李偉光 劉少軍 李勛, 張國峰 蔡大鑫 韓靜 趙婷

（1 海南省氣象科學(xué)研究所，海口 570203 2 海南省南海氣象防災(zāi)減災(zāi)重點實驗室，?？?570203 3 海南省氣象臺，海口 570203）

0 引言

從1988年我國發(fā)射第一顆氣象衛(wèi)星“風(fēng)云一號”，到現(xiàn)在具備完整的極軌和靜止氣象衛(wèi)星相結(jié)合的綜合衛(wèi)星遙感觀測能力，建成從全球綜合觀測到資料同化數(shù)值預(yù)報于一體的現(xiàn)代氣象業(yè)務(wù)體系。氣象衛(wèi)星為我國乃至世界天氣預(yù)報、防災(zāi)減災(zāi)和氣候變化監(jiān)測提供了強有力的支持，在數(shù)值預(yù)報、天氣分析、災(zāi)害性天氣監(jiān)測、氣候變化監(jiān)測、生態(tài)和環(huán)境監(jiān)測等方面取得了巨大的應(yīng)用成績。海南省氣象局衛(wèi)星遙感應(yīng)用中心緊緊圍繞海南陸地及南海氣象監(jiān)測與預(yù)報、生態(tài)文明建設(shè)氣象保障服務(wù)需求，在災(zāi)害性天氣監(jiān)測、氣象服務(wù)以及生態(tài)環(huán)境監(jiān)測、農(nóng)作物分布面積監(jiān)測、長勢監(jiān)測等領(lǐng)域開展研究服務(wù)。近年來在靜止衛(wèi)星監(jiān)測海霧、強對流取得成績，提高了預(yù)報準確率；在應(yīng)用極軌衛(wèi)星開展橡膠長勢監(jiān)測、森林火災(zāi)監(jiān)測及臺風(fēng)災(zāi)害評估等領(lǐng)域成效顯著，收到服務(wù)單位好評。

本文總結(jié)了海南氣象部門衛(wèi)星遙感應(yīng)用的發(fā)展歷程及主要工作內(nèi)容，并對存在的問題和下一步工作重點展開思考，以期建成完善的遙感綜合應(yīng)用體系。

1 海南衛(wèi)星遙感業(yè)務(wù)建設(shè)回顧與現(xiàn)狀

1.1 衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)獲取歷程

1.1.1 極軌衛(wèi)星

海南省氣象局最早在1975年成立海口氣象衛(wèi)星云圖接收站，接收美國第三代極軌氣象衛(wèi)星（TIROS/NOAA序列）發(fā)送的低分辨云圖模擬資料。1992年，開始接收NOAA序列極軌衛(wèi)星資料。2003年，開始接收FY-1系列氣象衛(wèi)星數(shù)字化信息，2004年接收極軌衛(wèi)星EOS/MODIS實時遙感數(shù)據(jù)，并開展森林火情監(jiān)測與陸地植被指數(shù)遙感監(jiān)測業(yè)務(wù)。2005年，建成海口DVB-S衛(wèi)星小站，可接收廣州衛(wèi)星地面站廣播的FY-1、NOAA、EOS（Aqua/Terra）系列衛(wèi)星數(shù)據(jù)。2010年，建成三亞極軌衛(wèi)星直收站，接收FY-3、NOAA系列、EOS/MODIS（Aqua/Terra）等極軌衛(wèi)星的遙感資料。2017年，建成臨高極軌衛(wèi)星直收站，具備接收FY-3D衛(wèi)星和后續(xù)FY-3E衛(wèi)星的能力。

1.1.2 靜止衛(wèi)星

1978年，海南氣象衛(wèi)星云圖接收站，開始接收日本GSM-1（Himawari-1）靜止氣象衛(wèi)星云圖。1991年，建成多功能氣象衛(wèi)星資料接收系統(tǒng)，能接受GMS靜止氣象衛(wèi)星展寬數(shù)字資料和低分辨資料。1993年，改造靜止衛(wèi)星高分辨接收系統(tǒng)，開始接收FY-2號靜止衛(wèi)星的高、低分辨資料。1998年，建成9210系統(tǒng)，接收定時播發(fā)的GMS-5監(jiān)測信息。1998年建成?？贔Y-2系列靜止氣象衛(wèi)星省級中規(guī)模利用站。2000年，三亞建成GMSDPS靜止氣象衛(wèi)星云圖接收處理系統(tǒng)，每隔1 h自動接收最新時次云圖。2018年9月，建成萬寧FY-4號衛(wèi)星地面應(yīng)用系統(tǒng)工程省級接收站。

1.1.3 其他方式

此外，還通過中國氣象局衛(wèi)星廣播系統(tǒng)（CMACast系統(tǒng)）、互聯(lián)網(wǎng)與國家衛(wèi)星氣象中心建立直通式數(shù)據(jù)共享服務(wù)方式，實現(xiàn)了包括我國氣象衛(wèi)星風(fēng)云三號系列、風(fēng)云二號、四號系列、以及美國對地觀測系統(tǒng)（EOS）中分辨率成像光譜儀（MODIS）系列、美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）的第三代實用氣象觀測衛(wèi)星（NOAA-19）系列等十多顆衛(wèi)星數(shù)據(jù)的獲取能力。2018年，先后與國家氣象衛(wèi)星中心、高分辨率對地觀測系統(tǒng)海南數(shù)據(jù)與應(yīng)用中心建立高分衛(wèi)星數(shù)據(jù)獲取渠道。至此基本建成從氣象及高分衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)接收到預(yù)處理系統(tǒng)，奠定了開展業(yè)務(wù)與服務(wù)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

1.2 衛(wèi)星遙感處理與應(yīng)用系統(tǒng)建設(shè)

在衛(wèi)星遙感處理與應(yīng)用系統(tǒng)建設(shè)方面，主要經(jīng)歷了三個階段，早期主要依靠衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)配套的處系統(tǒng)；2004年開始從廣東、廣西等先進省局引進衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，開展森林火情和陸地植被遙感監(jiān)測業(yè)務(wù)；從2012年開始依托國家氣象衛(wèi)星中心的衛(wèi)星監(jiān)測分析與遙感應(yīng)用系統(tǒng)（SMART）和衛(wèi)星天氣應(yīng)用平臺（SWAP）開展數(shù)據(jù)處理業(yè)務(wù)，并在此基礎(chǔ)上開展自主衛(wèi)星遙感處理系統(tǒng)研發(fā)。目前已經(jīng)建成數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)據(jù)管理、多專題遙感監(jiān)測應(yīng)用及對外服務(wù)于一體化的衛(wèi)星遙感綜合應(yīng)用系統(tǒng)。

2 氣象衛(wèi)星在海南氣象服務(wù)中的主要應(yīng)用

2.1 衛(wèi)星遙感在氣象預(yù)報中的應(yīng)用

2.1.1 衛(wèi)星遙感在瓊州海峽海霧監(jiān)測預(yù)報中的應(yīng)用

海霧是指受海洋環(huán)境的影響下，在海上、岸濱、島嶼區(qū)由于水汽凝結(jié)而產(chǎn)生的大量水滴使得低層大氣水平能見度小于1 km的天氣現(xiàn)象[1]。2018年春運期間，瓊州海峽和海南島北部沿海市縣受連日海霧天氣影響，造成瓊州海峽長時間停航，大量人流、車輛滯留?？凇?/p>

海霧監(jiān)測是開展此類天氣事件決策服務(wù)工作的前提，而岸基和海基監(jiān)測站點較為稀疏且部署位置相對固定，難以滿足監(jiān)測海霧動態(tài)發(fā)展的需要。因此，采用具有覆蓋范圍廣、時空分辨率高的氣象衛(wèi)星進行海霧監(jiān)測，可以較好地實現(xiàn)海霧持續(xù)、變化過程的動態(tài)觀測。

針對2018年春運期間瓊州海峽連日海霧天氣，采用于2015年7月投入業(yè)務(wù)運行的新一代靜止氣象衛(wèi)星葵花8（Himawari-8）提供的多通道數(shù)據(jù)，利用全彩融合多通道可見光圖像和雙通道亮溫差法[2]，開展不分等級的晝夜海霧監(jiān)測。霧在可見光波段的反射率一般較高，而土壤、植被、水體等各類地表反射率較低。因此，利用全彩融合可見光圖像進行海霧監(jiān)測，可較好地直接區(qū)分霧區(qū)與海表[2]。雙通道亮溫差法基本思想是，基于各通道的輻射特性，分別計算用于表征光學(xué)厚度、云屬性/雨滴大小以及云頂/表面溫度等物理屬性的通道之間的亮溫差，進而融合成目標物的可視化全彩圖像[3-4]。全彩可見光（海霧）圖像顏色色澤越是白亮，表示云頂高度較高（霧區(qū)明顯）。圖1為2018年2月14日夜間至15日上午全彩融合多通道可見光和雙通道亮溫差圖像，較好地反映了的海霧動態(tài)演變過程。

2.1.2 在暴雨、強對流監(jiān)測中的應(yīng)用

海南氣象服務(wù)區(qū)域除了陸地外，還包含廣闊的南海。南海幅員遼闊，氣象觀測站點稀少，雷達覆蓋率低。氣象衛(wèi)星在強對流監(jiān)測，降水測量方面具有地基觀測無法比擬的優(yōu)勢。特別是FY-4A衛(wèi)星發(fā)射后，為監(jiān)測廣闊南海上的強對流天氣提供了基礎(chǔ)（圖2）。通過監(jiān)測凝結(jié)高度以上云頂屬性如云頂溫度、云頂降溫等信號，可以比雷達首次探測到對流云反射因子達到35 dBz提前30 min[5]。目前基于FY-4A/AGRI通道亮溫及云團形態(tài)的強對流云團初生已在短臨預(yù)報中應(yīng)用，正開展基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進一步判識強對流發(fā)展研究以及基于背景場約束光流法洋面對流云團降水外推預(yù)報研究。

圖1 2018年2月14日21時—15日15時的逐3 h葵花衛(wèi)星夜間海霧識別（a～d）和全彩色可見光圖像（e～g）Fig. 1 Himawari-8 satellite data retrieved for full color night fog (a-d) and visible (e-g) images in every 3 hours from 2100 LST 14 February to 1500 LST 15 February 2018

2.2 衛(wèi)星資料在生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用

2.2.1 在植被監(jiān)測中的應(yīng)用

植被生長狀態(tài)監(jiān)測是海南氣象部門最早開展的衛(wèi)星遙感應(yīng)用。早在20世紀90年代就利用TM數(shù)據(jù)對海南尖峰嶺國家森林公園林區(qū)內(nèi)不同森林類型進行了監(jiān)督分類與面積測算，初步掌握了各類林地面積消長情況，為森林保護和管理提供了科學(xué)依據(jù)[6]。利用MODIS植被指數(shù)月平均數(shù)據(jù)集開展氣象因子（溫度、降水）對海南島植被指數(shù)的影響研究，發(fā)現(xiàn)海南島年內(nèi)植被指數(shù)的變化受溫度的影響大于降水作用的影響[7]。

目前植被生態(tài)質(zhì)量監(jiān)測已經(jīng)成為海南區(qū)域生態(tài)質(zhì)量評價等工作的重要組成部分，依照《陸地植被生態(tài)質(zhì)量氣象監(jiān)測評估業(yè)務(wù)規(guī)范》，按季度實時開展海南生態(tài)質(zhì)量評價的相關(guān)工作，為氣象影響評估、生態(tài)環(huán)境安全監(jiān)測、重大生態(tài)修復(fù)工程實施與評估提供科學(xué)決策基礎(chǔ)（圖3和圖4）。

2.2.2 在干旱監(jiān)測中的應(yīng)用

海南島屬熱帶季風(fēng)海洋性氣候，干季、雨季分明，臺風(fēng)降水比例大，加之受地形影響，降水時空分布非常不均勻，干旱成為制約農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要氣象災(zāi)害[8-11]。海南島蒸散量年際變化不大，年內(nèi)具有明顯的季節(jié)變化；降水對植被生態(tài)需水量的滿足程度冬春季（12月—次年4月）普遍較低，東方、三亞地區(qū)尤為嚴重，冬季三亞地區(qū)降水的保障能力弱于東方；瓊海地區(qū)干旱最輕，解除也最早，一般在4月[8]。經(jīng)過多種指標監(jiān)測干旱的發(fā)展過程，對比發(fā)現(xiàn)植被供水指數(shù)在反應(yīng)海南干旱分布方面具有一定優(yōu)勢。該指數(shù)與綜合氣象干旱指數(shù)（CI）在時間變化和空間變化具有良好的對應(yīng)關(guān)系[12]。以遙感反演的標準化植被供水指數(shù)為參數(shù)，融合土壤含水量數(shù)據(jù)構(gòu)建了海南島農(nóng)業(yè)干旱綜合指數(shù)模型，該模型能準確反映了作物因干旱生長受抑制的情況[13]，可用于干旱災(zāi)害遙感評估。

圖2 2019年7月22日南海地區(qū)FY-4A衛(wèi)星對流初生監(jiān)測圖Fig. 2 Primary monitoring of FY-4A satellite convection in the South China Sea on 22 July 2002

圖3 2000—2018年海南植被生態(tài)質(zhì)量指數(shù)變化趨勢率Fig. 3 Trend rate of vegetation ecological quality index in Hainan from 2000 to 2018

2.2.3 在橡膠種植分布與長勢監(jiān)測中的應(yīng)用

橡膠是海南最重要的農(nóng)產(chǎn)品，也是氣象為農(nóng)服務(wù)的重點。氣象衛(wèi)星由于其在大范圍植被監(jiān)測方面的優(yōu)勢，在橡膠氣象服務(wù)中起到不可替代的作用。首先在橡膠種植分布提取方面。利用多源數(shù)據(jù)，研究了多種橡膠林分布提取算法，例如基于MODIS NDVI物候特征參數(shù)[14]，基于TM影像的監(jiān)督分類的方法[15]，基于多時相NDVI值變化曲線，以及橡膠樹冬季集中落葉特性和蓬葉生長的周年生長變化規(guī)律[16]等方法提取海南島橡膠種植面積信息，并互相驗證提高準確率，為開展橡膠林分布動態(tài)監(jiān)測提供技術(shù)支撐。

此外，開展遙感監(jiān)測橡膠林春季葉片生長狀況，從而提出病蟲害防治、林間水肥管理等農(nóng)事建議。通過監(jiān)測不同時段的EVI值和相臨時段EVI值的變化，識別橡膠林春季第一蓬葉的變化過程，抽芽期、展葉期和穩(wěn)定期等葉物候期。根據(jù)從展葉期至穩(wěn)定期所經(jīng)歷的葉片老化時間長短判斷嫩芽嫩葉受氣象災(zāi)害和病蟲害概率。通過建立遙感監(jiān)測的橡膠長勢和產(chǎn)膠量之間的關(guān)系模型開展橡膠產(chǎn)量預(yù)報，為政府決策、橡膠期貨和橡膠種植農(nóng)戶田間管理提供技術(shù)參考[17]。

目前，隨著海南橡膠特色農(nóng)業(yè)氣象中心建設(shè)，已經(jīng)建立面向東南亞橡膠主產(chǎn)國的動態(tài)遙感橡膠產(chǎn)量監(jiān)測預(yù)報技術(shù)，可逐月監(jiān)測東南亞橡膠長勢，按國家提取東南亞橡膠產(chǎn)量。衛(wèi)星成為橡膠中心旗下服務(wù)獲取東南亞橡膠信息的主要手段。

2.2.4 在氣象災(zāi)害影響評估中的應(yīng)用

利用遙感技術(shù)開展氣象災(zāi)害監(jiān)測、災(zāi)害影響評估可以有效填補氣象地面觀測的空白，定量判斷氣象災(zāi)害危險程度、損失情況，進而提高氣象服務(wù)的準確性和有效性。海南主要開展了臺風(fēng)、低溫、洪澇三類氣象災(zāi)害的遙感評估工作。

通過臺風(fēng)登陸前后橡膠林NDVI值的變化表示橡膠受損的程度（圖5），分析它與臺風(fēng)破壞潛能、地形指數(shù)的相關(guān)性，建立了臺風(fēng)對橡膠林植被的影響力指數(shù)[18]。

圖5 臺風(fēng)山神前后植被指數(shù)對比Fig. 5 Comparison of vegetation indices before and after Typhoon Mountain God

基于海南省橡膠種植的空間分布，對2008年初強低溫陰雨發(fā)生前后橡膠產(chǎn)區(qū)的MODIS NDVI值進行了比較，NDVI值降低區(qū)域占到97.2%，其中26.7%區(qū)域指數(shù)值下降超過0.2。低溫陰雨災(zāi)害后NDVI值與上年同期（未遭受寒害）相比，橡膠植被指數(shù)降低的區(qū)域占79.1%，14.6%的區(qū)域下降超過0.2。橡膠林間調(diào)查結(jié)果顯示遙感監(jiān)測NDVI下降程度與實際調(diào)查結(jié)果相符。因此判定2008年橡膠產(chǎn)區(qū)植被指數(shù)下降主要是受寒害影響[19]。

洪澇災(zāi)害遙感監(jiān)測也是氣象服務(wù)的主要任務(wù)之一。利用HJ-1A/1B-CCD數(shù)據(jù)，比較區(qū)分度對歸一化差異水體指數(shù)、基于藍光的歸一化差異水體指數(shù)和混合水體指數(shù)3種水體指數(shù)純水體、濕地的識別能力?；谒{光的歸一化差異水體指數(shù)水陸識別和水體面積提取精度最高，是海南島洪澇災(zāi)害監(jiān)測較為理想的方案[20]。

2.2.5 在人工影響天氣作業(yè)中的應(yīng)用

海南島冬春季節(jié)干旱，人工影響天氣是保障農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、生態(tài)供水的重要途徑。人工增雨作業(yè)時機及效果評估需要分析不同云天條件時的水汽含量及其變化。應(yīng)用地基GPS遙感大氣水汽含量資料、逐時降水資料分析了不同云天條件下大氣水汽含量特征與實際降水的對應(yīng)關(guān)系以及不同降水云系的降水效率。GPS反演的水汽含量與探空計算得到的水汽數(shù)據(jù)具有較好的一致性，同時水汽含量值與地面降水吻合較好。FY-2的大氣可降水量（PW）產(chǎn)品在夏季可以為大部分區(qū)域提供高時空分辨率、高精度的大氣可降水量，在大氣濕度非常低、冬季和夜間條件，反演結(jié)果精度有待提高[21-22]。

2.2.6 在大氣環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用

遙感數(shù)據(jù)在長期、大范圍觀測的可對比性，使得其在開展環(huán)境與氣候變化具有顯著優(yōu)勢。為掌握海南地區(qū)CO2濃度的變化，利用2002—2012年AIRS反演的對流層中層CO2產(chǎn)品，分析方法對海南地區(qū)年季月的時空變化特征。海南地區(qū)對流層CO2含量略高于云南低值中心，且呈現(xiàn)顯著增加趨勢，增速略低于全國水平，陸地上空增速略大于海洋地區(qū)；從季節(jié)波動來看海南地區(qū)最高值出現(xiàn)在為夏季，最低值均出現(xiàn)在秋季[23]。

利用OMI衛(wèi)星反演的較高分辨率對流層NO2柱濃度數(shù)據(jù)，分析了海南島NO2時空變化特征。海南地區(qū)對流層NO2柱濃度表現(xiàn)為上升的變化趨勢，季節(jié)變化表現(xiàn)為冬季高于夏季，夏季濃度偏低和雨水的沖刷作用有關(guān)。結(jié)合MODIS衛(wèi)氣溶膠光學(xué)厚度產(chǎn)品、地面觀測的空氣質(zhì)量指數(shù)分析海南地區(qū)NO2柱濃度分布與島上經(jīng)濟水平和人口分布關(guān)系密切，NO2冬季偏高與旅游過冬人口增多和外源輸送作用有密切聯(lián)系[24]。

氣溶膠光學(xué)厚度（AOD）是表征大氣渾濁程度的物理量，與PM10、PM2.5、AQI具有較高相關(guān)性。衛(wèi)星遙感資料顯示，2018年海南島AOD平均值僅為0.15左右，與近5年比較，海南島AOD平均值呈現(xiàn)下降趨勢（圖6），表明海南島空氣質(zhì)量在變好。分季節(jié)來看，一般1～2季度AOD值高于第3～4季度。

3 結(jié)論與展望

海南氣象衛(wèi)星遙感雖然在天氣、氣候、生態(tài)、環(huán)境監(jiān)測等方面應(yīng)用取得了一定進展，但仍局限于簡單的云圖主觀判斷、成熟遙感產(chǎn)品的二次分析、以及淺層次遙感研發(fā)，在數(shù)值模式資料融合、多源遙感資料的綜合應(yīng)用、適用于當?shù)剡b感產(chǎn)品開發(fā)方面的能力也發(fā)達省份相差較遠。在海南落實全面深化改革開發(fā)，建設(shè)“三區(qū)一中心”工作中，快速建立功能完善、特色突出的省級遙感綜合應(yīng)用體系，進一步提升氣象衛(wèi)星遙感在海洋氣象服務(wù)中的支撐作用，還需要重點從以下方面開展研究與應(yīng)用。

3.1 建立微波散射計等傳感器在海洋氣象業(yè)務(wù)中的應(yīng)用能力

衛(wèi)星上搭載的微波散射計對熱帶氣旋云雨大氣的穿透能力，而且可以彌補海洋上觀測站點稀疏的問題，解決目前熱帶氣旋定位定強主要依靠云圖形態(tài)解譯以及海上衛(wèi)星定量遙感精度不高等問題，一是通過區(qū)域風(fēng)場的風(fēng)速進行提取。針對有眼臺風(fēng)，通過觀察風(fēng)場風(fēng)速的分布，尋找高風(fēng)速區(qū)域中的極小值，可以快速、有效并且高精度的獲取臺風(fēng)中心，清晰反映了臺風(fēng)位置和強度信息。加強靜止衛(wèi)星對中尺度對流云團監(jiān)測、追蹤和外推預(yù)警研究，提高衛(wèi)星遙感在洋面強對流天氣短時臨近預(yù)報業(yè)務(wù)系統(tǒng)中應(yīng)用。

圖6 2014—2018年海南島氣溶膠光學(xué)厚度特征Fig. 6 Aerosol optical depth in Hainan Island from 2014 to 2018

3.2 開展沿海風(fēng)暴潮監(jiān)測與預(yù)報

海浪在臺風(fēng)等強烈的空氣擾動下所引起的海面增高，這種升高與天文潮疊加時，海水常常暴漲造成自然災(zāi)害。精確的確定熱帶氣旋的移動速度、強度和移動路徑是開展風(fēng)暴潮預(yù)報的關(guān)鍵。利用衛(wèi)星遙感反演的風(fēng)場和氣旋位置等信息結(jié)合模型風(fēng)場擬合衛(wèi)星風(fēng)場數(shù)據(jù)，通過風(fēng)暴潮模式進行計算，可得到沿岸風(fēng)暴潮增水值，提高預(yù)報的及時性和準確性。

3.3 開展海洋水色環(huán)境監(jiān)測

由衛(wèi)星數(shù)據(jù)生產(chǎn)的葉綠素、懸浮泥沙、海溫、海面高度、海面風(fēng)場、海浪等遙感產(chǎn)品。葉綠素、懸浮泥沙能夠反映浮游藻類的分布，結(jié)合海面高度、海面風(fēng)場能夠識別出大洋中的鋒面和中尺度渦，可以用來探測大洋漁場。另外葉綠素a含量可以反映海區(qū)浮游植物濃度的高低，通常在河流入?？诩吧仙鞲浇?，因為營養(yǎng)物質(zhì)豐富而具有較高的葉綠素濃度，從而形成漁場;但是，葉綠素濃度過高之后導(dǎo)致水體透明度和溶解氧含量降低，對水中生命體不利，可以據(jù)此開展海洋生態(tài)環(huán)境狀況監(jiān)測與服務(wù)。