MODIS沙尘暴判识方法与业务系统

为了利用MODIS资料对沙尘暴的范围和强度进行定量判识,应用2002--2004年多次MODIS资料,通过对沙尘暴、云、雪和沙漠光谱特征的分析,构建了定量判识沙尘暴范围和强度的两个沙尘指数.利用2002-2007年数次沙尘暴过程对沙尘指数的判别效果进行检验,表明构建的两个M()DIS沙尘指数能够有效地监测沙尘暴的范围和强度,且方法简单,适用于业务应用.针对目前西北沙尘暴遥感监测业务服务以定性图像为主,服务产品较为单一的问题,对MODIS沙尘暴判识方法进行业务化,并结合GIS进行沙尘暴影响范围的分析,开发研制了自动运行的MODIS沙尘暴监测和影响评估业务系统.系统具生成沙尘暴MODIS影像图、沙尘暴范围和强度遥感监测图、沙尘暴影响土地类型图、全国各省(直辖市)沙尘面积统计表、全国不同土地类型沙尘暴影响面积统计表、甘肃省各县沙尘暴的影响面积统计表和甘肃省不同土地类型沙尘影响面积统计表等功能,为沙尘暴定量和精细服务提供了丰富的产品.     

利用MODIS资料定量判识沙尘暴方法研究

为了利用MOD IS资料对沙尘暴的范围和强度进行定量判识,应用多时次MOD IS多波段资料,在对沙尘暴、云、雪和沙漠光谱特征进行较为细致分析的基础上,寻找出能区分沙尘、云和地表的波段,构建了2个定量判别沙尘暴范围和强度的沙尘指数,并利用沙尘指数对2002~2005年多次MOD IS沙尘暴的范围和强度进行判识。研究结果表明:1)沙尘在反射光谱段的光谱特征为反射率随着波长的增加而增大,与土壤光谱特征相近;大粒径沙尘反射率增长速率大于小粒径沙尘。2)小粒径沙尘具有较典型的气溶胶特征,对0.46μm蓝光波段敏感,对1.6和2.1μm短红外波段不敏感。3)大粒径沙尘不具有气溶胶特性,对蓝光波段不敏感,对短波红外敏感。4)3.7μm和8.5μm是对沙尘敏感波段,2波段的差可以作为判别沙尘的指标,并在一定程度上反映沙尘强度。5)设计的2个沙尘指数对监测沙尘十分有效,且方法简单,适于业务应用。     

静止与极轨气象卫星监测沙尘的融合算法研究

为了综合应用静止气象卫星与极轨气象卫星沙尘监测的结果,更好地进行沙尘信息的判识,采用改进的证据理论方法,进行静止卫星FY-2D/2E红外差值沙尘指数(infrared difference dust index,IDDI)产品与极轨气象卫星FY-3A沙尘强度指数(dust strength index,DSI)沙尘监测产品的融合处理,划分沙尘发生过程中的有沙尘暴发生区、无沙尘暴发生区及可能沙尘暴发生区。融合结果与气象站点观测结果的对比分析表明,本算法可以将静止气象卫星与极轨气象卫星遥感沙尘监测结果进行较好地融合,更好地划分沙尘暴发生的区域,对于沙尘暴过程的监测、评估和分析有重要的参考价值和指导意义。     

白天和夜间通用的卫星遥感沙尘判识算法构建与验证分析

Himawari-8是日本发射的新一代静止气象卫星,与前一代的MTSAT-2相比,在时间、空间分辨率上都有了很大提升,特别是红外通道数量从4个增至10个,为红外遥感沙尘提供了新的观测数据。本研究利用Himawari-8的红外观测数据,发展了仅用红外通道的沙尘全天候判识算法,可以实现对白天和夜间的连续监测。算法在前人基础上去除了可见光通道,同时引入更多红外通道来进行云检测和沙尘判识。由于一日之中,地表温度发生变化,因此针对白天和夜间设置了两套不同的判别阈值,来保证算法的全天适用性。最后通过两次沙尘事件对沙尘判别结果的分析和检验表明,遥感判识结果与地面气象站和PM_(10)观测较为一致,说明了只用红外通道全天候判识沙尘的可行性。     

卫星遥感在陕西沙尘天气监测中的应用

利用空间特征分析方法,通过对裸露地表、云、沙尘区的反射率和亮度温度进行对比分析,得出其各自不同的遥感判识指标,探索了一种用极轨气象卫星监测沙尘天气的方法,并对沙尘天气的成因进行了初步分析.     

塔克拉玛干沙尘天气的激光雷达探测个例分析

利用偏振微脉冲激光雷达对塔中一次沙尘天气过程进行了监测分析,得到沙尘的空间分布结构、变化过程等信息:(1)偏振微脉冲激光雷达对沙尘天气的探测能够区分沙尘暴和浮尘沙尘天气现象;(2)在沙漠近地面发生沙尘暴时段,各高度层沙尘浓度基本上较高,退偏比在0.3~0.4,而在地面发生浮尘开始时段,在4 500 m以上高度沙尘浓度基本上较高,退偏比在0.3~0.4,而在地面发生浮尘开始和结束时段,在4 500 m以下高度沙尘浓度相对较低,退偏比在0.2~0.3左右;(3)沙漠近地面发生沙尘天气时,高空沙尘浓度也较高且来源于周边,高空较高浓度沙尘的持续时间长于近地面。     

新书架

中国北方沙尘暴研究牛生杰著该书内容涉及：沙尘暴发生频次的时空分布及其变化趋势;沙尘暴热力、动力结构及近地层要素变化特征;沙漠地区的大气扩散规律和边界层结构以及起沙通量模型;沙尘气溶胶微结构;沙尘气溶胶光学特性反演及其辐射模型;沙漠地区云凝结核、冰核的时空分布规律及其对云和降水的影响。该书适用于大气物理学、大气化学、大气环境、     

基于FY-2D的新疆区域强对流云识别

利用2007—2013年新疆的10场强对流天气过程以及与之相应的FY-2D静止气象卫星数据,分析了强对流云红外一通道、红外二通道、水汽通道及通道差的光谱特征,提取强对流云团样本点,采用统计方法确定判识指标的阈值范围,构建多通道多阈值判识方法。利用三场天气过程的地面实测降水资料分别验证了单时次和整场天气过程强对流云判识的准确性,结果表明:单时次强对流云的识别区域与发生降雨台站一致的准确率为83%;在整个天气过程中,强对流频次分布与降水实况吻合度较高,说明随着对流云团的移动和发展,判识区域与地面降水区域保持一致,验证了判识方法有效,阈值选取合理。     

基于沙尘气溶胶识别的中国北方地区MODIS云检测产品的改进研究

美国国家航空航天局(NASA)的MODIS业务云检测产品MOD35是其他大气产品和陆地产品反演的辅助数据,也是目前很多云检测研究的检验依据。为研究MODIS云检测业务产品MOD35的监测效果,分析了中国北方地区有沙尘暴天气的MOD35产品,发现产品易将沙尘气溶胶区域误判为云。为了区分沙尘和云,对中国北方地区白天4次沙尘过程数据进行散点图分析,并通过计算损失率得到沙尘气溶胶的11μm、12μm通道亮温差特征和11μm通道、3.7μm通道的亮温范围,改进了MODIS监测沙尘气溶胶的算法。应用此算法对MODIS云检测产品中的沙尘气溶胶污染进行判别,分析结果与国家气象卫星中心发布的沙尘监测一致。改进的算法能有效地监测出MOD35产品中误判为云的沙尘区域,结合MOD35自身的厚气溶胶标记,改进了云检测产品的效果。     

基于MODIS遥感资料监测南海白天雾

根据现有雾遥感监测理论,采用多通道阈值判识法,基于MODIS资料进行南海白天雾监测。该方法利用MODIS的1、2、18、20、31通道数据,分离云、雾、海表的相关信息。满足RB1<20%、RB2<20%、RB1>RB2的象元判识为海表;满足RB1>55%、RB2>55%、TB31<273 K的象元判识为中高云;海雾和低云的分离指标IFC>20的象元判识为海雾。利用2011年1—4月广东沿海海雾实地观测结果对该方法进行验证,在13个样本数据中,有9个样本的卫星监测结果与地面观测结果一致,有3个样本地面观测有雾但卫星监测为低云,1个样本地面观测有雾但卫星监测为晴空洋面。主要是因为MODIS资料本身对云雾不具备穿透性,算法设计时只能假设单一视场中只有一层云雾,对于无云覆盖的雾区较易识别,但对于被云覆盖的雾区则只能将其判识为云区,但总体来说,该监测模型是有效的、可行的。      

大气沙尘辐射特性的卫星观测

对１９９１年３－５月在ＨＥＩＦＥ实验区过境的１０次ＡＶＨＲＲ测量资料和同期大气浑浊度观测资料的分析结果表明,ＡＶＨＲＲ资料可用于大气沙尘对地系统辐射能收支影响的研究。     

利用静止气象卫星红外通道遥感监测中国沙尘暴

气象卫星的红外窗区通道 (8~12 μm) 对于通常大气气溶胶几乎没有响应, 但对于较大颗粒且浓度较强的沙尘气溶胶, 尤其是沙尘暴有明显的信号反应。空气中的沙尘在红外分裂窗通道表现出两个特征:一是对地表发射到空间的红外信号产生衰减, 造成卫星探测到的地气系统亮温降低, 这就是所谓的红外差值沙尘指数IDDI; 二是沙尘粒子在红外分裂窗两个通道的比辐射率不同, 11 μm比12 μm的比辐射率低, 从而造成这两个通道的亮温差是负值。基于这两个特征和沙尘多通道光谱聚类法, 针对静止气象卫星观测数据进行了沙尘暴卫星遥感监测业务算法开发, 输出沙尘暴监测产品和红外差值沙尘指数产品, 这一算法不仅用于已经退役的GMS-5卫星, 而且应用于正在运行的静止气象卫星FY-2C, 它还为沙尘暴的定量或半定量遥感提供参考借鉴。     

基于模式分析一次沙尘暴过程中沙尘表面非均相化学过程对中国地区污染物浓度的影响

利用戈达德对地观测系统（GEOS）提供的再分析气象场GEOS-5驱动的GEOS-Chem模式,模拟中国地区2009年4月22~29日沙尘暴期间沙尘气溶胶表面非均相化学过程对我国污染物的影响。模拟结果表明,沙尘暴期间,全国平均沙尘硝酸盐和沙尘硫酸盐浓度分别为0.2 μg m-3和0.4 μg m-3,占总硝酸盐（非沙尘硝酸盐与沙尘硝酸盐之和）和总硫酸盐（非沙尘硫酸盐与沙尘硫酸盐之和）的24%和10%。我国西部地区沙尘硝酸盐占比（ > 80%）要大于其他地区,而西部地区的沙尘硫酸盐占比则要小于下游地区。考虑非均相化学反应后,沙尘暴期间,全国平均的二氧化硫（SO₂）、硝酸（HNO₃）、臭氧（O₃）、非沙尘硫酸盐、总硫酸盐、非沙尘硝酸盐、总硝酸盐、NH₃、总铵盐浓度变化量分别为-7%、-15%、-2%、-8%、3%、-2%、14%、21%、-5%。     

Continuous Measurement of Number Concentrations and Elemental Composition of Aerosol Particles for a Dust Storm Event in Beijing

A continuous measurement of number size distributions and chemical composition of aerosol particles was conducted in Beijing in a dust storm event during 21-26 March 2001. The number concentration of coarse particles （ 〉2μm） increased more significantly than fine particles （ 〈2μm） during the dust storm due to dust weather, while the anthropogenic aerosols collected during the non-dust-storm period tended to be associated with fine particles. Elemental compositions were analyzed by using proton-induced X-ray emission （PIXE）. The results show that 20 elements in the dust storm were much higher than in the non-dust-storm period. The calculated soil dust concentration during the dust storm was, on average, 251.8μg m^-3, while it was only 52.1μg m^-3 on non-dust-storm days. The enrichment factors for Mg, A1, P, K, Ca, Ti, Mn, Fe, C1, Cu, Pb, and Zn show small variations between the dust storm and the non-dust-storm period, while those for Ca, Ni and Cr in the dust storm were much lower than those in the non-dust-storm period due to significant local emission sources. A high concentration and enrichment factor for S were observed during the dust storm, which implies that the dust particles were contaminated by aerosol particles from anthropogenic emissions during the long-range transport. A statistical analysis shows that the elemental composition of particles collected during the dust storm in Beijing were better correlated with those of desert soil colleted from desert regions in Inner Mongolia. Air mass back-trajectory analysis further confirmed that this dust storm event could be identified as streaks of dust plumes originating from Inner Mongolia.     

"2001.4.6"宁夏沙尘暴过程卫星图像分析

利用日本GMS-5地球同步气象卫星资料,结合常规气象资料,对2001年4月6日发生于宁夏的一次沙尘暴天气过程的影响系统、物理机制、运动学特征、发展演变过程和地形作用等进行了分析。结果表明：在GMS卫星图像上,这次过程有明显的特征,通过图像处理可以得到更多的细节信息。结合实测资料的分析表明：这次沙尘暴天气是高空强西北气流和地面急行冷锋共同影响的天气过程,在卫星云图上其热力与动力过程有明显的反映,而且随着时间的变化其作用不同。三种不同的地形在这次过程中具有不同的效应。这些结果对深入认识沙尘暴天气过程,提高监测预报能力有重要意义。     

评估FY-3A微波湿度计O-B对云的识别能力

应用FY-3A微波湿度计2010年1月份的Level-1c观测亮度温度O,NCEP GFS 6 h的预报场作为背景场,用RTTOV 9.3版本辐射传输模式模拟的亮度温度B以及美国NOAA-18 MHS业务微波地表和降水产品,研究了双权重质量控制算法对FY-3A MWHS 通道3至5云和降水视场的识别能力。研究表明双权重质量控制算法判断的负观测增量O-B的离群点中,大多数都受云和降水影响。通道3约占60%,通道4约80%,通道5超过80%。当降水率大于0.2 mm·h^-1时,通道3负离群点可识别超过60%降水云,随着降水率增大识别率超过80%。而通道4对大于0.2 mm·h^-1的降水的识别率超过90%。通道5负离群点几乎可以剔除100%的降水影响资料。在目前还没有MWHS自身云检测产品的条件下,双权重质量控制算法可剔除大部分云和降水影响视野。     

敦煌地区沙尘气溶胶质量浓度的观测研究

在沙尘源区进行长期监测是获取区域代表性沙尘气溶胶质量浓度特征的重要研究方法。敦煌位于甘肃省河西走廊的西端,是中国北方主要沙尘源区之一,利用大流量采样器和安德森采样器进行了长达30个月的试验观测研究,获得了该地区沙尘气溶胶的基本特征。其年变化特征与气象资料的年变化关系密切;针对典型天气过程的观测结果表明,不同天气条件（背景大气、浮尘、扬沙和沙尘暴）下TSP浓度存在倍数关系和量级的差异,其质量浓度随粒径的分布特征也明显不同;并与2001年9月-2004年3月在腾格里沙漠东南缘沙坡头地区的一些观测结果进行了比较分析。     

Satellite remote sensing of the optical depth and mean crystal size of thin cirrus and contrails

Summary Crystal size and optical depth of optically thin cirrus clouds and contrails over the North Sea and Adriatic Sea on the 18^th of October 1989 are retrieved by comparison of NOAA AVHRR/2 brightness temperatures of channel 4 (9.97 µm–11.56 µm) and channel 5 (11.075 µm–12.76 µm) with one dimensional radiative transfer calculations. Measured brightness temperatures in all three infrared channels and their differences show higher values for contrails than for cirrus. The radiative properties of young contrails are consistent only, if smaller crystal size than those given for natural cirrus are adopted for the calculations. However, there is a continuous transition in radiative parameters between clouds classified as natural cirrus or contrails. For the test areas ice clouds are classified with respect to optical depth and mean crystal size. Finally infrared fluxes and heating rates in the spectral range 4 µm–40 µm are calculated for an atmosphere with a 500 m thick contrail or cirrus uncinus. At given ice content a far stronger atmospheric warming is found for a contrail with relatively small ice crystals: up to 80 K/day at cloud base for an ice content of 0.05 gm^–3 compared to 10 K/day for a cirrus uncinus with large crystals.With 11 Figures     

Impact of Long-range Desert Dust Transport on Hydrometeor Formation over Coastal East Asia

Model simulations and hydrological reanalysis data for 2007 are applied to investigate the impact of long-range desert dust transport on hydrometeor formation over coastal East Asia.Results are analyzed from Hong Kong and Shanghai,which are two representative coastal cities of East Asia.Long-range desert dust transport impacts mainly spring and summer clouds and precipitation over coastal East Asia.In spring,clouds and precipitation come mainly from large-scale condensation and are impacted mainly by dust from the Gobi,Sahara,and Thar deserts.These desert dusts can participate in the precipitation within and below the clouds.At lower latitudes,the dust particles act mainly as water nuclei.At higher latitudes,they act as both water nuclei and ice nuclei.The effect of Gobi,Sahara,and Thar dust on large-scale clouds and precipitation becomes stronger at higher latitudes.In summer,clouds and precipitation over coastal East Asia come mainly from convection and are impacted mainly by dust from the Taklamakan,Arabian,and Karakum-Kavir deserts.Most Taklamakan dust particles can participate in precipitation within convective clouds as ice nuclei,while Arabian and Karakum-Kavir dust particles participate only as water nuclei in precipitation below the clouds.The effect of Taklamakan dust on convective clouds and precipitation becomes stronger at lower latitudes.Of all the desert dusts,that from the Gobi and Taklamakan deserts has the relatively largest impact.Gobi dust impacts climate change in coastal East Asia by affecting spring water clouds at higher latitudes.     

我国西北地区沙尘暴天气时空分布特征

通过分析西北地区1952～1994年所出现的沙尘暴气象观测纪录，提出了沙尘暴天气强度划分标准，并研究了西北地区沙尘暴天气时空分布特征。得出西北地区沙尘暴天气的易发区和多发区，以及多发时段等。为建立沙尘暴灾害性天气综合监测、防灾减灾系统工程的设计和建设，为当地沙尘暴天气联报联防和科学研究等，都提供了重要依据。