[發明專利]基于多光譜氣象衛星信息的海霧全天時全天候反演方法

有效

• 申請號: 201310167706.2
• 申請日: 2013-05-08
• 公開（公告）號: CN103293084A
• 公開（公告）日: 2013-09-11
• 發明（設計）人: 郁凡;朱慶;陸菁
• 申請（專利權）人: 南京大學
• 主分類號: G01N15/06
• 分類號: G01N15/06;G01W1/00
• 代理公司: 江蘇永衡昭輝律師事務所 32250
• 代理人: 王劍

技術領域

本發明涉及一種基于多光譜氣象衛星信息的海霧全天時全天候反演方法，屬于海霧研究領域。

背景技術

海霧，特別是范圍廣、濃度大、持續時間長的海霧對船只航行、漁業生產、沿岸城市的環境，甚至是軍事造成了巨大的影響。在海霧發生區域，海面能見度低，對港口作業、航行中的船只造成了嚴重的安全隱患。據青島海事局不完全統計，2000～2003年海上船舶碰撞或擱淺事故中，50%左右與海霧有關。海霧發展成熟時通常會延伸至陸地，同樣對沿岸的交通運輸以及社會經濟活動造成威脅。海霧與陸地霧的不同之處在于海霧的部分凝結核為鹽晶（鹽晶通過海洋中揮發或經過浪花泡沫飛濺出來的的鹽分凝結而成），這類凝結核易在海濱城市輸電線路的絕緣瓷瓶上堆積，長期的累積會導致斷電事故，從而對海濱城市的用電產生不利的影響。海霧的發生降低了低層的空氣質量，成為當今社會一種普遍的空氣污染成因，同時渾濁的空氣會導致農產品的病變，導致農產品產量和質量降低。

海霧的研究方法主要有以下幾種：（1）海霧的天氣氣候學研究；（2）海霧的年際變化；（3）海霧的數值研究；（4）海霧衛星遙感實時監測技術研究；（5）海霧微物理研究?？傮w說來，可以分為兩大類，即傳統方法和衛星遙感監測方法。

傳統的海霧研究方法主要是利用安裝在海洋上的自動站或者人工站點的探測儀器，獲得海上大氣物理量數據，從而實現對海霧的監測研究。但是，海上站臺分布地區及數量有限，并且夜間無法獲得能見度資料，這使海霧的常規觀測受到極大限制。相比之下，可進行大面積同步監測的衛星遙感方法的優越性就比較明顯了。

衛星遙感監測方法最早是在1974年由Gurka等人提出，其最早提出了使用衛星資料監測霧的生成發展狀況。隨后其他研究者也對此做過一些研究改進，但由于受到早期氣象衛星設備的制約，海霧，尤其是夜晚海霧的識別一直沒有取得實質性進展。直到1997年，LEE等提出使用GOES-8-9衛星3.9μm和10.7μm的雙通道組合表征夜間霧的光譜特性，并取得了較好的效果。2003年，Myoung-HwanAHN等(2003)首次提出了晴空合成圖的概念，并將其運用到海霧研究中，得到了較好的結果。具體做法是獲取海霧發生當天，以及前后各兩天（總共五天，120時次）GMS5衛星11μm波段的海區亮溫數據資料，采用時空結合的方法將120個時次中可信的晴空像素點采集出來，并用統計學的方法將同一像素點的眾多可信亮溫值進行計算，從而得到海表晴空溫度底圖。這樣一來，海霧霧頂的紅外亮溫閾值就受到了下墊面局地差異的約束，使海霧判識更加精準。但其忽略了海表的熱力狀況隨晝夜變化存在差異，且此方法得到的晴空合成圖時間分辨率僅為一天，無法滿足白天和夜晚海霧的分時段監測需要。除此之外，該方法僅使用了單一光譜特征來識別霧區，不足以體現晴空合成圖的優勢。

衛星遙感監測海霧研究在我國也取得了一定進展。2005年，鮑獻文等提出了利用霧的光譜特性，在白天使用靜止衛星GMS5遠紅外通道11μm和可見光通道的資料組合，夜晚則使用極軌衛星NOAA/AVHRR的遠紅外通道11μm和中紅外通道3.9μm的資料組合，以此雙光譜特征組合對霧區進行識別。此方法的實例驗證表明，對于白天的霧，可以通過該法得到較好的識別，但由于該法忽略了在11μm通道上，高緯地區海表亮溫值低于低緯地區海表亮溫值，容易與低緯度地區霧頂亮溫值發生混淆，故無法很好地表征霧區在11μm波段真正的光譜特性。而在夜晚，由于使用NOAA/AVHRR代替缺少中紅外波段的GMS5，使得逐時次監測無法實現。2006，錢峻屏等使用MODIS1B的光譜范圍0.4μm-14μm，分辨率1km的資料，并且利用其光譜范圍劃分細致的特點(36個光譜)，提取了反映霧區光譜特點的多個通道的光譜特征，并建立了MODIS多光譜數據與能見度的函數關系式，為霧區的判別提供了可靠的依據。傅剛等(2007)使用了GOES-7的可見光云圖資料作為霧區存在和發展的判據，表明GOES的可見光云圖可清晰表征霧區，可將其作為白天霧區識別的重要參照。梁益同(2008)使用了中國氣象衛星FY1D資料，提出FY1D霧區的可見光通道反照率介于0.2-0.48之間；通道4亮溫值介于272K-289K之間，并且與地面實測站點的溫度之差不超過6K。該方法的創新之處在于引入了地面實測站點的溫度，可將其做為約束霧區紅外閾值的重要參考。但由于與陸地相比，海面實測站點的分布稀少，遠遠無法滿足監測海霧的需求，因此該方法在海上的運用仍是一個難題。

發明內容