，盡管過去30多年載荷研制水平已經(jīng)取得了很大的進(jìn)步，但受到技術(shù)水平的制約，氣象遙感數(shù)據(jù)的空間分辨率基本上還處在10 km量級，與應(yīng)用需求還存在差距。

2.3 光譜分辨能力

光譜分辨能力是遙感衛(wèi)星載荷性能的又一項(xiàng)重要指標(biāo)，直接關(guān)系到遙感衛(wèi)星對目標(biāo)的識別與診斷能力。氣象衛(wèi)星以觀測大氣目標(biāo)為主，無論是云與氣溶膠還是水汽、二氧化碳等各種氣體成分，都表現(xiàn)出各自的特征光譜。準(zhǔn)確觀測到這些大氣目標(biāo)的特定光譜，需要不斷提高遙感儀器的光譜分辨率。從光譜分辨能力的角度講，目前氣象衛(wèi)星遙感儀器可以分為兩大類，一是成像遙感儀器，由于其通道帶寬較寬，入瞳的光譜維能量較大，在確保有效信噪比的前提下，遙感圖像的空間分辨率很高。另一類是光譜儀，它們往往具有非常窄的帶寬和非常多的光譜通道，光譜分辨能力甚至與氣體分子吸收的線寬相當(dāng)，其觀測結(jié)果可以直接用于大氣溫度、濕度廓線反演和各類氣體成分的反演。歐洲氣象衛(wèi)星裝載的干涉式大氣垂直探測儀(IASI)通道超過8 000個，就是一個典型的超光譜探測儀器。

2.4 輻射測量精度

輻射測量精度同樣是決定著氣象衛(wèi)星遙感儀器品質(zhì)的重要指標(biāo)。遙感儀器的輻射測量精度由儀器輻射分辨率和輻射定標(biāo)精度共同決定。無論儀器靈敏度、信噪比還是等效噪聲溫度，實(shí)質(zhì)上都是儀器輻射分辨能力的物理描述，它們體現(xiàn)著遙感儀器將目標(biāo)信號從影像背景噪聲中分離出來的能力。所以，高的輻射分辨能力是獲取目標(biāo)信號的前提。然而，現(xiàn)代衛(wèi)星遙感不僅需要將目標(biāo)識別出來，而且還要借助大氣輻射傳輸理論，通過遙感數(shù)據(jù)的精確計(jì)算，得到云頂溫度、云有效粒子半徑、大氣溫度、濕度等大氣參數(shù)，高的輻射定標(biāo)精度是確保準(zhǔn)確計(jì)算各類參數(shù)的必要條件。目前國際上先進(jìn)的氣象衛(wèi)星在可見光譜段可以保證2%的輻射測量精度，在紅外譜段，觀測誤差可以控制在0.2 K。

2.5 波段覆蓋范圍

氣象衛(wèi)星遙感從可見光開始，在空間技術(shù)和探測技術(shù)進(jìn)步的推動下，已經(jīng)形成從紫外、可見光，到紅外、微波全譜段的觀測能力。這種全譜段觀測能力的形成使得氣象衛(wèi)星資料在天氣分析、環(huán)境災(zāi)害監(jiān)測等方面的應(yīng)用能力得到極大的提高。超薄卷云的識別、云頂溫度的計(jì)算、冬季高緯度天氣系統(tǒng)的監(jiān)測等只用可見光資料無法解決的問題，都隨著紅外云圖的獲取迎刃而解；云雨大氣廓線的反演、云區(qū)內(nèi)部微物理結(jié)構(gòu)探測、臺風(fēng)暖心結(jié)構(gòu)的識別等只用光學(xué)遙感手段而無法解決的問題，也隨著微波資料的獲取得以解決。特別是全譜段遙感與高光譜觀測能力的結(jié)合，為氣象衛(wèi)星資料的應(yīng)用開拓了更廣闊的空間。

3 天氣分析

3.1 臺風(fēng)監(jiān)測

海上臺風(fēng)的監(jiān)測主要依賴氣象衛(wèi)星觀測。利用靜止氣象衛(wèi)星時(shí)間分辨率高的優(yōu)勢，可以確定臺風(fēng)的初生和中心位置，估算其強(qiáng)度和移向移速，判斷其登陸時(shí)間、地點(diǎn)以及暴雨范圍[2](圖3a)。利用極軌氣象衛(wèi)星的被動微波資料可以獲取臺風(fēng)溫度、濕度三維結(jié)構(gòu)[3-4]，計(jì)算大風(fēng)的影響半徑和強(qiáng)降水區(qū)面積[5](圖3b)。同時(shí)，風(fēng)場測量雷達(dá)(微波散射計(jì))還可以準(zhǔn)確獲取臺風(fēng)之下洋面風(fēng)速、風(fēng)向信息[6](圖3c)。新一代靜止氣象衛(wèi)星風(fēng)云四號A星攜帶的干涉式大氣垂直探測儀和閃電成像儀，為探測臺風(fēng)雷電活動以及外圍環(huán)境場變化提供了新的手段。

圖3 衛(wèi)星臺風(fēng)監(jiān)測圖像(a.臺風(fēng)衛(wèi)星云圖，b.衛(wèi)星微波探測臺風(fēng)立體結(jié)構(gòu)圖，c.衛(wèi)星散射計(jì)反演的臺風(fēng)風(fēng)場圖)Fig.3 Satellite figures of tropical cyclone (TC)(a. cloud image of TC, b. TC 3D structure monitoring by microwave sounding units, c. wind field surrounding TC center monitoring by scatterometer)

3.2 暴雨監(jiān)測

暴雨是中國最常見的自然災(zāi)害。其發(fā)生涉及到不同尺度天氣系統(tǒng)復(fù)雜的相互作用。在衛(wèi)星云圖上暴雨不僅具有大范圍的云系特征，而且也具有較小尺度精細(xì)結(jié)構(gòu)和對流云特征。由于直接造成暴雨的主要影響系統(tǒng)——中尺度對流云團(tuán)具有發(fā)展迅速和尺度小的特點(diǎn)，常規(guī)觀測不足以捕捉其生命史中的變化細(xì)節(jié)及其結(jié)構(gòu)，所以在監(jiān)測、臨近/短時(shí)預(yù)報(bào)等業(yè)務(wù)中，衛(wèi)星遙感便成為十分重要的技術(shù)手段。閾值法被廣泛用于暴雨云團(tuán)的判識。通常認(rèn)為云頂亮溫≤-32 ℃的云是對流云，而當(dāng)云頂亮溫≤-52 ℃時(shí)，則認(rèn)為云已穿過了對流層頂，對流發(fā)展非常旺盛，強(qiáng)對流天氣現(xiàn)象也會出現(xiàn)。中尺度云團(tuán)的尺度范圍、持續(xù)時(shí)間和形狀是對中尺度云團(tuán)進(jìn)行分類的依據(jù)[7]。圖4a-b為2015年6月1日晚湖北監(jiān)利沉船事件的對流云團(tuán)判識、冷區(qū)追蹤分析結(jié)果。

3.3 沙塵暴監(jiān)測

由于沙塵暴常發(fā)生在沙漠、戈壁等人跡罕至的地區(qū)，氣象衛(wèi)星遙感資料便成為監(jiān)測沙塵暴活動的有力工具。特別是極軌氣象衛(wèi)星的豐富的多光譜信息，一直被中外科學(xué)家用于沙塵暴的監(jiān)測。國內(nèi)方宗義等[8]撰寫了《中國沙塵暴研究》一書，從衛(wèi)星遙感的角度詮釋了對沙塵暴的分析，盧乃錳等[9]依托國家科技支撐項(xiàng)目“沙塵暴遙感監(jiān)測與預(yù)報(bào)集成技術(shù)研究”，提出了利用靜止氣象衛(wèi)星全波段圖像自動識別沙塵暴的方法，得到了中國沙塵暴源地分布(圖5a-b)。胡秀清等[10]集成了靜止氣象衛(wèi)星沙塵暴監(jiān)測系統(tǒng)。Zhang等[11]還提出了利用MODIS 8.5 μm、11 μm和12 μm通道數(shù)據(jù)進(jìn)行沙塵暴定量遙感的算法。

這些算法集成到衛(wèi)星監(jiān)測分析與遙感應(yīng)用系統(tǒng)(SMART)中，可以生成沙塵面積、沙塵頻次、沙塵能見度等產(chǎn)品(圖6a-b)。

圖4 2015年6月1日FY-2E氣象衛(wèi)星強(qiáng)對流判識(a)和追蹤(b)結(jié)果Fig.4 The identification (a) and tracing (b) results of strong convection by FY-2E on 1 June 2015

圖5 衛(wèi)星沙塵暴監(jiān)測圖(a. 沙塵暴源地分布，色標(biāo)代表發(fā)生頻次，b. 2016年5月12日新疆沙塵暴監(jiān)測結(jié)果)Fig.5 Dust monitoring map based on meteorological satellite(a. distribution of dust source region, color bar represents dust occurrence frequency, b. dust monitoring map in Xinjiang area on 12 May 2016)

圖6 SMART沙塵日數(shù)(a)和頻次(b)產(chǎn)品示意圖Fig.6 Dust monitoring product by SMART (a. dust days,b.frequency)

3.4 大霧監(jiān)測

大霧具有特殊的光譜和結(jié)構(gòu)特性(圖7)。白天，霧在可見光波段的反射率明顯高于陸地和海表，且由于其物理溫度明顯高于其他中云和高云，因此，很容易將其識別出來。唯一的問題是當(dāng)有低層云出現(xiàn)時(shí)，需要借助圖像紋理等其他手段區(qū)分層云與霧。夜間，由于霧在中紅外通道的比輻射率明顯小于其在長波紅外通道的比輻射率，且霧滴在3.7 μm通道的反射率大于其他云粒子，因此，就可以利用紅外通道和近紅外通道觀測結(jié)果判識夜間大霧。吳曉京等[12]用Streamer模式模擬計(jì)算各種云霧粒子在FY-2C成像儀通道上的輻射特性，用AVHRR數(shù)據(jù)結(jié)合數(shù)字高程數(shù)據(jù)(DEM)提取了新疆北部地區(qū)大霧的垂直厚度，反演了大霧區(qū)的能見度和垂直水汽含量(LWP)和霧滴有效半徑，并用FY-2B和GMS衛(wèi)星資料進(jìn)行了中國陸地大霧消散臨近預(yù)報(bào)[13]。

3.5 積雪監(jiān)測

利用微波遙感數(shù)據(jù)，通過半經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)算法、基于物理模型的統(tǒng)計(jì)算法、迭代算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方法[14-15]可對積雪深度、雪水當(dāng)量等參數(shù)進(jìn)行反演(圖8a)。利用可見光、紅外遙感數(shù)據(jù)，通過閾值、決策樹、查找表等方法可對積雪覆蓋進(jìn)行監(jiān)測(圖8b)。這些積雪監(jiān)測產(chǎn)品正在為氣候變化研究、農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)等工作提供著科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支撐。

圖7 FY-3B氣象衛(wèi)星監(jiān)測華北、黃淮大霧示意圖Fig.7 Fog monitoring map in North China, Huanghuai area based on FY-3B

圖8 積雪雪水當(dāng)量(a)和積雪覆蓋(b)監(jiān)測產(chǎn)品示例Fig.8 Snow water equivalent (a) and snow cover (b) products

4 環(huán)境災(zāi)害監(jiān)測

4.1 衛(wèi)星森林草原火災(zāi)監(jiān)測

中國的草原遼闊，占到國土面積40%左右，森林雖然覆蓋率不高，但分布很廣。林火和草原火的監(jiān)測一直是國家野外防火工作的重點(diǎn)。1987年大興安嶺森林火災(zāi)，氣象衛(wèi)星在滅火工作中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。人們開始認(rèn)識到利用氣象衛(wèi)星觀測頻次高的特點(diǎn)，可以有效監(jiān)測各種火災(zāi)。普朗克公式表明，高溫火點(diǎn)在中紅外譜段的輻射遠(yuǎn)大于常溫地物目標(biāo)，因此，當(dāng)火點(diǎn)出現(xiàn)時(shí)，中紅外波段計(jì)數(shù)值會出現(xiàn)急劇的變化，造成與周圍像元的明顯反差。這便是氣象衛(wèi)星火災(zāi)監(jiān)測的基本原理。實(shí)際業(yè)務(wù)中可利用中紅外、近紅外、可見光通道組成的多光譜彩色合成圖，突出火點(diǎn)。理論和實(shí)驗(yàn)都表明，只要像元有萬分之二的面積燃燒，衛(wèi)星就可以識別出火來[16]。圖9a-b是風(fēng)云三號B星2017年2月7日火情監(jiān)測圖。

4.2 衛(wèi)星藍(lán)藻監(jiān)測

由于工業(yè)廢水和有機(jī)污染物質(zhì)的大量排放，使得內(nèi)陸湖的水體富營養(yǎng)化問題嚴(yán)重，藍(lán)藻水華現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。藍(lán)藻水華是藍(lán)藻大量繁殖后，聚集上浮到水面形成的綠色油漆樣漂浮物，呈片狀或帶狀分布。藍(lán)藻水華過程具有暴發(fā)面積大、時(shí)空變化劇烈的特點(diǎn)，傳統(tǒng)的逐點(diǎn)監(jiān)測方式在時(shí)效性與空間覆蓋度方面都存在缺陷，需要利用衛(wèi)星手段予以解決。藍(lán)藻暴發(fā)時(shí)會引起水體溫度、色度和透明度等一系列物理性質(zhì)發(fā)生變化，進(jìn)而導(dǎo)致水體反射波譜特性的改變。根據(jù)水華光譜曲線可知，對于不同藍(lán)藻密度的藍(lán)藻水華在近紅外波段都有很強(qiáng)的反射，其反射率明顯高于水體，而在可見光紅光波段有較強(qiáng)的吸收，其反射率甚至低于水體。利用近紅外波段和紅光波段的比值可以突出藍(lán)藻水華的信息。另外，基于海水和海洋藻類、赤潮在光譜特征的差異，利用氣象衛(wèi)星也可以對海洋中的大面積的滸苔、赤潮等進(jìn)行監(jiān)測，為海洋生態(tài)環(huán)境治理提供信息[17]。圖10就是氣象衛(wèi)星藍(lán)藻監(jiān)測結(jié)果。

利用氣象衛(wèi)星2016年12月4日14：45(北京時(shí))資料制作的太湖藍(lán)藻水華監(jiān)測圖像(圖 10a-b)顯示：太湖部分水域有藍(lán)藻水華，藍(lán)藻水華強(qiáng)度等級以輕度為主。經(jīng)估算，藍(lán)藻水華影響范圍總計(jì)約420 km2。

圖9 2017年2月7日云南省火情氣象衛(wèi)星監(jiān)測多通道合成圖(a)和專題圖(b)Fig.9 Fire monitoring multi-channel synthesis (a) and thematic (b) maps in Yunan province based on Fengyun Meteorological Satellite on 7 Feb. 2017

圖10 2016年12月4日太湖藍(lán)藻水華氣象衛(wèi)星監(jiān)測圖(a)和強(qiáng)度示意圖(b)Fig.10 Blue alga monitoring map (a) and intensity diagram (b) in Taihu lake based on Fengyun Meteorological Satellite on 4 Dec. 2016

4.3 衛(wèi)星霾監(jiān)測

霾屬于吸收性氣溶膠，由于具有較大的復(fù)折射指數(shù)虛部，它的消光系數(shù)表現(xiàn)出特有的隨波長變化的光譜特征，這一特征在紫外波段尤為突出[18]。因此，可以通過通道組合將其區(qū)分出來。盡管厚云層的遮擋以及顆粒的吸濕作用會影響到霾識別的準(zhǔn)確性，但氣象衛(wèi)星豐富的光譜通道仍然使其成為監(jiān)測大范圍霾的有效手段。圖11a-b是2015年12月20日紅色預(yù)警期間的霾監(jiān)測圖像。由圖可見，華北、黃淮和陜西關(guān)中地區(qū)出現(xiàn)了重度霾天氣，在圖中表現(xiàn)為灰黃色。在霾影響區(qū)域，吸收性氣溶膠指數(shù)(AAI)超過了3.5，說明這次污染過程受吸收性氣溶膠影響十分明顯。

5 氣候變化研究

5.1 衛(wèi)星臭氧監(jiān)測

平流層臭氧吸收了太陽紫外線，是地球生命的保護(hù)傘。而對流層臭氧是光化學(xué)煙霧的組成部分，危害著人體健康。氣象衛(wèi)星主要利用紫外儀器實(shí)現(xiàn)大氣臭氧總量的探測，其原理是太陽發(fā)出的紫外線穿過大氣到達(dá)地面后再反射回太空后被衛(wèi)星探測器接收，在這個過程中紫外線因大氣中臭氧的吸收而減弱，紫外線的波長越短，臭氧的吸收作用越強(qiáng)，因此，兩個波長上觀測結(jié)果的差異與臭氧總量存在對應(yīng)關(guān)系[19]。圖12a是利用中國的風(fēng)云三號氣象衛(wèi)星得到的全球臭氧總量[20]。圖中可見南極地區(qū)的臭氧總量在200 DU以下，臭氧洞已經(jīng)形成。圖12b為風(fēng)云三號氣象衛(wèi)星探測的南極臭氧洞。

圖11 2015年12月20日14:00(北京時(shí))風(fēng)云FY-3B衛(wèi)星監(jiān)測圖像(a)和吸收性氣溶膠指數(shù)(AAI)分布(b)Fig.11 The image of FY-3B (a) and the absorbing aerosol index (b) at 14:00 BST 20 December 2015

圖12 FY-3B 2016年9月全球臭氧總量分布(a，單位：DU)和FY-3 2008—2016年南極臭氧洞圖(b)Fig.12 The global total column ozone in September 2016 from FY-3B (a, unit: DU) and the Antarctic ozone hole during 2008-2016 from FY-3 (b)

5.2 衛(wèi)星極冰監(jiān)測

氣象衛(wèi)星具有冰覆蓋的監(jiān)測能力，這種能力對于監(jiān)測人跡罕至的極區(qū)冰雪覆蓋具有特別的意義。當(dāng)有可見光圖像時(shí)，良好的照射條件使我們可以較好地利用滑動處理等方法監(jiān)測極區(qū)冰雪的存在，但在極夜條件下，受光照因素和云層作用的共同影響，需要借助被動微波遙感數(shù)據(jù)完成冰雪監(jiān)測。被動微波遙感進(jìn)行極區(qū)冰雪觀測的主要原理是：海水與冰雪的極化發(fā)射率存在明顯的區(qū)別，通過閾值、迭代計(jì)算、滑動處理等方法，結(jié)合大氣影響訂正計(jì)算，就可獲得每一個被動微波遙感像元內(nèi)的冰雪覆蓋比例[21]。利用極軌衛(wèi)星搭載的光學(xué)和微波傳感器，每天都能夠獲取極區(qū)冰雪覆蓋產(chǎn)品(圖13a-b)。

5.3 衛(wèi)星湖泊面積變化監(jiān)測

水體判識是湖泊面積變化監(jiān)測的基礎(chǔ)。水體在近紅外通道有很強(qiáng)的吸收，反射率極低，在可見光通道的反射率較近紅外通道的反射率高。植被在可見光通道的反射率較近紅外通道的反射率低。在近紅外通道波長范圍內(nèi)，植被的反射率明顯高于水體的反射率，而在可見光通道波長范圍內(nèi)，水體的反射率高于植被的反射率。裸土的反射率在可見光通道波長范圍高于植被和水體，在近紅外通道高于水體，低于植被。利用這一特點(diǎn)可以從可見光和近紅外通道數(shù)據(jù)中提取地表水體信息。在晴空條件下，利用風(fēng)云三號衛(wèi)星MERSI通道4或VIRR通道2等近紅外通道，通過建立不同區(qū)域、不同季節(jié)水體判識閾值可以準(zhǔn)確提取水體信息。當(dāng)水體被薄云覆蓋時(shí)，地表反射有一部分可透過云層，在可見光和近紅外通道圖像上有可能看到云層下顯現(xiàn)的水體，該點(diǎn)的反射率值往往高于薄云附近晴空陸地的反射率。若仍僅用近紅外通道資料取門檻值判識水體，將會把薄云附近的陸地作為水體誤判?？赏ㄟ^對可見光和近紅外通道反射率的比值計(jì)算，濾掉薄云信息的影響，提取水體信息[22]。圖14是利用氣象衛(wèi)星對鄱陽湖水體進(jìn)行監(jiān)測，2016年最大水體面積較2015年最大水體面積增大約17%，水體范圍主要增大在鄱陽湖北部和中南部。

圖13 北極(a)和南極(b)海冰覆蓋監(jiān)測圖Fig.13 Arctic sea ice cover (a) and Antarctic snow/ice cover (b)

圖14 氣象衛(wèi)星監(jiān)測鄱陽湖2016年與2015年最大水體對比Fig.14 Comparison of the maximum water body area between 2016 and 2015

6 結(jié)論與展望

隨著空間遙感技術(shù)的進(jìn)步，氣象衛(wèi)星遙感應(yīng)用不斷深入。時(shí)至今日，氣象衛(wèi)星遙感圖像已經(jīng)成為氣象臺站常規(guī)天氣會商不可或缺的重要信息。不僅如此，氣象衛(wèi)星遙感圖像及其產(chǎn)品還在各種自然災(zāi)害監(jiān)測、生態(tài)與環(huán)境遙感以及氣候變化研究方面發(fā)揮著極其重要的作用。展望未來，隨著衛(wèi)星遙感技術(shù)的進(jìn)步，氣象衛(wèi)星遙感資料將具有更高空間分辨率、時(shí)間分辨率和光譜分辨率以及更高輻射測量精度。主動探測手段的出現(xiàn)，還將使我們能夠得到各種天氣系統(tǒng)三維垂直結(jié)構(gòu)信息。這些新型衛(wèi)星遙感資料的獲取，會對氣象衛(wèi)星資料應(yīng)用產(chǎn)生革命性影響，使衛(wèi)星應(yīng)用水平再上新臺階。

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Overview of meteorological satellite and its data application in weather analysis, climate and environment disaster monitoring

LU Naimeng, ZHENG Wei, WANG Xin, GAO Ling, LIU Qinghua, WU Shengli, JIANG Jianying, GU Songyan, FANG Xiang

(NationalSatelliteMeteorologicalCenter,Beijing100081,China)

As the developing of space technique, the meteorological satellite and its instruments have experienced great improvement. Right now, China, Europe and United States are operating their own polar and geo-stationary meteorological satellites,and Japan, South Korea have also established national geo-stationary meteorological satellite system. Compared with its early stage, today’s meteorological satellite improved enormously, especially in its spatial, temporal and spectral resolution as well as spectral coverage. Meanwhile, satellite data application has also developed tremendously, taking into account the maturity of data useness as well as the domination of the use of quantitative data. In this paper, the status of current meteorological satellite and the capacity of its payloads are reviewed, and then the application of satellite data in the field of weather analysis, climate and environment disaster monitoring is also described.

meteorological satellite; weather analysis; environment disaster; climate change; monitoring

10.19513/j.cnki.issn2096-3599.2017.01.003. (in Chinese)

2017-03-10；

2017-03-17

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41201360)；國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2016YFA0600101)

盧乃錳(1963—)，男，研究員，主要從事氣象衛(wèi)星遙感儀器、產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和研究工作，lunm@cma.gov.cn。

P1414.4

A

2096-3599(2017)01-0020-11

10.19513/j.cnki.issn2096-3599.2017.01.003

盧乃錳，鄭偉，王新，等.氣象衛(wèi)星及其產(chǎn)品在天氣氣候分析和環(huán)境災(zāi)害監(jiān)測中的應(yīng)用概述[J].海洋氣象學(xué)報(bào)，2017，37(1)：20-30.

Lu Naimeng, Zheng Wei, Wang Xin， et al. Overview of meteorological satellite and its data application in weather analysis, climate and environment disaster monitoring[J].Journal of Marine Meteorology,2017,37(1):20-30.