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。     

利用静止气象卫星监测沙尘暴

MODTRAN的理论模拟和实际卫星图象分析结果表明:分裂窗亮温差与11μm红外亮温的比值可以很好地反映弱沙尘的存在.当强沙尘出现时,借助于可见光、红外和水汽图象的光谱分类技术是监测沙尘暴的有效手段.作者首先介绍分裂窗处理技术和光谱分类技术,而后展示了国家卫星气象中心静止气象卫星沙尘暴自动监测精度的初步检验结果.     

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。     

2006年一次沙尘活动的卫星定量遥感和分析研究

针对MODIS监测的2006年3月我国新疆区域发生的一次沙尘活动,基于卫星红外窗区3通道(8.5、11和12 μm)方法,自动识别并同步物理反演了沙尘大气的光学厚度、粒子有效半径和垂直气柱沙尘总量,同时利用后向轨迹方法模拟计算的4种高度的气团轨迹对此次反演试验结果的合理性进行了分析和验证,结果表明两者相当一致.     

EOS—MODIS卫星资料在北疆大雾监测中的应用分析

根据雾与云、积雪、裸地等地表物在可见光、长波红外和中红外波段的反射及辐射特性差异,利用MODIS卫星多通道多光谱探测数据,采用最佳波段组合法和量化判识指标法,对2006年3月8日到10日北疆大雾天气进行判识检验试验和动态监测分析。结果:发现较利于雾与背景(地物、云、雪)分离的最佳波段是可见光B0.65μm和近红外B0.85μm、短红外B1.64μm、中红外B3.7μm、热红外B11μm,综合判识就可以将云、雾、雪、裸地有效的区分;雾在夜间的有效温度在中红外波段比热红外波段低,可采用中红外和热红外波段的组合方法,根据两通道的亮温差进行雾的监测。     

基于葵花8号新一代静止气象卫星的夜间雾识别

基于葵花8号新一代静止气象卫星的高时空分辨率多通道数据,利用3. 9μm与11. 2μm通道亮温差法(BTD3. 9～11. 2)和3. 9μm伪比辐射率法(ems3. 9)开展了中国地区夜间不同等级雾的识别,确定了各站点和网格点上对不同等级雾两种方法的参数最优阈值;并利用地面站点观测资料和CALIPSO星载激光雷达产品对陆地和海上雾的识别结果进行了验证。结果表明:(1)通道亮温差法和3. 9μm伪比辐射率法均可以较准确地识别出不同等级的雾,3. 9μm伪比辐射率法准确率略优;随能见度的下降,两种方法识别准确率都明显提升,虚警率明显下降。能见度小于50 m时,通道亮温差法(3. 9μm伪比辐射率法)识别雾的击中率HR、虚警率FAR和KSS评分分别为0. 89(0. 90)、0. 15(0. 15)和0. 74(0. 75)。(2)剔除云影响后,4个雾等级下两种方法对雾识别的HR和KSS评分均有明显提升,FAR均有明显下降。能见度小于1 000 m时,剔除云后通道亮温差法(3. 9μm伪比辐射率法)的HR由0. 71(0. 74)提高到0. 81(0. 85),FAR由0. 27(0. 28)降低到0. 12(0. 13),KSS评分由0. 44(0. 46)提高到0. 69(0. 72),KSS评分提高0. 23(0. 26)。(3) 3个个例分析表明,基于通道亮温差法、3. 9μm伪比辐射率法以及RGB合成图均可清晰识别出大部分雾区,雾区和非雾区的BTD_(3. 9～11. 2)(ems_(3. 9))差异明显,强浓雾区BTD_(3. 9～11. 2)(ems_(3. 9))约为-5℃(0. 75);基于葵花8卫星海雾的识别结果与CALIPSO星载激光雷达VFM反演产品一致。     

FY-4A资料在乌鲁木齐机场浓雾天气监测中的初步应用

利用FY-4A多通道扫描成像辐射计(AGRI)所生成的多通道图像及L2级卫星云产品数据,结合地面观测实况资料,对2019年1月25—26日和3月17—18日发生于乌鲁木齐国际机场的两次持续性浓雾天气进行分析,结果表明:对于浓雾的监测,白天综合使用通道3(BD_(0.83μm))、通道6(BD_(2.2μm))、通道8(BD_(3.725μm))和通道12(BD_(10.8μm))能很好地显示雾区范围、雾顶云结构、雾区温度等特征,且云图能很好地表现雾的消散。夜间可以结合BD_(10.8μm)和BD_(3.725μm)的差(以下简写为BTD_(10.8μm-3.725μm))和BD_(10.8μm)图像,用于识别夜间雾区,BTD_(10.8μm-3.725μm)通道亮温差越大说明雾的浓度越强。FY-4 A卫星云顶高度和云分类产品对雾的微物理特征结构反应更为细致,对于夜间大雾监测有较好的效果,能够弥补可见光通道1～通道3、短波红外通道(BD_(2.2μm))和中波红外通道(BD_(3.725μm))仅能在白天使用的不足。     

双波段大气向下红外辐射云遥感数值模拟

为了将卫星多通道遥感技术应用到地基测云红外遥感中,利用SBDART(平面平行辐射传输模式)模式对双波段(10.3～11.3μm,11.5～12.5μm)大气向下红外辐射进行计算。分析了双波段辐射亮温差的特点,讨论了不同能见度、不同天空状况对两通道亮温差的影响,同时将利用实际测量的亮温差值所判断出来的天空状况与实际天空状况进行了对比。结果表明,在能见度较好时天顶方向辐射率变化比天边方向明显;在高能见度时一定天顶角范围内,可以利用不同天空状况亮温差不同的特点对云进行识别。     

利用MODIS卷云通道对长江中游一次大雾过程的监测

利用MODIS卫星通道的红外特征,对2009年1月8—11日长江中游地区的一次大雾过程进行了分析。结果表明,由于云、雾、地表所处高度不同,位于水汽的强吸收带的MODIS卷云通道(1.38μm),在辐射传输过程中对水汽吸收的程度有一定的差异,从而导致MODIS接收到这些目标物的反射率差异较明显。其中雾与地表在1.38μm波段的反射率近似相等,而与云则有明显的差别。另外,通过31波段与20波段辐射亮温差的光谱廓线分析,发现云雾的亮温差要明显小于地表。     

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。     

利用NOAA卫星AVHRR资料分析云的性质

文章利用NOAA卫星AVHRR的通道3（3.55～3.93 μm）、通道4（10.3～11.3 μm）和通道5（11.5～12.5 μm）所在波长上的亮温（BT3,BT4,BT5）以及它们之间的亮温差（BTD34,BTD45）,分析云的性质。分析表明:对于密蔽的云和无云区,通道间亮温差有极小值,在密实的云区BTD34可出现负值;当存在半透明云时,通道间亮温差大;云与背景地面之间温差点聚图的振幅越大,通道间亮温差越大。     

葵花8号卫星在白云机场一次强对流冰雹中的监测应用

针对2019年2月21日强对流冰雹过程,采用广东省多普勒雷达拼图的组合反射率因子资料作参考真值,分别利用葵花8号卫星资料的11.2μm通道与7.0μm通道亮温差拟合和11.2μm通道、7.0μm通道分段拟合对雷达回波进行反演,发现在强对流(回波强度≥35 dBZ)识别上,11.2μm通道、7.0μm通道分段线性拟合比亮...     

NOAA卫星沙尘暴光谱特征分析及信息提取研究

通过对2000—2002年多次沙尘暴过程NOAA卫星AVHRR资料的分析,研究了沙尘、云、沙漠、戈壁、积雪、裸地、植被等不同目标物的光谱特性,发现沙尘暴在AVHRR-2中各通道均有不同程度的反映。1,2通道中沙尘的反射率较高(介于云和沙漠之间);4,5通道的亮温低于晴空地表高于云;在3通道中沙尘表现的很独特,其亮度温度为所有研究目标物中最高的,表明通道3包含较多的沙尘信息,AVHRR-3取代AVHRR-2后对监测沙尘有不利影响。在此基础上提出定量提取沙尘信息的两种沙尘判识指数,并利用沙尘判识指数成功地提取多次沙尘暴过程的沙尘信息。结果表明：利用多通道组合沙尘判识指数能够对沙尘信息进行有效提取。     

地形云人工增雨条件卫星探测反演个例分析

选取2007年6月21日陕西白于山区地形云降水过程,用极轨卫星资料反演高空间分辨率的云微物理特征.对云降水物理结构分析表明:(1)山前云区(迎风坡)云顶亮温(T)为-31℃,粒子有效半径(Re)为9μm,含有丰富过冷水,缺乏冰晶;(2)T=-20℃的低云在有高云参与的情况下,产生了较多的降水;(3)山前云区面积约400...     

热红外通道沙尘识别及敏感性分析

沙尘识别是沙尘灾害监测和沙尘气溶胶特性研究的首要工作。利用辐射传输方程进行了沙尘气溶胶的辐射计算，对不同沙尘气溶胶光学厚度下的热红外通道温差ΔT（T_11μm-T_12μm）的变化进行了分析，并针对水汽和陆地表面温度进行了敏感性分析。发现随着沙尘气溶胶光学厚度的增加，ΔT逐渐减小。理论分析表明，利用热红外通道的温度差ΔT进行陆地沙尘识别是可行的。进一步，利用NOAA-AVHRR热红外通道的温度差ΔT < 0进行了3次陆地沙尘识别，经与地面气象站观测的沙尘天气现象相比较，结果基本一致。     

基于卫星云参数监测产品的贵州冰雹云指标分析

利用2018年贵州省12个冰雹个例资料,基于CPAS系统统计分析了冰雹个例的云顶高度、云顶温度、云有效粒子半径、云光学厚度、黑体亮温等卫星云监测产品的特征参数及其时间变化。结果表明:发生冰雹时回波云顶高度均在9 km以上,云顶温度均在-25℃以下,液水含量均在800 mm以上,云光学厚度均在40以上,发生冰雹时有效粒子半径大部分均在40μm以上,当Tbb达到-50℃且半小时内保持不变,对流云团对应的区域即将发生降雹,可考虑将其作为贵州省即将出现降雹的卫星监测指标判据。     

一次过冷层状云催化云迹微物理特征的卫星遥感分析

利用卫星反演技术,通过卫星观测到的一次人工增雨催化作业后形成的云迹线个例,分析了云迹线与其周围云的光谱特征、亮温、亮温差、云顶粒子有效半径等云微物理特征,比较了它们之间的差异,揭示了这次过冷层状云催化的微物理效应。云迹实际上是持续时间超过80 min、宽和深分别约为14 km和1.5 km的云谷。云迹周围的云顶粒子有效半径为10—15μm,而云沟内的粒子在15—24μm变化。周围云体由过冷滴组成,中间可能夹杂了一些低浓度的冰粒子,云沟内云的主要成分是冰。和周围未被催化的云相比,0.6μm通道的光谱反射率,在云沟处有明显的增加,而3.7μm通道反射率在云沟内是降低的,尽管其绝对变化幅度不大,但其相对变化幅度较大。随着播云时间的增加,云沟深度、宽度逐渐增加,云沟内和周围云体的温差逐渐增加,对通道4和5而言,在最早催化部位,最大分别达到4.2℃和3.9℃,4和5通道之间云沟内的亮温差也是随冰晶化时间的增加而增加,最大为1.4℃,而云沟周围云为0.2—0.4℃。云沟的形成、云沟内云顶温度的增加和4,5通道之间亮温差的增加,都足以说明被播云体变薄,其原因是由于云顶降水使得云内的水流失,云顶下降。云顶冰晶化、冰粒子增长成降水造成云顶下沉,是云沟形成的主要原因。对于本次播云作业,晶化作用在播云22 min后逐渐显现。在播云后38—63 min,有新的水云在云沟的中间部位生成,可能是由于冻结潜热释放引起的上升运动所致。而新生水云在形成较早的云迹中没有出现,这些较早形成的云迹在80多分钟的整个观测期间持续扩散。最终,在周围云从外向云沟内的扩散过程中,云沟开始消散。     

利用卫星分析对流云成冰能力与繁生机制及气溶胶影响

为了进一步了解复杂的对流云冰相过程和气溶胶的成冰作用,利用多源卫星反演得到深厚对流云晶化温度(Tg)和-5℃有效半径(re-5),结合气溶胶分类和光学厚度,通过中国及周边141个个例统计分析结果表明:(1)污染气溶胶与沙尘具有相当成冰能力,当re-512μm时,随气溶胶光学厚度的增加Tg变暖,成冰能力增强;(2)当re-5≥12μm时,气溶胶使滴径减小,减弱冰晶繁生作用,从而降低云成冰能力;(3)对洁净海洋对流云而言,冰晶繁生机制为主要成冰机制,而大陆性对流云繁生作用仅占20%。     

用极轨气象卫星资料分析飞机增雨云层条件

综合应用NOAA卫星AVHRR／3和FY-1极轨气象卫星高分辨0．58～0．68μm可见光、1．58～1．64μm近红外和10．3～11．3μm红外多通道资料,充分考虑了云的厚度、云中粒子尺度和云顶亮温的信息,给出了适宜飞机增雨作业云层的卫星遥感判据,建立了云层作业条件分析模型。实际应用表明,卫星遥感分析图可以有效地监测、判识和分析云层的增雨作业条件,应用效果好,可作为飞机增雨航线设计、作业决策的重要依据。通过增雨个例的微波图像特征分析,初步分析了AMSU—B微波图像在人工增雨作业中的作用和应用前景。     

EOS/MODIS资料在陕西自然灾害监测中的应用

1　沙尘天气监测　　在形成沙尘暴的各种主要沙尘微粒中,粒径大于11μm的是小于1μm的3～5倍。在利用卫星遥感监测沙尘暴中,主要应考虑大粒子沙尘的光学和辐射传输特性。沙尘粒子在不同光谱区间有不同的尺度参数,而且粒子半径越大,其尺度参数越大,散射能量越向前集中,吸收消光也同时增加,散射比下降;天空中大粒子浮尘增多时,光线被强烈吸收,能见度则急剧下降。根据沙尘和大粒子气溶胶的散射和辐射特性,以及MODIS数据较宽的光谱范围和空间覆盖度以及随时间变化的资料连续覆盖的特点,可以看出MODIS更适合对地球大气、海洋和陆地进行表面特…