基于动态背景场沙尘覆盖度指数的Himawari-8沙尘判识及强度估算方法

针对沙尘遥感监测开展的研究很多,但对于一些强度较弱的沙尘,在不同地表状态下呈现的复杂状况,传统方法识别效果较差。采用Himawari-8卫星数据,提出一种针对性的识别方法,基于动态亮温差底图引入了沙尘覆盖度指数(fractional dust cover index,FDCI)。该指数在一个较确定范围内对不同强度沙尘都可进行有效判识,并能提升弱沙尘识别效果。在此基础上构建了基于指数判识结果的沙尘强度指数(enhanced dust intensity index,EDII)估算方法。文中列举了4次沙尘过程的判识结果,并结合地面观测数据进行了验证。其中对2017年5月3日沙尘强度的地面验证表明,位于观测区的27个站中有22个站的地面观测沙尘强度与估算结果一致。对于各种地表及强度条件下的沙尘监测,该方法是对分裂窗亮温差法的有效改进。

蒙古高原春季沙尘暴分布数据集(2000-2021年)

蒙古高原是亚洲沙尘暴多发源地之一,其中蒙古国的戈壁地区及内蒙古西部的沙漠地区与蒙古国和中国近年多发的沙尘暴事件有密切的关系。本研究首先基于沙尘暴相关气象观测资料和新闻事件文本资料,统计整理获得蒙古高原2000-2021年来春季发生的76次沙尘暴事件。下载对应时空区域的MODIS数据,结合云量等对数据进行筛选处理,在ENVI软件中利用MRTK插件对MODIS数据进行几何校正等预处理。构建沙尘暴探测指数DSDI,提取沙尘空间分布信息,得到蒙古高原沙尘暴分布数据集。结合ArcGIS软件随机选取验证点,结合台站记录、文本数据、图像增强、目视解译等获取验证点真值,从而完成精度评价,总体分类精度达85.24%,Kappa系数为0.7636。本数据集直观反映蒙古高原沙尘暴空间分布状况,可为蒙古高原沙尘暴灾害治理提供详实可靠的数据支持,与此同时,还可为管控蒙古高原沙尘暴灾害风险提供决策支持。

几种沙尘指数在内蒙古地区的应用效果对比:以2021年3月沙尘事件为例

及时准确提取沙尘天气范围及强度信息是量化沙尘天气影响的重要基础。以2021年3月15日沙尘暴为例,基于MODIS数据,采用亮温差指数(brightness temperature difference,BTD)、归一化沙尘指数(normalized difference dust index,NDDI),以及两种指数的不同耦合方法,提取并分析了此次沙尘事件内蒙古地区沙尘影响范围,探究更为适用的沙尘提取算法。结果表明,单独采用BTD和NDDI算法提取沙尘信息的精度分别为61.51%和42.16%,将两种方法耦合后提取精度可达90.83%,耦合指数在区分沙尘与云层、沙漠、陆地等方面效果有明显提高。此次沙尘事件内蒙古地区覆盖范围为12.77~84.30万km^(2)。建议今后提取沙尘信息时耦合亮温差指数及归一化沙尘指数,使得监测效果更好。

用气象要素确立的当地发生沙尘暴的可能性指数

本文利用甘肃省60 个测站1954-2005 年间春季17 个气象要素处于不同大小等级时沙尘暴发生的频率,有效建立了表征和判断某日沙尘暴发生可能性的气象指数,并据此给出判断某日沙尘暴能否发生的气象判据,为预报沙尘暴和填补历史资料提供了一条新途径。分析表明:一般而言,要素与沙尘暴的关联程度越大,其对沙尘暴事件能否发生的影响强度也越大;各要素与沙尘暴的关联程度及其对后者的影响强度具有明显的区域性差异;就全省而言,所研究要素中最大风速、风速、最大风速风向、日照时数、蒸发量、相对湿度、最小相对湿度、最低气压以及水汽压与沙尘暴的关联程度最大,它们对沙尘暴的影响强度也是最大的。

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（8～12μm）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。

河西走廊沙尘活动对兰州PM_(10)浓度的影响及其评估

通过分析2001—2005年河西走廊沙尘活动对兰州PM10浓度的影响并对其进行评估,得出如下结论:兰州的PM10浓度具有双峰值特征,两个峰值分别出现在冬半年的12月和3月,河西沙尘发生次数呈单峰型变化,峰值出现在4月,达到9.8次,对比两者的变化可知,河西沙尘活动的峰值对应春季兰州PM10浓度的次高峰。研究认为冬季特殊边界层条件是造成兰州PM10浓度高峰值的主要原因;春季河西沙尘发生次数与同期兰州PM10浓度呈显著正相关,沙尘暴活动的多发对应兰州PM10浓度次峰值。沙尘指数的定量分析认为,兰州年度(3月,4月)PM10浓度的16.4%(32.0%,47.1%)与河西走廊沙尘活动的影响有关系;兰州年度(3月,4月)PM10质量浓度中的8.8%(13.9%,23.1%)是河西走廊沙尘活动向兰州输送PM10颗粒的结果;河西走廊的沙尘活动能使兰州沙尘影响日PM10浓度增加数倍。河西走廊沙尘活动在不同时间段的影响程度不同。

MODIS沙尘暴判识方法与业务系统

为了利用MODIS资料对沙尘暴的范围和强度进行定量判识,应用2002—2004年多次MODIS资料,通过对沙尘暴、云、雪和沙漠光谱特征的分析,构建了定量判识沙尘暴范围和强度的两个沙尘指数。利用2002—2007年数次沙尘暴过程对沙尘指数的判别效果进行检验,表明构建的两个MODIS沙尘指数能够有效地监测沙尘暴的范围和强度,且方法简单,适用于业务应用。针对目前西北沙尘暴遥感监测业务服务以定性图像为主,服务产品较为单一的问题,对MODIS沙尘暴判识方法进行业务化,并结合GIS进行沙尘暴影响范围的分析,开发研制了自动运行的MODIS沙尘暴监测和影响评估业务系统。系统具生成沙尘暴MODIS影像图、沙尘暴范围和强度遥感监测图、沙尘暴影响土地类型图、全国各省(直辖市)沙尘面积统计表、全国不同土地类型沙尘暴影响面积统计表、甘肃省各县沙尘暴的影响面积统计表和甘肃省不同土地类型沙尘影响面积统计表等功能,为沙尘暴定量和精细服务提供了丰富的产品。

静止与极轨气象卫星监测沙尘的融合算法研究

为了综合应用静止气象卫星与极轨气象卫星沙尘监测的结果,更好地进行沙尘信息的判识,采用改进的证据理论方法,进行静止卫星FY-2D/2E红外差值沙尘指数(infrared difference dust index,IDDI)产品与极轨气象卫星FY-3A沙尘强度指数(dust strength index,DSI)沙尘监测产品的融合处理,划分沙尘发生过程中的有沙尘暴发生区、无沙尘暴发生区及可能沙尘暴发生区。融合结果与气象站点观测结果的对比分析表明,本算法可以将静止气象卫星与极轨气象卫星遥感沙尘监测结果进行较好地融合,更好地划分沙尘暴发生的区域,对于沙尘暴过程的监测、评估和分析有重要的参考价值和指导意义。

利用MODIS资料定量判识沙尘暴方法研究

为了利用MODIS资料对沙尘暴的范围和强度进行定量判识，应用多时次MODIS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MODIS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。

1961—2010年中国北方沙尘源区沙尘强度时空分布特征及变化趋势

利用1961—2010年我国北方沙尘源区134个地面气象站沙尘暴、扬沙和浮尘发生频率逐月资料,结合定义的沙尘指数,系统地分析了中国北方7大主要沙尘源区沙尘强度的时空分布特征及变化趋势。结果表明:西部的塔克拉玛干沙漠沙尘强度最高,多年平均沙尘指数高达235,其次是中部的阿拉善高原和鄂尔多斯高原沙漠群(182),东北部的呼伦贝尔沙地沙尘强度最小,多年平均沙尘指数仅为23。总体来看,近50 a来中国沙尘源区的沙尘强度呈明显减小趋势,沙尘指数在1972、1987和2000年出现突变。其中,中部的阿拉善高原和鄂尔多斯高原沙漠群沙尘强度减小趋势最为显著(-6.3 a^(-1)),其次是西部的塔克拉玛干沙漠(-5.9 a^(-1))。EOF分析结果表明,中国北方沙尘源区各地的沙尘强度整体变化一致,塔克拉玛干沙漠、阿拉善高原和鄂尔多斯高原沙漠群是沙尘强度变化中心;在此基础上,东西部地区的沙尘强度呈明显的反相变化;此外,中国北方沙尘源区的沙尘强度在1980年代后期发生显著变化,沙尘指数至今处于较低值。

基于FY-4A卫星遥感数据分析2021年3次沙尘暴特征

FY-4A上搭载的多通道扫描成像辐射计(AGRI)无论是时间分辨率还是空间分辨率与我国第一代静止气象卫星风云二号上搭载的扫描辐射计(VISSR)相比都有了明显的改进。本文基于FY-4A AGRI成像仪IDDI(红外差值沙尘指数)和新的昼夜沙尘遥感改进算法开展2021年中国北方沙尘过程连续遥感监测处理,并系统分析了2021年3个典型个例的沙尘暴特征和影响区域。结果表明:(1) 3次典型沙尘过程对我国北方各省份的影响面积总计最低达到260万km~2以上,最高达到300万km~2以上,4月14—17日的沙尘暴影响面积最大。(2)2021年沙尘高发区在新疆南部、甘肃河西走廊以北以及内蒙古西部。与2019、2020年同期相比,2021年我国北方沙尘发生频次更高、影响范围更大。(3)新一代FY-4A静止卫星对我国沙尘过程年际变化具备更加完整的监测能力。

敦煌春季沙尘天气过程中某些参量和影响因子的变化特征

利用中日合作"风送沙尘的形成、输送机制及其对气候与环境影响(ADEC)的研究"项目敦煌站的观测资料,分析了2001年和2002年春季沙尘天气过程中两个沙尘参量———沙尘浓度指数(DCI)和粒子数浓度(N(d))的变化以及摩擦速度(u )和风速(u)与地面风蚀起沙的关系。结果表明:可用DCI=0.2作为扬沙、浮尘等一般沙尘天气的临界值,DCI=0.4作为沙尘暴天气的临界值;沙地和农田上起沙的临界摩擦速度分别约为0.5m·s-1和0.3m·s-1,临界风速分别约为7m·s-1和3m·s-1。农田和沙地起沙临界摩擦速度的差异,导致绿洲站沙尘天气发生的频数比沙漠站大;与地面起沙量有关的总沙尘粒子数浓度N(d>0.5μm)近似与u2 成比例。

沙尘天气对我国城市空气质量影响的范围与强度分析

近年来 ,可吸入颗粒物已成为影响我国城市空气质量的首要污染物。该文分析了城市中颗粒物的不同来源 ,根据对沙尘天气的发生过程监测 ,结合我国重点城市空气质量统计数据 ,提出了沙尘影响指数的概念。根据沙尘影响指数对不同类型城市空气中的可吸入颗粒物来源和沙尘影响程度进行了分析 ,力求明确沙尘天气与空气质量的关系。根据 2 0 0 1年和 2 0 0 2年 3月最新的沙尘天气监测数据和特定的沙尘天气过程 ,按照沙尘来源和沙尘影响范围将沙尘影响地区进行了分区 ,分析不同区域内的起沙机制和沙尘来源 。

塔里木盆地沙尘天气的气候特征

利用塔里木盆地周边28个气象站1961—2003年逐日地面观测资料,分析了沙尘天气的空间分布特征和时间演变规律,在构建多元线性回归影响因子模型的基础上,探讨了气温、地温日较差、气压、平均风速、降水量5个气候因子对沙尘天气的影响程度,建立了沙尘指数。塔里木盆地沙尘天气有着明显的地域分布特征和季节变化,春季是高发期,沙尘日数与气候因子季节变化的关系非常密切。沙尘日数年际变化呈明显的减少趋势,具有6～9a的振荡周期。3—9月盆地沙尘天气的主要影响因子依次是平均风速、降水量和地温日较差。春季降水量占主导地位,6—9月平均风速占主导地位。选取各月对沙尘天气影响有意义的气候因子建立了沙尘指数,它在时间序列上对沙尘天气有很好的反映,可用来做沙尘天气出现日数的气候预测。

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。

呼和浩特市沙尘活动特征及其对大气环境的影响

城市发展和扩张导致城市大气污染成为突出环境问题,加之春季北方城市的沙尘活动使大气污染加剧,因此,研究城市沙尘活动特征对了解城市大气污染及治理具有重要意义。依据2015~2019年呼和浩特市环境空气质量监测数据,分析了PM_(10)、PM_(2.5)浓度变化特征,引用沙尘影响指数辨识沙尘强度,并解析了不同强度尘暴过程中O_(3)、CO、NO_(2)和SO_(2)等污染物浓度变化规律。结果表明:呼和浩特市沙尘天气多发生在春季,沙尘发生频率高达9.2次/年,且春季沙尘影响指数呈逐年上升趋势;沙尘暴发生时空气PM_(10)浓度值急剧上升,PM_(2.5)浓度峰值提前或同步于PM_(10)浓度峰值,PM_(2.5)/PM_(10)浓度比值较低,25%~75%的区间值在0.12~0.25之间,PM_(10)浓度达到峰值时PM_(2.5)/PM_(10)浓度比值最低;沙尘过程中NO_(2)、SO_(2)和CO的浓度变化趋势与PM_(10)浓度变化趋势负相关;O_(3)浓度在沙尘过程中变化趋势较为复杂。

2001—2011年西宁市空气质量特征及其与气象条件的关系

利用2001—2011年西宁市城市空气质量日报资料,研究西宁市区域性污染特征,并结合气象资料对空气质量变化特征和影响因素进行分析。结果表明:西宁市空气污染以可吸入颗粒物为主要污染物,空气质量以优和良居多;空气质量季节变化特征明显,春季空气质量最差,其次是冬季和秋季,夏季空气质量最好;冬春季空气质量不稳定,夏秋季空气质量较稳定,空气质量年变化幅度大,供暖期API指数明显高于非供暖期;沙尘影响指数呈下降趋势;从年际变化来看,空气质量有明显改善;气象要素对大气污染物有制约关系,其中起主要作用气象因子为沙尘日数、降水量、相对湿度和气温;可吸入颗粒物长距离输送是西宁市冬春季重污染的主要原因,沙尘来源于新疆、甘肃西北部、内蒙古中西部及青海省西北部的柴达木盆地。

西宁市大气环境质量变化趋势分析

对2001年～2011年西宁市环境空气中主要污染物SO2、NO2和PM10质量浓度、分指数和负荷系数的变化特征和趋势进行了分析,结果表明:(1)西宁市环境空气中主要污染物为PM10;污染物SO2、NO2和PM10质量浓度多年平均值分别为0.029mg/m3、0.030mg/m3和0.133mg/m3,SO2和NO2均未超过国家二级标准,PM10超过国家二级标准,超标率为32.8%,分指数分别为0.48、0.42、1.33,负荷系数分别为22.0、18.7和60.8,综合污染指数P和API指数多年平均值分别为2.23和92.0,SO2质量浓度以0.02mg/m3/10a的气候倾向率呈极显著上升趋势,NO2和PM10质量浓度分别以0.01mg/m3/10a和0.03mg/m3/10a的气候倾向率显著下降。(2)沙尘影响指数多年平均值为1.83,沙尘影响指数总趋势为以0.54mg/m3/10a的气候倾向率下降。(3)可吸入颗粒物长距离输送是西宁市冬春季重污染现象的主要原因,来源于新疆、甘肃西北部、内蒙古中西部及本省西北部的柴达木盆地。夏季重污染的可吸入颗粒物是受本地及周边裸露地表和建筑灰尘的影响。

欧亚大气环流对中国北方夏季沙尘天气的影响

根据1960—2010年全国701个地面站沙尘天气观测资料分析了中国夏季沙尘天气的空间分布和年际变化,发现南疆和内蒙古两个沙尘源区的夏季沙尘指数51年来均呈现出减小的趋势。通过分析夏季沙尘指数典型高、低值年环流场发现:500hPa高度场上强烈发展的高原贝加尔湖平均脊和减弱的东亚大槽,减少了高空低值系统对南疆和内蒙古中西部地区的影响,地面场上"北负南正"的变压场分布使得两个地区西风和西北风减小,最终导致夏季南疆和内蒙古地区沙尘天气减少。沙尘指数高值年时影响两个地区天气系统的差异在于:影响南疆地区的天气系统主要是高空的西路冷空气和地面场上发展的南疆热低压,而影响内蒙古地区的则是北路和偏北路冷空气以及地面场上强烈发展的蒙古内蒙古热低压。

欧亚大气环流对中国北方春季沙尘天气的影响

根据1960-2010年全国701个地面站沙尘观测资料分析了中国春季沙尘天气的空间分布和年际变化,发现南疆和内蒙古两个沙尘源区的沙尘指数51年来都呈现出减小的趋势,其中内蒙古沙尘指数总体较小、年际变化较大,而南疆沙尘指数的波动较小。通过分析南疆和内蒙古沙尘指数典型高、低值年春季环流场发现,控制两个沙尘源区的环流场存在明显差异:南疆沙尘指数低值年时,西路入侵的冷空气减少,受此影响蒙古气旋和南疆热低压减弱,导致南疆地区近地面西风减弱,最终导致南疆沙尘天气减少;内蒙古沙尘指数低值年时,西北路和北路冷空气入侵次数减少,地面场上西伯利亚冷高压和蒙古高压减弱,并且蒙古气旋的发生发展受到限制,导致内蒙古西部近地面西北风和偏西风减小,最终导致内蒙古地区沙尘天气减少。