靜止氣象衛(wèi)星的夜間沙塵判識,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個增加到8個/10個,紅外通道的大幅增加,給沙塵全天候判識帶來了可能。本次研究希望充分利用FY-4、Himawari-8的紅外數(shù)據(jù),僅用紅外通道實現(xiàn)沙塵的全天候判識。本文首先對沙塵監(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)計對沙塵判識的影響等,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沙塵判識參數(shù)的影響。除了對沙塵的分析外,本文進(jìn)一步結(jié)合衛(wèi)星實測數(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)計會影響沙塵判識。如果衛(wèi)星儀器的12μm通道過寬,覆蓋水汽吸收較強的波長時,參數(shù)BT11-BT12會對沙塵不敏感。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,這兩個參數(shù)在一定程度上可以互為補充。另外在分析光譜特征時,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)。對于新一代靜止衛(wèi)星來說,水汽通道的增加,對沙塵和云的區(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算法,在文中詳述了算法的構(gòu)建過程,包括判識參數(shù)的選擇、白天和夜間的界定、沙塵判識閾值的確定等。最后選取了三次典型的沙塵事件,對本文方法得到的沙塵判識結(jié)果進(jìn)行驗證。對地基驗證進(jìn)行分析時發(fā)現(xiàn),在夜間地面氣象站數(shù)據(jù)較少,不足以驗證衛(wèi)星判識的結(jié)果,所以聯(lián)合地面氣象站和PM10共同構(gòu)建了一套地基驗證數(shù)據(jù)。之后進(jìn)行了判識結(jié)果的比對和校驗,首先結(jié)合一個沙塵案例,將本文結(jié)果與FY-2沙塵產(chǎn)品進(jìn)行了對比,發(fā)現(xiàn)本文結(jié)果與地基校驗數(shù)據(jù)更為匹配,判識精度更好。另外也結(jié)合三次典型事件,將本文結(jié)果和地基驗證數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。結(jié)果發(fā)現(xiàn)無論在白天和夜間,衛(wèi)星判識結(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)確判識沙塵區(qū)域，首先要對沙塵的物理性質(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，與晴空條件相道的亮溫值會有差異，這是在遙感影像上識別沙塵區(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，沙塵的吸收和散射性質(zhì)會隨波長發(fā)生變化。我們外大氣窗區(qū)的特性，因為大氣窗區(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，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），會在整體上呈現(xiàn)出 BT10<BT11<BT12 的特點。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，會在一定識參數(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，在對沙塵判識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，對于沙塵的判識較為有利，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 10.4μm 通道。從沙塵的物理特道在沙塵判識上應(yīng)該可以起到一定作用。缺少了這個通道，對于 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，地表亮溫會隨時間發(fā)生變化，衛(wèi)星觀測的亮溫值，還有基于識參數(shù)值也會隨之發(fā)生變化。也就是說地表溫度的變化，會使沙塵判所以在沙塵判識時，不能在全天使用同樣的沙塵判識閾值，本節(jié)對地律進(jìn)行了分析，為后續(xù)進(jìn)一步定量評估地表溫度對沙塵判識的影響作析地表亮溫變化規(guī)律時，需要選擇晴空數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)源。如果大氣中時，由于云頂和沙塵頂?shù)母叨容^高、溫度較低，所以衛(wèi)星觀測的亮溫時的亮溫。使用這樣的數(shù)據(jù)分析亮溫日變化時，數(shù)據(jù)會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 的實測數(shù)據(jù)進(jìn)行合成得到的，是一個相對晴空的數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)源，進(jìn)行了日變化的分析。
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