靜止氣象衛(wèi)星的夜間沙塵判識(shí),一直是沙塵遙感監(jiān)測的一大難題。FY-2、MTSAT-2等前一代靜止氣象衛(wèi)星,紅外通道數(shù)量較少,難以監(jiān)測夜間的沙塵。目前新一代靜止氣象衛(wèi)星FY-4、Himawari-8已經(jīng)發(fā)射,與前一代衛(wèi)星MTSAT-2相比,新一代衛(wèi)星的時(shí)間、空間分辨率有了明顯提升,更為重要的是,紅外通道的數(shù)量從4個(gè)增加到8個(gè)/10個(gè),紅外通道的大幅增加,給沙塵全天候判識(shí)帶來了可能。本次研究希望充分利用FY-4、Himawari-8的紅外數(shù)據(jù),僅用紅外通道實(shí)現(xiàn)沙塵的全天候判識(shí)。本文首先對(duì)沙塵監(jiān)測的物理原理進(jìn)行了分析,具體包括沙塵自身的輻射特性、衛(wèi)星光譜通道設(shè)計(jì)對(duì)沙塵判識(shí)的影響等,然后通過MODTRAN輻射傳輸模式進(jìn)行了敏感性分析,模擬沙塵濃度和地表溫度的變化對(duì)沙塵判識(shí)參數(shù)的影響。除了對(duì)沙塵的分析外,本文進(jìn)一步結(jié)合衛(wèi)星實(shí)測數(shù)據(jù),比較了沙塵和云/晴空地表的光譜差異。根據(jù)這些分析得到的結(jié)論如下:衛(wèi)星的光譜通道的設(shè)計(jì)會(huì)影響沙塵判識(shí)。如果衛(wèi)星儀器的12μm通道過寬,覆蓋水汽吸收較強(qiáng)的波長時(shí),參數(shù)BT11-BT12會(huì)對(duì)沙塵不敏感。Himawari-8就有這樣的問題,所以聯(lián)合BT11-BT12和BT10-BT11共同進(jìn)行沙塵判識(shí),這兩個(gè)參數(shù)在一定程度上可以互為補(bǔ)充。另外在分析光譜特征時(shí),發(fā)現(xiàn)有一些云區(qū)和沙塵區(qū)的亮溫差值比較接近。所以判識(shí)沙塵前,需要進(jìn)行云濾除,以免將云區(qū)誤判為沙塵區(qū)。對(duì)于新一代靜止衛(wèi)星來說,水汽通道的增加,對(duì)沙塵和云的區(qū)分更有優(yōu)勢。在上述原理分析的基礎(chǔ)上,構(gòu)建了一套沙塵全天候判識(shí)算法,在文中詳述了算法的構(gòu)建過程,包括判識(shí)參數(shù)的選擇、白天和夜間的界定、沙塵判識(shí)閾值的確定等。最后選取了三次典型的沙塵事件,對(duì)本文方法得到的沙塵判識(shí)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。對(duì)地基驗(yàn)證進(jìn)行分析時(shí)發(fā)現(xiàn),在夜間地面氣象站數(shù)據(jù)較少,不足以驗(yàn)證衛(wèi)星判識(shí)的結(jié)果,所以聯(lián)合地面氣象站和PM10共同構(gòu)建了一套地基驗(yàn)證數(shù)據(jù)。之后進(jìn)行了判識(shí)結(jié)果的比對(duì)和校驗(yàn),首先結(jié)合一個(gè)沙塵案例,將本文結(jié)果與FY-2沙塵產(chǎn)品進(jìn)行了對(duì)比,發(fā)現(xiàn)本文結(jié)果與地基校驗(yàn)數(shù)據(jù)更為匹配,判識(shí)精度更好。另外也結(jié)合三次典型事件,將本文結(jié)果和地基驗(yàn)證數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果發(fā)現(xiàn)無論在白天和夜間,衛(wèi)星判識(shí)結(jié)果和地基觀測數(shù)據(jù)都具有較好的一致性,這一方面說明了通過靜止氣象衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)全天候沙塵監(jiān)測的可行性,另一方面也說明了算法具有一定的普適性。
【學(xué)位單位】：中國氣象科學(xué)研究院
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：P407
【部分圖文】：

區(qū)分沙塵和其它目標(biāo)物的根本依據(jù)。在一幅遙感影像中準(zhǔn)確判識(shí)沙塵區(qū)域，首先要對(duì)沙塵的物理性質(zhì)有一的輻射特性、沙塵粒子譜分布等等。其中尤為重要的是沙塵的輻射特同通道上的吸收和散射特性不同。所以在出現(xiàn)沙塵時(shí)，與晴空條件相道的亮溫值會(huì)有差異，這是在遙感影像上識(shí)別沙塵區(qū)的依據(jù)。研究首先基于 HITRAN（High-resolution Transmission Molecular 數(shù)據(jù)庫，對(duì)沙塵的吸收和散射特性進(jìn)行了分析。HITRAN 數(shù)據(jù)庫中 Ast Like 型氣溶膠的復(fù)折射指數(shù)(Massie and Hervig, 2013)如圖 1 所示。波長在紅外范圍時(shí)，沙塵的吸收和散射性質(zhì)會(huì)隨波長發(fā)生變化。我們外大氣窗區(qū)的特性，因?yàn)榇髿獯皡^(qū)范圍內(nèi)，水汽和二氧化碳吸收作用監(jiān)測非常有利。圖中的結(jié)果顯示，在波長范圍為 10-12.5μm 的紅外大氣增加，沙塵的散射和吸收作用逐漸減弱。因此在沙塵出現(xiàn)時(shí)，與晴空條的 10.4μm 通道的亮溫值（BT10）、11.2μm 通道的亮溫值（BT11）、1（BT12），會(huì)在整體上呈現(xiàn)出 BT10<BT11<BT12 的特點(diǎn)。這一特征也發(fā)生的依據(jù)。

圖 2. 2 Himawari-8 的 AHI 和 MODIS 光譜響應(yīng)函數(shù)對(duì)比圖FY-4 光譜響應(yīng)分析 的 AGRI 光譜通道設(shè)置與 Himawari-8 的 AHI 有一定差異，會(huì)在一定識(shí)參數(shù)的選取。所以本次研究將 Himawari-8 和 FY-4 的光譜響應(yīng)函數(shù)旨在為后續(xù)沙塵判識(shí)算法的構(gòu)建提供理論依據(jù)。Himawari-8 和 FY-4圖 2.3 所示。中可以看出，在對(duì)沙塵判識(shí)較為重要的大氣紅外窗區(qū)通道上，F(xiàn)Y-4 的要寬于 Himawari-8。但 FY-4 的 12μm 通道帶寬要窄于 Himawari-8，小，對(duì)于沙塵的判識(shí)較為有利，僅從光譜通道的設(shè)置上來看，F(xiàn)Y-4 的 B的敏感性應(yīng)優(yōu)于 Himawari-8。Y-4 和 Himawari-8 相比，缺少了一個(gè) 10.4μm 通道。從沙塵的物理特道在沙塵判識(shí)上應(yīng)該可以起到一定作用。缺少了這個(gè)通道，對(duì)于 FY有遺憾的。但 FY-4 的 BT11-BT12 比 Himawari-8 更加敏感，通過充分通道的特性，或許可以在一定程度上彌補(bǔ)缺少 10.4μm 通道所帶來的

圖 2. 3 Himawari-8 的 AHI 和 FY-4 的 AGRI 光譜響應(yīng)函數(shù)對(duì)比圖塵的敏感性分析地表亮溫日變化規(guī)律分析天之中，地表亮溫會(huì)隨時(shí)間發(fā)生變化，衛(wèi)星觀測的亮溫值，還有基于識(shí)參數(shù)值也會(huì)隨之發(fā)生變化。也就是說地表溫度的變化，會(huì)使沙塵判所以在沙塵判識(shí)時(shí)，不能在全天使用同樣的沙塵判識(shí)閾值，本節(jié)對(duì)地律進(jìn)行了分析，為后續(xù)進(jìn)一步定量評(píng)估地表溫度對(duì)沙塵判識(shí)的影響作析地表亮溫變化規(guī)律時(shí)，需要選擇晴空數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)源。如果大氣中時(shí)，由于云頂和沙塵頂?shù)母叨容^高、溫度較低，所以衛(wèi)星觀測的亮溫時(shí)的亮溫。使用這樣的數(shù)據(jù)分析亮溫日變化時(shí)，數(shù)據(jù)會(huì)不斷起伏震蕩亮溫的變化規(guī)律。所以本次研究通過 Himawari-8 的晴空合成數(shù)據(jù)，來變化規(guī)律。其中 Himawari-8 的晴空合成數(shù)據(jù)，以 11.2μm 通道最大亮近 10 天 Himawari-8 的實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行合成得到的，是一個(gè)相對(duì)晴空的數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)源，進(jìn)行了日變化的分析。
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