基于新一代静止气象卫星的沙尘遥感监测

发布时间：2020-10-25 20:50

　　 静止气象卫星的夜间沙尘判识,一直是沙尘遥感监测的一大难题。FY-2、MTSAT-2等前一代静止气象卫星,红外通道数量较少,难以监测夜间的沙尘。目前新一代静止气象卫星FY-4、Himawari-8已经发射,与前一代卫星MTSAT-2相比,新一代卫星的时间、空间分辨率有了明显提升,更为重要的是,红外通道的数量从4个增加到8个/10个,红外通道的大幅增加,给沙尘全天候判识带来了可能。本次研究希望充分利用FY-4、Himawari-8的红外数据,仅用红外通道实现沙尘的全天候判识。本文首先对沙尘监测的物理原理进行了分析,具体包括沙尘自身的辐射特性、卫星光谱通道设计对沙尘判识的影响等,然后通过MODTRAN辐射传输模式进行了敏感性分析,模拟沙尘浓度和地表温度的变化对沙尘判识参数的影响。除了对沙尘的分析外,本文进一步结合卫星实测数据,比较了沙尘和云/晴空地表的光谱差异。根据这些分析得到的结论如下:卫星的光谱通道的设计会影响沙尘判识。如果卫星仪器的12μm通道过宽,覆盖水汽吸收较强的波长时,参数BT11-BT12会对沙尘不敏感。Himawari-8就有这样的问题,所以联合BT11-BT12和BT10-BT11共同进行沙尘判识,这两个参数在一定程度上可以互为补充。另外在分析光谱特征时,发现有一些云区和沙尘区的亮温差值比较接近。所以判识沙尘前,需要进行云滤除,以免将云区误判为沙尘区。对于新一代静止卫星来说,水汽通道的增加,对沙尘和云的区分更有优势。在上述原理分析的基础上,构建了一套沙尘全天候判识算法,在文中详述了算法的构建过程,包括判识参数的选择、白天和夜间的界定、沙尘判识阈值的确定等。最后选取了三次典型的沙尘事件,对本文方法得到的沙尘判识结果进行验证。对地基验证进行分析时发现,在夜间地面气象站数据较少,不足以验证卫星判识的结果,所以联合地面气象站和PM10共同构建了一套地基验证数据。之后进行了判识结果的比对和校验,首先结合一个沙尘案例,将本文结果与FY-2沙尘产品进行了对比,发现本文结果与地基校验数据更为匹配,判识精度更好。另外也结合三次典型事件,将本文结果和地基验证数据进行对比。结果发现无论在白天和夜间,卫星判识结果和地基观测数据都具有较好的一致性,这一方面说明了通过静止气象卫星实现全天候沙尘监测的可行性,另一方面也说明了算法具有一定的普适性。
【学位单位】：中国气象科学研究院
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：P407
【部分图文】：

区分沙尘和其它目标物的根本依据。在一幅遥感影像中准确判识沙尘区域，首先要对沙尘的物理性质有一的辐射特性、沙尘粒子谱分布等等。其中尤为重要的是沙尘的辐射特同通道上的吸收和散射特性不同。所以在出现沙尘时，与晴空条件相道的亮温值会有差异，这是在遥感影像上识别沙尘区的依据。研究首先基于 HITRAN（High-resolution Transmission Molecular 数据库，对沙尘的吸收和散射特性进行了分析。HITRAN 数据库中 Ast Like 型气溶胶的复折射指数(Massie and Hervig, 2013)如图 1 所示。波长在红外范围时，沙尘的吸收和散射性质会随波长发生变化。我们外大气窗区的特性，因为大气窗区范围内，水汽和二氧化碳吸收作用监测非常有利。图中的结果显示，在波长范围为 10-12.5μm 的红外大气增加，沙尘的散射和吸收作用逐渐减弱。因此在沙尘出现时，与晴空条的 10.4μm 通道的亮温值（BT10）、11.2μm 通道的亮温值（BT11）、1（BT12），会在整体上呈现出 BT10<BT11<BT12 的特点。这一特征也发生的依据。

图 2. 2 Himawari-8 的 AHI 和 MODIS 光谱响应函数对比图FY-4 光谱响应分析 的 AGRI 光谱通道设置与 Himawari-8 的 AHI 有一定差异，会在一定识参数的选取。所以本次研究将 Himawari-8 和 FY-4 的光谱响应函数旨在为后续沙尘判识算法的构建提供理论依据。Himawari-8 和 FY-4图 2.3 所示。中可以看出，在对沙尘判识较为重要的大气红外窗区通道上，FY-4 的要宽于 Himawari-8。但 FY-4 的 12μm 通道带宽要窄于 Himawari-8，小，对于沙尘的判识较为有利，仅从光谱通道的设置上来看，FY-4 的 B的敏感性应优于 Himawari-8。Y-4 和 Himawari-8 相比，缺少了一个 10.4μm 通道。从沙尘的物理特道在沙尘判识上应该可以起到一定作用。缺少了这个通道，对于 FY有遗憾的。但 FY-4 的 BT11-BT12 比 Himawari-8 更加敏感，通过充分通道的特性，或许可以在一定程度上弥补缺少 10.4μm 通道所带来的

图 2. 3 Himawari-8 的 AHI 和 FY-4 的 AGRI 光谱响应函数对比图尘的敏感性分析地表亮温日变化规律分析天之中，地表亮温会随时间发生变化，卫星观测的亮温值，还有基于识参数值也会随之发生变化。也就是说地表温度的变化，会使沙尘判所以在沙尘判识时，不能在全天使用同样的沙尘判识阈值，本节对地律进行了分析，为后续进一步定量评估地表温度对沙尘判识的影响作析地表亮温变化规律时，需要选择晴空数据作为数据源。如果大气中时，由于云顶和沙尘顶的高度较高、温度较低，所以卫星观测的亮温时的亮温。使用这样的数据分析亮温日变化时，数据会不断起伏震荡亮温的变化规律。所以本次研究通过 Himawari-8 的晴空合成数据，来变化规律。其中 Himawari-8 的晴空合成数据，以 11.2μm 通道最大亮近 10 天 Himawari-8 的实测数据进行合成得到的，是一个相对晴空的数据作为数据源，进行了日变化的分析。
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本文编号：2855942