趙耀天，吳 東,2**

(1.中國海洋大學信息科學與工程學院，山東 青島 266100；2.青島海洋科學與技術試點國家實驗室 區(qū)域海洋動力學與數(shù)值模擬功能實驗室，山東 青島 266237)

海霧是一種常見的海上災害性天氣，海霧發(fā)生后，海面水平能見度降低，長久以來一直影響著人們的海上活動，對海上和港口航行船舶的安全帶來很大危害。中國沿海和近海多有海霧發(fā)生，因此對于海霧的監(jiān)測和預報成為了人們研究的課題。伴隨著衛(wèi)星技術的發(fā)展，1960年，美國發(fā)射了第一顆氣象衛(wèi)星“泰勒斯”，從那時起，衛(wèi)星遙感漸漸被人們用來觀察大氣和海洋。到了1970年代，一些學者開始使用遙感技術進行霧的研究和預報。1973年，Hunt等提出了根據(jù)光學厚度和幾何厚度計算消光系數(shù)的方法，從理論上計算得出像霧、低云這類的不透明水云在中紅外波段的比輻射率明顯低于其在遠紅外波段的比輻射率的結果，這種差異會導致云霧亮溫的不同[1]。1984年，Eyre等根據(jù)Hunt的理論利用NOAA/AVHRR數(shù)據(jù)建立了夜間大霧監(jiān)測算法[2]。之后又有很多學者[3-4]使用不同遙感數(shù)據(jù)資料對該方法進行了驗證，使其成為了目前唯一的業(yè)務化的夜間霧檢測方法——雙通道插值法。但是由于中紅外通道在白天還會受到反射輻射的影響，因此雙通道差值法對于白天海霧的檢測并不適用。對于日間云霧的識別與檢測，國內外研究者也進行了大量的研究工作，而閾值法仍是最常用的方法。Gustafson等[5]、Gurka[6]、Rao等[7]利用白天可見光遙感圖像進行了云霧識別及其消散研究。1999年，Anthis等利用NOAA/AVHRR紅外通道數(shù)據(jù)和METEOSAT數(shù)據(jù)統(tǒng)計晝夜大霧的光譜特征，并根據(jù)統(tǒng)計的閾值范圍進行了大霧檢測[8]。張春桂等[9-10]利用MODIS(Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer)數(shù)據(jù)，在分析了如海洋、中高云、低云和海霧等不同下墊面的可見光和紅外輻射特征基礎上,確定了海霧檢測的閾值,建立了白天海霧遙感監(jiān)測模型,模型準確率可達80%以上。鄧玉嬌等[11]采用多通道閾值識別方法，利用MODIS數(shù)據(jù)對南海日間的海霧進行了監(jiān)測。Zhang等[12]將MODIS的實時亮溫溫度與氣候月平均SST結合，提出了一種全面的動態(tài)閾值算法。Yi等利用該方法分離海霧與低云，提出了黃海海霧動態(tài)閾值遙感反演算法及云底高度遙感方法[13]。Yuan 等在分析海霧/層云、晴空海表和云的光譜特性之后，構建了基于GOCI 的日間黃海海霧探測算法[14]。

由于海霧和層云光學特性和物理性質類似，而大面積的衛(wèi)星被動遙感只能探測最上層信息，引入主動遙感來獲取海霧/層云的底部信息成為了人們的新選擇。2006年CALIPSO(Cloud-Aerosol Lidar with Orthogonal Polarization)和CloudSat衛(wèi)星一箭雙星發(fā)射成功，它們同屬A-Train系列衛(wèi)星，具有相同的軌道，前后相差12.5 s，是非常好的同步數(shù)據(jù)源。

CALIPSO搭載的CALIOP(Cloud-Aerosol Lidar with Orthogonal Polarization)激光雷達發(fā)射至今為止已經(jīng)成功運行了12年，積累了大量的云和氣溶膠檢測數(shù)據(jù)[15]。目前國內外已經(jīng)有人利用CALIOP進行了云的垂直分布統(tǒng)計，并且在此基礎上進行了海霧的檢測驗證研究。Holz等利用兩個月份的CALIOP和MODIS資料反演得到云頂高度，發(fā)現(xiàn)MODIS反演得到的云頂高度數(shù)據(jù)要比CALIOP的低(1.4±2.9)km[16]。2011年，吳東等分別利用CALIOP數(shù)據(jù)和MODIS數(shù)據(jù)統(tǒng)計了全球范圍的云體出現(xiàn)概率，發(fā)現(xiàn)CALIOP檢測到的云體概率比MODIS檢測到的大，這是因為CALIOP對薄云更敏感[17]。魏書曉等使用CALIOP后向散射系數(shù)數(shù)據(jù)篩選了海霧區(qū)域，并將CALIOP判定得到的海霧結果應用于MODIS海霧遙感研究，利用改進閾值和區(qū)域增長的方法進行了海霧識別[18]。吳東等給出了更為系統(tǒng)的利用CALIOP數(shù)據(jù)檢測海霧的方法，利用CALIOP資料篩選出海霧樣本點，并將其應用于MODIS海霧遙感檢測[19-20]，但是由于激光雷達CALIOP無法穿越較厚的云層，會丟失層云下方的信息。

Cloudsat自2006年發(fā)射之后，其搭載的CPR(Cloud Profiling Radar)雷達一直被用來進行云的垂直檢測。Sassen等利用一年的CPR資料，對全球各類云的云量進行了統(tǒng)計，并與地面以及ISCPP(International Satellite Cloud Climatology Project)的云量進行了比較[21]。Luo等利用兩種Cloudsat產品 (2B-GEOPROF和 2B-GEOPROF-1idar)對中國東部和印度季風區(qū)上空云的發(fā)生頻率、垂直分布高度和雷達反射率因子的季節(jié)變化進行了對比分析，發(fā)現(xiàn)研究結論與基于ISCCP資料的結論有很好的一致性[22]。Welliver使用地基雷達觀測數(shù)據(jù)驗證了Cloudsat和 CALIPSO聯(lián)合數(shù)據(jù)產品2B-GEOPROF-LIDAR中的云底高度數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)2B-GEOPROF-LIDAR檢測云底高度的準確率達到了73%[23]。目前利用Cloudsat探測云的工作已經(jīng)有了很大的進展，而對霧檢測的工作相對較少：Duan和Barros等基于CPR觀測開展了山區(qū)低云大霧的檢測識別研究[24]；張?zhí)K平等利用CPR數(shù)據(jù)對MTSAT、MODIS等光學衛(wèi)星獲得的黃海海域低云大霧檢測結果進行了對比驗證[25]。

本文將CALIOP和CPR觀測數(shù)據(jù)結合起來，探索研究對海霧進行更全面檢測的方法。

1 數(shù)據(jù)資料

1.1 CALIOP數(shù)據(jù)

CALIPSO是A-train系列的一員，其上搭載的激光雷達CALIOP能夠在8 km之下以30 m的垂直分辨率，333 m的水平分辨率進行垂直廓線探測，一級(Level 1B)產品給出532 nm垂直偏振衰減后向散射、532 nm總衰減后向散射和1 064 nm總衰減后向散射。二級(Level 2)大氣垂直特征分類標識VFM(Vertical feature mask)數(shù)據(jù)產品可以對垂直廓線上的云和氣溶膠等進行分類，可給出云、氣溶膠、地/海表、次表層、晴空等目標物類型及對應海拔高度。因此本文主要使用CALIOP的二級VFM數(shù)據(jù)來檢測海霧，并且用Level 1B的數(shù)據(jù)進行約束檢驗。本文研究所用的數(shù)據(jù)均來自美國NANA的蘭利研究中心。網(wǎng)址為https://eosweb.larc.nasa.gov/HORDERBIN/HTML_Start.cg。

1.2 CPR數(shù)據(jù)

CloudSat是第一顆利用主動毫米波雷達在全球范圍內觀測和研究云量，云的分布和垂直結構，輻射特性和降水信息的衛(wèi)星。它的傳感器CPR與普通的地基天氣雷達不同，地基天氣雷達通過厘米級的電磁波來探測降水雨滴尺度的粒子，而CPR的波長為3 mm，其對小顆粒散射體的敏感性是天氣雷達的1 000倍[26]，因此可用來探測更小的液態(tài)水粒子和冰晶粒子，但無視氣溶膠。CPR的水平分辨率約為2.5 km×1.4 km，垂直方向上有125個測量單元 (bin)，垂直分辨率為240 m。它可以用來觀測光學厚度較厚的云，但是無法觀察到薄云。本文使用的CloudSat數(shù)據(jù)為2B-GEOPROF和2B-CLDCLASS，均來自DPC(DATA PROCESSING CETER)，網(wǎng)址為http://www.cloudsat.cira.colostate.edu/。

1.3 MODIS數(shù)據(jù)

MODIS全稱為中分辨率成像光譜儀，它的多波段數(shù)據(jù)可以同時提供反映陸地表面狀況、云邊界、云特性、海洋水色、浮游植物、氣溶膠、地表和云頂溫度、云頂高度等特征信息。MODIS的最大空間分辨率可達250 m，掃描寬度為2 330 km，重復周期為一天。通過MODIS可以觀測到大范圍的云區(qū)和霧區(qū)。本文所用的是Aqua-MODIS上的Level 1數(shù)據(jù)，來自LAADS DAAC，它的網(wǎng)址是https://ladsweb.modaps.eosdis.nasa.gov/search/。

2 研究方法

2.1 海霧定義

霧是指微小的水滴(或冰晶)懸浮在接近地面的大氣中，使得大氣能見度小于1 km的一種天氣現(xiàn)象[27]。海霧則是指在海洋影響之下出現(xiàn)在海上的霧(包含岸濱和島嶼上的霧)[28]。本文所指的海霧是所有出現(xiàn)在海面上的霧，由于霧和云都是水汽凝結成的產物，海霧可定義為與海表相接的云。

2.2 CALIOP海霧檢測原理

下面通過一個實例來具體說明CALIOP檢測海霧的方法。

如圖1所示，圖1(a)是CALIOP的二級VFM圖，32°N～34°N的區(qū)域(圖中青色區(qū)域)VFM標識為云，并且云底滿足距平均海平面不超過2個bin的條件，因而判定為海霧區(qū)。34°N～36°N的區(qū)域(圖中棕色區(qū)域)VFM識別為海表，該區(qū)域海拔高度高于平均海平面，因此這是一個明顯的海表誤判區(qū)域。在圖1(b)的532 nm后向散射圖中可以看到強烈散射，通過閾值法去除氣溶膠部分后，可以將其認定為海霧。

圖1 CALIOP VFM圖及對應的532 nm衰減后向散射圖Fig.1 CALIOP VFM map and corresponding 532 nm attenuation backscatter map

比照CALIOP檢測海霧的方法，根據(jù)前面海霧的定義，若Cloudsat的CPR雷達信號圖中也能找到與海面相接的云，那么這些雷達信號可以認為是海霧的散射信號，對應的區(qū)域為海霧區(qū)域。

2.3 CPR海霧檢測原理

利用東中國海區(qū)域CPR的Level 2B-CLDCLASS云分類產品進行二進制到十進制的數(shù)據(jù)轉換、處理成圖，完成了云分類分析。圖2給出其中2個示例。

(無云No cloud、卷云Cirrus、高層云Altostratus、高積云Altocumulus、層云St、層積云Sc、積云Cumulus、雨層云Ns和深對流云Deep Convection)圖2 CloudSat CPR云分類圖Fig.2 ClouSat CPR cloud classification

圖2展示的是2007年3月29日和2008年7月28日兩次海霧發(fā)生時的CPR云分類圖。從圖中可以看出，CPR具有較強的多層云探測能力。圖2(a)中CPR穿透了4～6 km處厚厚的高層云、高積云，探測到下方與海面相接的層積云和雨層云。圖2(b)中CPR則穿透了14 km處的高空卷云和9～15 km處約6 km厚的高層云區(qū)探測到下方與海面相接的云。數(shù)據(jù)分析表明，與海表相接的云以深對流云、雨層云和積云居多，根據(jù)海霧的定義，CPR可以用來檢測海霧。

通過云分類分析，基于60次海霧案例的數(shù)據(jù)統(tǒng)計，確定CPR資料檢測海霧的方法如下：當CPR云分類圖中有云頂在2 km以下并且與海表相接的云時，將其判斷為海霧。

3 數(shù)據(jù)處理與分析

本文以25°N～42°N、118°E～128°E東中國海區(qū)域為研究區(qū)域，通過中國遙感信息服務網(wǎng)(http://rsapp.nsmc.org.cn/uus/index.jsp)上的霧監(jiān)測報告選取了2007—2016年10年間的60次典型海霧案例開展研究，其中包括趙經(jīng)聰、盧博等人論文中提及的35次海霧案例[19,29]。在這些海霧案例中，由于東中國海區(qū)域的海霧大多發(fā)生在春夏兩季，出現(xiàn)在3～7月的海霧案例為53次。采用的數(shù)據(jù)是與這些案例對應的同步匹配的MODIS、CALIOP和CPR資料。

3.1 上空有云的海霧檢測

圖3展示了對于2012年5月15日一次海霧案例MODIS、CALIOP和CPR三個衛(wèi)星傳感器的數(shù)據(jù)特點，圖3(a)是Aqua-MODIS第1、4、3通道反射率數(shù)據(jù)合成的RGB圖像，該圖直觀地顯示了研究區(qū)域的范圍，圖中綠線為海岸線，黃直線為CALIPSO和Cloudsat星下點軌跡線。MODIS只能探測到最上層目標物的信息，27°N附近整片梯形白色區(qū)域為無數(shù)據(jù)區(qū)，其它白色區(qū)可能為云或霧。

圖3(b)是由CALIOP一級數(shù)據(jù)產品得到的532 nm大氣總衰減后向散射沿上述黃線的剖面圖，圖3(c)是由CALIOP二級VFM數(shù)據(jù)產品得到的與圖3(b)對應的大氣垂直特征分類標識剖面圖，30°N～38°N之間可以看到由VFM圖找到的一片海霧區(qū)。而由圖3(b)激光雷達的測量可以看出，高空中存在多層云，由于云對光波的強衰減，當高空有多層云或者厚云遮擋時，CALIOP便無法探測到下方的信息，這樣的情況下，即使云底與海面相接，CALIOP也會丟失這部分信息。例如，在25°N～30°N之間，圖3(b)顯示高空有云或多層云，貼近海面的信號很差，圖3(c)VFM數(shù)據(jù)顯示無信號(見圖中黑色區(qū))。但在34.8°N～36.6°N之間，激光卻穿透了高空的云層探測到近海面的強散射信號，對應圖3(c)VFM數(shù)據(jù)顯示觀測到近地面云層(有小部分數(shù)據(jù)缺失)，這說明激光還是具有一定的穿云能力。激光穿透高空云層觀測到的這部分云層在MODIS資料圖圖3(a)上卻是無法識別的。

CloudSat的CPR作為專門用來測云的微波雷達，具有大氣透過率高、能穿透云霧、可以全天候工作的能力，能夠補足CALIOP的遺漏部分，利用來檢測多層云或厚云下方的信息。圖3(d)是采用CPR的2B-GEOPROF數(shù)據(jù)繪制的雷達散射剖面圖，測量區(qū)域與CALIOP相同，測量時間早12.5 s。由圖3(d)可以看出，在25°N～30°N之間，CPR觀測到了CALIOP未能測量到的云層的垂直分布信息。同時可以看到在26°N～28°N和28°N～30°N之間各有一段與海表相接的云區(qū)，按照本文對海霧的定義，這部分就是CALIOP漏檢的海霧。

圖3 2012年5月15日一次海霧案例MODIS、CALIOP和CPR三個衛(wèi)星傳感器的觀測對比Fig.3 Observation and comparison of three satellite sensors MODIS,CALIOP and CPR in a sea fog case on May 15,2012

通過對所選60次海霧案例的CALIOP和CPR數(shù)據(jù)分析，作者發(fā)現(xiàn)其中存在高空多層云的測量剖面且CALIOP信號存在無信號區(qū)域的有38次，占63%。因此采用CPR數(shù)據(jù)可以有效地探測CALIOP漏檢的海霧。但是，由于被動遙感也只能看到最上層云，在高空存在多層云的情況下，利用CPR數(shù)據(jù)探測到的海霧案例對于輔助印證MODIS等被動海霧遙感的意義不大。

3.2 低空厚云/海霧檢測

CALIOP在探測到云/霧時，超過三個衰減長度，無法穿透，這樣的云/霧本文定義為厚云/霧,其余認為是薄云/霧[31]。如圖4所示，對于相對稀薄的低空云/霧，CALIOP可以很容易探測識別。圖4(a)是由CALIOP一級數(shù)據(jù)產品得到的532 nm大氣總衰減后向散射剖面圖，圖4(b)是對應的由CALIOP二級VFM數(shù)據(jù)產品得到的大氣垂直特征分類標識剖面圖。由2.2節(jié)CALIOP數(shù)據(jù)海霧檢測方法可實現(xiàn)海霧的探測。但是，由于CPR的垂直分辨率相比CALIOP較低，波長又長，對于圖4(a)和(b)所示的霧區(qū)，CPR卻探測不到清晰的海霧，如圖4(c)和(d)所示。

圖4 2008年5月2日一次海霧案例分析Fig.4 An analysis of a case of sea fog on May 2,2008

對于CALIOP無法穿透的低空厚云/海霧，則又有不同的探測效果。圖5是2015年5月1日一次海霧發(fā)生時期的8 km以下CALIOP的532 nm后向散射圖像及CPR雷達散射圖，由圖5(a)結合圖(b)可以看出，在28.5°N～29.5°N的區(qū)域內，CALIOP探測到在1.5～2 km處有一層云，由于云對光波的強衰減，缺失了下方的信息，在這片區(qū)域內若是有霧或者CALIOP探測到的是濃霧的頂部，僅憑CALIOP數(shù)據(jù)也無法發(fā)現(xiàn)或判斷海霧的存在。但是由圖5(c)CPR雷達散射圖和圖5(d)CPR云分類圖，我們可以看到在28.5°N～29°N和29°N～29.5°N區(qū)域內，有兩塊與海表相接的云，這就是本文要找的海霧。圖5(d)的云分類圖中，由于CPR的云分類圖會將下墊面的2個bin識別為無云，因此看起來離海表有了一點距離，因此我們要結合CPR雷達反射率因子圖和云分類圖來判別海霧的存在。

圖5 2015年5月1日東中國海上空8 km以下CALIOP和CPR圖Fig.5 CALIOP and CPR figures below 8 km over East China Sea on May1,2015

通過對所選60次海霧案例的CALIOP和CPR數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)其中存在低空厚云測量剖面的情況有12次，占20% 。采用CPR數(shù)據(jù)探測這一類CALIOP無法檢測的海霧具有絕對優(yōu)勢，利用CPR數(shù)據(jù)探測到的海霧案例可用于海霧檢測的補充。

4 結語

選取了25°N～42°N、118°E～128°E東中國海區(qū)域2007—2016年10年間60次海霧案例用于本研究。采用CPR的Level 2B-CLDCLASS數(shù)據(jù)進行了云分類分析，給出了CPR資料檢測海霧的方法。采用同步匹配的MODIS、CALIOP和CPR資料這些海霧案例進行了觀測對比分析研究。

觀測對比分析表明，當高空有多層云或者厚云遮擋時，CALIOP無法探測到下方的信息，CPR具有較強的探測優(yōu)勢；對于相對稀薄的低空云/霧，CALIOP可以很容易探測識別，而CPR卻檢測不到；對于濃厚的低空云/霧，CALIOP探測到的僅是頂部信息，CPR探測則有絕對優(yōu)勢。CPR和CALIOP優(yōu)勢互補，使得高層云和厚云覆蓋下的海霧現(xiàn)象也得以被發(fā)現(xiàn)，特別是低空厚云/霧的探測識別，利用CPR數(shù)據(jù)探測到的海霧案例可補充CALIOP的檢測結果。

統(tǒng)計分析表明，在所研究的60次海霧案例中，出現(xiàn)在3～7月的海霧案例為53次。有50次海霧發(fā)生時CALIOP探測存在無信號區(qū)域，其中出現(xiàn)高空多層云或厚云遮擋的有38次，低空厚云/霧的有12次，比例達到了83.3%，因此可以說高空多層云及低空厚云/霧區(qū)對于CALIOP檢測海霧的方法的影響還是較大的，使得漏判的區(qū)域較多。采用CPR可探測到CALIOP漏判的這12次低空厚云/霧，可以用來對檢測的海霧樣本點進行補足，對于海霧遙感的檢測具有一定的實際意義。

致謝：感謝蘭利研究中心(ASDC)提供的CALIOP激光雷達數(shù)據(jù)，感謝CLOUDSAT DPC(CLOUDSAT DATA PROCESSING CENTER)提供的CloudSat數(shù)據(jù)。