基于MODIS数据的海上气象能见度遥感光谱分析与统计反演

重点分析了不同等级能见度过程在MODIS 36通道中的谱特征及与能见度的相关性,并对能见度进行了光谱统计分析.经去云处理后,对多点测站的相关分析发现能见度因子和ch1,3,4,8,16,24,25,29～36的辐射和反射率存在很好的相关性(置信度达90 %以上,相关系数≥0.8),进一步的通道筛选和压缩对能见度的反演有重要意义.典型个例分析发现低能见度与高能见度天气过程存在较明显的光谱辐射和反射差异,可用于低能见度的识别.     

基于MODIS资料反演海上能见度的经验模型

利用2002年10月~2003年8月的中分辨率成像光谱数据MODIS(ModerateResolutionImagingSpectrora-diometer)和华南沿海及海上能见度观测数据,对华南海域连续的、长时间序列的能见度遥感监测和定量反演进行了试验。将MODIS影像分为:晴空(Ⅰ);雾和低云(Ⅱ);有降水积云(Ⅲ)和其它(Ⅳ)4类,并按照通道间相关性最小和与大气水平能见度相关最大的原则进行通道筛选。初步分析表明,水平能见度确实与MODIS卫星表观反照率存在一定的函数关系。在此基础上,对每一类进行通道筛选和特征因子提取,建立分类的反演经验模型进行大气水平能见度的遥感反演,并与观测结果进行了比较。结果表明,在Ⅰ和Ⅲ类大气状况条件下,能见度的反演结果较好(相关系数分别达到0.6和0.9,远大于95%信度检验水平),而大气状况较为复杂的II类反演精度较低,相关系数只有0.5(仅达94.2%显著性检验水平)。由此可见,对于海上下垫面均一、而大气状况复杂的遥感反演问题,根据大气状况分类简化的统计反演是较为有效的1种方法。同时,对大气的辐射消光特性的了解和MODIS通道特性的分析,也是决定反演结果的重要因素。     

基于贝叶斯网络的朝鲜海峡大气能见度推理模型及实验

针对当前海上贸易航道通航风险评估工作中存在的能见度数据缺失等问题,提出基于贝叶斯网络的能见度数据推理技术。通过研究海域的确定、节点因子的选取、样本数据集的生成、推理模型的构建及参数学习和推理计算等流程,构建了基于贝叶斯网络技术的能见度数据推理模型,并以朝鲜海峡海域为例展开试验分析。结果表明:能见度具有年变化和年际变化特征规律,利用多年某月的数据作为训练样本推理该月的能见度等级具有较高的准确性,且相同样本形式下样本数据数量与推理结果准确性呈正相关。     

星载红外辐射计海上辐射校正方法研究

以FY-1D卫星的热红外通道为例,利用2003年黄东海海上试验站点及其周围海域对辐射校正原理进行了分析研究,包括对现场辐亮度的测量、星地光谱匹配、大气辐射传输计算、辐射校正系数获取等方面的研究。     

海雾卫星遥感监测研究进展

海雾导致能见度降低,给海上交通和海上作业造成极大威胁。卫星遥感是海雾监测不可或缺的重要技术手段。本文从海雾遥感监测的原理出发,首先介绍海雾的辐射特征和纹理特征,进而对近年来海雾遥感监测方面的研究进行回顾,包括海雾的识别探测研究和海雾物理特征量的反演研究,最后对海雾遥感监测中存在的一些问题进行了讨论。     

利用MODIS反演渤海地区的大气水汽含量

<正>大气可降水量对于研究水循环、气溶胶属性、气溶胶-云的相互作用、能量守衡以及气候有重要意义,同时大气中的水汽含量也是影响遥感应用的主要因素之一。MODIS是新一代"图谱合一"的光学遥感仪器,具有36个光谱通道,分布在0.4～14μm的电磁波谱范围内,MODIS仪器的地面分辨率分别为250m、500m和1000m,每隔一天或两天可以获得全球最新的数据。Gao等(1998)、Kaufman等(1990,1992)经过大量研究表     

基于MODIS与HJ-1多源卫星的上海海域溢油事故诊断

随着上海港海上运输业和石油产业链的日趋发达,海上溢油事故风险也随之加剧。本文就2012年发生在上海海域吴淞口和九段沙附近的2起重大溢油事故,基于美国NASA(National Aeronautics and Space Administration)中等分辨率MODIS(Moderate-resolution Imaging Spectroradiometer)与国产"环境一号"卫星HJ-1的多源卫星数据,对溢油信息进行对比,通过对油水敏感通道进行波段比值运算,突出油膜与背景海水的光谱反射率差异,再结合重柴油光谱特征,利用图像分割的阈值确定法,从疑似溢油区域中有效提取溢油信息,实现溢油区域定位、溢油面积和溢油量的诊断,为事发后海域应急响应工作提供基础性分析依据。     

青岛地面太阳总辐射变化特征及影响因子分析

利用青岛市2003年8月~2011年8月的太阳辐射观测资料及常规气象地面观测资料,采用双标图分析、相关分析等统计方法,研究了地面太阳总辐射的变化特征及其影响因子。结果表明:青岛地面太阳总辐射呈现春季最大,夏秋季次之,冬季最小的季节变化特征;大气透射率夏季最小,其他3个季节相差不大。双标图分析及相关分析表明:总云量、能见度及相对湿度是辐射的主要影响因子,其中总云量对辐射变化起重要作用,能见度次之,相对湿度的影响最小。云对辐射有强的衰减作用,且低云的影响相对中高云大;实际大气中相对湿度和能见度对辐射的影响主要反映在两因子对云量的影响上,排除云的影响后相对湿度和能见度对辐射的衰减相对小,且不同云量条件下表现不同,云量较大时透射率随着相对湿度和能见度的变化较为明显。青岛地面太阳辐射受风向影响明显,盛行风为东南风的情况下,大气透射率较盛行风为西北风的情况下要小,且冬、春、秋3季节的大气透射率受风向影响大,夏季受风向影响小。     

第七节 海雾

海雾是海洋上低层大气中的一种水汽凝结现象。由于雾中能见度低，海雾成为海洋运输、水产捕捞、海洋开发和海上军事活动等的一大障碍，是海洋上的一种灾害性天气。     

海洋表面大气下行辐射遥感估算

在海-气相互作用研究中,大气下行辐射的准确估算具有重要意义。在气象站点分布密集的地区,大气下行辐射可通过常规的仪器测量获取。但海洋表面布点成本高,维护比较困难,严重影响我们对海区辐射特征的认识和了解。遥感可提供良好的时空连续性和多层次数据,是研究大气下行辐射的有效手段。本文模拟了不同大气条件下海表的长波下行辐射,考虑到大气下行辐射不仅与所在层的大气有关,还受临近大气层的影响,我们通过增加大气水汽含量重新参数化大气比辐射率,改进Brutsaert模型,建立基于MODIS数据遥感估算海洋表面大气下行辐射的模型,并利用"中国近海海洋综合调查与评价"项目中黄海区观测的海-气通量观测资料对所提出的模型进行检验。结果表明,本文所改进的参数化模型在模拟数据中的均方误差(RMSE)为11.2 W/m~2;在实际数据验证中,RMSE为20.9 W/m~2;模型的精度基本达到了海-气作用研究中对瞬时大气下行辐射的精度要求。     

利用地物光谱仪数据研究水汽对太阳辐射的吸收

论文将在介绍太阳辐射衰减理论的基础上,利用地物光谱仪、太阳辐射计和臭氧监测仪测量所得到的海面入射的太阳直射辐射光谱数据及大气衰减数据,提出了一种研究水汽在近红外波段对太阳辐射吸收作用的新方法,利用该方法得到的水汽吸收系数与前人研究结果非常一致。在可见光波段,大气对太阳辐射的吸收主要体现为臭氧的吸收。在近红外波段,臭氧的吸收非常小,对大气起吸收作用的主要为水汽。     

WRF-Solar模式对山东太阳总辐射的模拟效果检验

利用专门为太阳能资源评估应用的 WRF-Solar数值模式系统,结合 MODIS 气溶胶光学厚度（AOD550 nm）数据,设置了5种山东区域总辐射模拟方案,使用山东济南、福山、吉县3个太阳辐射站总辐射观测数据,对晴天、阴天、雨天以及四季代表月等逐时总辐射模拟结果进行了对比检验。 结果表明：WRF-Solar数值模式对总辐射模拟能力在晴天和少云天最好,阴雨天较差,四季代表月中,天气过程较少的秋季和冬季模拟效果较好,春季次之,夏季相对较差;晴天和少云天、阴天和雨天以及不考虑天气过程的四季代表月所有日条件下,长、短波辐射方案分别采用RRTMG方案、new Goddard 方案,积云对流参数化方案均采用Grell 3D集合方案,同时使用AOD550 nm的气溶胶数据的总辐射模拟能力最强;WRF-Solar模式中加入 MODIS 气溶胶光学厚度资料后,山东区域晴天总辐射模拟结果明显改善,秋季、冬季代表月亦明显改善,但阴天和雨天总辐射模拟结果改善不明显,低能见度日总辐射模拟结果有所改善。     

珠江口二类水体MODIS 数据大气校正

以珠江口海域为主要研究区域,针对近岸二类水体近红外波段离水辐射为0的假设不再成立,导致MODIS标准大气校正算法中用于大气校正的两个近红外波段的气溶胶散射值的高估,引起可见光波段离水辐射值较实际值偏小,甚至出现负值的问题,研究了748,869 nm波段的气溶胶散射及离水辐射之间的关系,提出了珠江口二类水体MODIS数据的大气校正算法。通过与MODIS数据标准大气校正算法、基于短波波段的二类水体MODIS数据大气校正算法相比,表明珠江口二类水体MODIS数据的大气校正算法具有一定的优势。     

德州能见度与PM2.5、PM10和相对湿度的关系

为研究德州大气能见度与水汽和气溶胶的关系,利用2013年逐小时能见度、相对湿度、PM2.5和PM10浓度资料,对三者与能见度的关系进行分析。结果表明:能见度与相对湿度的线性相关最好,与PM2.5浓度的相关性次之;随着相对湿度、PM2.5和PM10浓度的增加,能见度明显降低。大气能见度与相对湿度、PM2.5和PM10浓度非线性相关系数明显高于线性相关系数。利用PM2.5和PM10浓度和相对湿度数据计算得到了非线性大气能见度拟合公式,经验证,该公式能较好地模拟德州大气能见度。     

原油红外光谱鉴别中的小波分析法

本文对渤海海上 2个不同区块所产原油的红外光谱进行小波分析 ,分别获得不同尺度下的光谱信息。通过观察比较不同尺度下的光谱信息 ,包括谱图的大体形状 (谱图的低频部分 )和特征峰信息 (谱图的高频部分 ) ,更好地对 2种原油进行了分辨 ,为提高用红外光谱法进行海上溢油鉴别的准确度探索出 1种新的方法     

可见光波段海面目标物的光谱对比度──Ⅰ．理论基础

对海面目标物的目视观察，其能见距离与观测方向、海面背景光谱辐射、目标物固有光谱辐射和大气分子及气溶胶的光学参数等因素有密切关系。本文从理论上分析各种因素的影响，特别是研究了海面背景辐射对目标物光谱对比度的作用。推导出不同观测方向下目标物光谱对比度的计算公式。作为例子，给出海面上黑色物体的光谱对比度公式，也给出海面目标“被隐蔽”的条件。     

水平能见度经验公式在青岛沿海地区的应用

利用青岛4 a的能见度观测资料和大气气溶胶光学参数反演资料检验了4种能见度经验计算公式的适用性。发现Koschmieder公式和乘幂公式能更好地刻画能见度和气溶胶光学厚度间变化趋势上的相关性,但是由于能见度观测的不确定性和气溶胶光学参数反演的不准确性导致的数据离散性,需要确定更有代表性的经验参数。利用最大发生频率原则确定不同光学厚度对应的能见度值,据此确定适合青岛的各经验公式的经验参数,最后利用MODIS光学厚度资料将乘幂经验公式应用到青岛附近沿海地区能见度的计算,发现春季和夏季的能见度低于其他季节。     

可见光波段海面目标物的光谱对比度：I.理论基础

对海面目标物的目标观察，其能见距离与观测方向，海面背景光谱辐射，目标物固有光谱辐射和大气分子及气溶胶的光学参数等因素有密切关系，本文从理论上分析各种因素的影响，特别是研究了海面背景辐射目标物光谱对比度的作用，推导了出不同观测方向下目标物光谱对比度的计算公式，作为例子，给出海面上黑色物体的光谱对比度公式，也给出海面目标“被隐蔽”的条件。     

直接同化卫星辐射数据的黄海海雾数值试验研究

基于中尺度大气模式WRF及其3DVAR.模块,采用循环3DVAR数据同化方案,针对6次明显的黄海海雾过程,实施了一系列直接同化ATOVS卫星辐射数据数值试验.在试验中设计了不同化任何观测数据、仅同化GTS常规数据、仅直接同化辐射数据,同时同化二者,以及同化不同疏密程度辐射数据的对比研究方案.利用地面水平能见度与卫星云图对模拟的海雾雾区进行了评估,并比较了各种同化方案所形成初始场的差异.对试验结果的统计分析表明:同化试验较好地再现了影响海雾的天气系统,模拟雾区与实际观测较为吻合,并且初始温度场和湿度场对比不同化任何观测数据的试验有明显的改善;仅同化辐射数据的结果略优于仅同化常规数据的结果,疏化或者只同化海上辐射数据几乎不影响模拟的雾区,但却可以大幅节约计算资源;同时同化常规数据与辐射数据的结果为单独同化它们所得结果的综合体现,总体效果最好.     

用垂向光学辐照度测量数据计算雾能见度的方法和验证

大气能见度是描述雾的重要物理参数。目前测量大气能见度是采用主动光源测量水平方向的可视距离,本文提出了用垂直方向测量的自然光光学数据计算能见度的方法,该方法通过测量两个不同高度上的谱辐照度,计算谱衰减系数,然后将自然光参数转换为标准光参数,按照大气能见度的定义计算能见度,形成了由垂向光学测量获取大气水平能见度的合乎规范的理论和实际可行的计算方法。在2016年5月5日,作者采用2台光学辐照度计(Trios)和1台能见度仪进行了9h的观测,获得了一个完整的雾生成和发展过程的观测数据,对本文提出的算法进行了检验。针对环境干扰因素可能导致虚报雾的情形,本项研究提出,先从光谱数据本身定性判断是否有雾,再通过本文提出的理论方法计算能见度。研究发现直射光和散射光在594和674nm的特异性,用归一化光谱之差作为判据,成为能见度是否小于2 000m的可靠判断方法。结果表明,光学观测的计算结果在能见度小于1 000m的均方根误差为173m,在能见度小于2 000m的均方根误差为471m。与通常使用的用550nm单一谱段衰减系数计算大气能见度的方法比较,精度有很大提高。尤其对于能见度小于2 000m的情形,与实测能见度有很高的一致性。用垂向光学辐照度观测结果计算能见度是可行的方法。