Himawari-8静止气象卫星草原火监测分析

Himawari-8(向日葵8号)静止气象卫星具有高空间分辨率、高观测频次和高时效特点,在草原火灾监测具有很强优势。提出利用Himawari-8数据的自适应阈值火点监测算法,并以2016年4月内蒙古自治区呼伦贝尔市边界境外草原火灾为例,重点利用19~20日的22个小时期间的132个时次Himawari-8数据,对火情进行连续动态监测。结果显示,本次火灾共持续22 h,过火区域约1 500km2,火点像元最长持续时间约6 h。通过分析多时次连续观测影像和火点信息可知,火场在一段时间内从西向东的蔓延速度为5.4 km/h,达到急进地表火程度。分析表明,Himawari-8的10 min一次密集观测频次可实现快速获取火点位置、面积、温度等火情信息。可跟踪火场动态发展变化,估算火场蔓延速度和方向以及确定火场类型,提高卫星遥感草原火监测和预警能力。

基于Himawari-8静止气象卫星的输电线路山火监测与告警技术

传统基于极轨卫星的输电线路山火监测技术受卫星过境时间的限制,无法实现对广域输电线路走廊进行24h不间断山火监测。为此,基于Himawari-8静止气象卫星提出了一种24h不间断输电线路山火监测与告警技术。为保证火点判识算法具有较高的准确率和良好的普适性,综合考虑太阳高度角、非植被像元和云像元对火点判识的影响,提出了一种基于自适应动态阈值的火点判识算法。另一方面,预先将输电线路杆塔信息和告警等级以网格形式进行储存以提高告警效率。一旦在网格内监测到火点,则自动向输电运维人员推送受影响的线路杆塔信息和告警等级。所提技术已应用于南方某省级电网输电线路山火监测系统,实现了全天时输电线路山火监测以及快速准确地发布告警信息,使得该电网连续3年(2017—2019)在用火高发的清明节期间未发生输电线路山火跳闸事故。

葵花-8卫星AOD资料在CMA-MESO/CUACE CW 3DVar同化系统中的个例应用研究

CMA-MESO/CUACE CW化学天气耦合模式是自主研发的大气化学耦合模式,目前CMA-MESO/CUACE CW3DVar同化系统实现了地面气溶胶观测可吸入颗粒物PM_(2.5)和PM10的同化,为增强耦合同化系统非常规观测的同化能力,文中在CMA-MESO大气化学天气耦合三维变分同化框架基础上,利用查表法获得气溶胶消光系数,然后建立气溶胶光学厚度(AerosolOpticalDepth,AOD)和气溶胶组分之间关系的观测算子、切线性观测算子和伴随观测算子,实现AOD观测资料的同化应用。针对2016年12月18-20日华北、黄淮地区一次污染天气过程进行同化预报试验,试验结果表明同化葵花-8卫星(Hi‐mawari-8)气溶胶光学厚度观测后,PM_(2.5)分析的重污染区范围有所扩大,山西东南部分析与实况分布更为接近,但是山东大部地区PM_(2.5)分析偏强,与观测相比PM_(2.5)质量浓度存在高估。同时同化Himawari-8 AOD观测和地面气溶胶站点观测的PM_(2.5)分析最优,分析与观测距平相关系数最高,平均偏差、均方根误差及标准差最小。重污染区的PM_(2.5)预报检验结果表明,同化Himawari-8AOD观测对大于350µg·m^(-3)量级PM_(2.5)预报正贡献可以持续到48 h,但整体来说,同时同化Himawari-8AOD观测和地面气溶胶站点观测对各个量级的PM_(2.5)质量浓度预报质量最优。

葵花8号静止气象卫星在广东省林火监测工作中的应用

对我国目前所用卫星在林火监测中的作用以及存在不足进行总结,分析了新一代静止卫星在林火监测工作中的优势。结合广东省卫星林火监测系统的设计,阐述了葵花8号静止气象卫星在林火监测中的应用现状和发展前景。

新一代静止气象卫星林火监测研究

新一代静止气象卫星具有高频次、全覆盖优势,对林火有着非常好的监测能力。从林火遥感原理出发,首先分析了AHI/葵花8号和AGRI/风云四号仪器的特点,介绍了可用于林火探测的通道特性。然后,从火点判识算法、林火监测流程和林火反查系统3个方面,研究了林火监测系统的构建,包括应用中要注意的细节和应用的尝试。其中林火反查系统是首次提出,对改进系统的算法和提高监测的准确率有重要作用。目前,AHI/葵花8号林火产品已投入本站业务使用,对防灾减灾提供了重要保障。

基于葵花-8卫星宁夏暴雨监测预警指标研究

基于葵花-8卫星红外通道资料和地面降水数据,对2017年5—9月宁夏暴雨过程进行云团识别、特征参数(云顶平均亮温、最低亮温、亮温梯度、冷云面积和降温率)计算及监测预警指标分析。结果表明:所选云团特征参数在不同类暴雨过程中有较明显的表现特征。暴雨发生时,云顶平均亮温和最低亮温分别介于213~228 K和199~227 K,亮温梯度处于4~50℃/km,冷云面积介于2.7×10^(1)~5.7×10^(4)km^(2),降温率处于6~36℃/h。云顶亮温和冷云面积更有利于判别暴雨类型,亮温梯度和降温率更有利于预估降水量。参数在不同降水量级中的表现差异较明显,当降水量达30、40、50和85 mm时,需密切监测云团参数变化趋势,当其出现异常或突变时,应及时考虑降水量持续增加的可能性。

Himawari-8静止气象卫星时序法火点探测

随着新一代静止气象卫星的发射,高频次和高时效的观测特性对于火点探测具有独特优势。本文基于Himawari-8新一代静止气象卫星高频次观测特点,提出有利于火情初期火点判识的时序探测方法。与传统的极轨气象卫星遥感火情监测采用的上下文法不同,时序探测法判识火点的方法依据为探测像元亮温在观测时间上的差异。研究结果显示,在无云及无异常热源条件下,相邻时次中红外亮温差异较小,当前后时次亮温差达到3K时,可判识出火点,而上下文法的阈值均在6 K以上,时序法的火点判识阈值较上下文法明显降低,探测相应的亚像元火点面积减小一倍以上,从而提高了火情判识的灵敏度,实现火点早期发现。本文介绍了时序法火点判识方法,并以黑龙江桦川县的星地同步观测实验进行验证,研究表明,时序法较上下文法在初发火点探测灵敏度方面有明显优势,时序法和上下文法的结合可提高气象卫星对火情发展过程的监测能力。

基于Himawari-8亚像元分解的林火检测

受空间分辨率的影响,卫星遥感影像普遍存在混合像元,传统的林火监测方法是以像元为单位,容易漏判小火点。针对该问题,文章提出了基于亚像元分解的森林火点检测算法,基于改进的自适应阈值法进行火点判识,判别影像中林火范围。通过光谱解混确定含典型线状地物的混合像元,利用丰度图像提供的信息将地物类别标签分配到每个亚像元中。基于空间相关性理论构建线性优化模型,获得亚像元定位结果,准确定位到火点所在经纬度。以葵花八号卫星数据为数据源,对本文所提出的亚像元火点检测算法进行了实验。结果表明,基于完全约束最小二乘模型进行林火混合像元分解,可获得火点亚像元级的空间分布细节信息,精度较高,对火点的位置信息提取效果良好。

基于HIMAWARI-8静止气象卫星的森林火灾监测应用

HIMAWARI-8是日本新一代静止气象卫星，具有时间分辨率和空间分辨率高的特点。本文通过2016年3月2日发生在甘肃省迭部县达拉林场的森林火灾，分析了HIMAWARI-8在森林火灾中的应用情况。通过分析得知：①火场存在较厚云层时，HIMAWARI-8无法监测火灾；②HIMAWARI-8对森林火灾的监测，白天优于夜间、前半夜优于后半夜；⑤火场面枳小于0.1平方公里时，HIMAWARI-8基本上无法监测火灾；火场面积大于2平方公里时，能够实现有效监测。

基于静止气象卫星的沙尘天气时空无缝识别

沙尘天气识别和监测是灾害预警和治理的关键,文中以葵花8号静止气象卫星热红外波段为基本数据源,研究构建了基于卫星热红外影像的沙尘识别模型,模型同时利用了8.6μm、10.4μm、12.3μm、7.3μm四个波段,可实现对沙尘天气的全天时、高频次监测。利用国家气象局固定台站274条沙尘天气监测数据验证识别精度达到90.14%。利用模型提取了2018年3-5月一小时一次的沙尘天气分布,全国范围内累计611×10^(4)km^(2)受到了沙尘天气影响,平均受影响天数0.64d,其中影响范围和影响天数最高的是4月份,其次是3月份和5月份,沙尘天气影响天数超过10d的区域主要分布在新疆、甘肃、内蒙古三省(自治区),面积占92.92%。利用模型对2023年3·22强沙尘暴起源和过程进行了监测,结果表明这次沙尘天气主要起源于蒙古国和内蒙古中部,累计影响15省(区、市)约223.30×10^(4)km^(2)。模型已应用于国家林业和草原局沙尘天气监测中,对灾害评估与应急发挥了重要作用。

暗目标法的Himawari-8静止卫星数据气溶胶反演

Himawari-8(H8)是由日本气象厅发射的新一代静止气象卫星,可实现10 min/次的高频次对地观测,搭载的AHI(Advanced Himawari Imager)传感器设置有与MODIS暗目标气溶胶反演算法所需的类似波段。本文参考暗目标算法构建了针对该卫星传感器的陆地气溶胶反演算法:首先,通过基于地基站点观测数据的精确大气校正,统计得到短波红外与可见光波段的地表反射率比值关系,将此作为先验知识用于地—气解耦时的反射率估计;然后,初步假设大陆型气溶胶类型,利用辐射传输模型建立查找表;最后,通过模拟与卫星观测的表观反射率误差最小实现气溶胶光学厚度反演解算。选取2016年5月覆盖京津冀地区的观测数据进行测试,将反演结果与对应时间的MODIS气溶胶光学厚度产品进行对比验证,空间分布趋势一致、相关性较高,相关系数R达到0.852;通过与地基观测网AERONET站点实测数据对比验证,所有站点的相关系数R^2均大于0.88,精度较高。利用反演的高时间分辨率产品,分析了京津冀地区的大气空间分布和日变化情况,结果表明:采用暗目标法对H8静止卫星陆地气溶胶光学厚度反演具有一定的潜力和可行性,能反映气溶胶的高时间变化信息,有望成为大气环境污染变化监测新的重要手段。

基于葵花-8卫星的白天冰云识别初探

冰云是影响全球能量平衡、气候和天气变化的重要因素,识别冰云研究意义重大。利用葵花-8(Himawari-8)的2 km近红外第11波段和热红外第14波段数据及1 km MYD06云相态产品数据,采用代码调试,试图研究了基于亮温的Himawari-8的冰云算法,经过代码调试和验证得出Himawari-8的冰云算法。结果表明:Himawari-8云相态中冰云的初步算法为:BT_(11)<285且BTD_([8.5-11])>-1。用2015年12月29日的Himawari-8冰云数据与MODIS数据的云相态产品MYD06数据之间,使用简单匹配方法做了对比验证,结果匹配度为81.04%,匹配等级上属于匹配。

基于Himawari-8卫星的火点判识算法研究

利用新一代静止气象卫星Himawari-8数据,提出一种新的自适应阈值决策树低温火点判识方法。该方法基于2.3μm和0.86μm通道数据,以晴空像元和背景像元本地化判识结果为基础进行火点识别。选取山西省作为研究区域,利用2020年4月24日和2021年2月20日数据进行验证,结果表明:①对于森林火灾初期火势较小的火点可以尽早判识(采样点最早提前40 min);②对草地、耕地上范围较小、温度较低的火点判识在时效性和准确率方面均表现良好;③新增的低温火点判识算法有效地解决了火点多判和漏判的矛盾问题,为尽早识别火点信息,实现有效的灾情监测提供了新思路。

三种经典夜间陆地雾遥感反演方法的适用性对比分析

相较于地面站点观测,卫星可以监测更大范围的夜间雾区分布,目前虽然已存在几种经典的夜间陆地雾遥感反演算法,然而其在我国大范围陆上的适用性尚不清楚。基于葵花8号(Himawari-8)静止气象卫星数据,分别利用双通道差值法、温度差值法及归一化大雾指数法反演了我国2016年1月—2018年12月的夜间陆地雾区,并用地面观测资料以鉴定成功评分、准确率、判识率和误判率为指标参数对雾区反演结果进行验证分析,讨论了三种反演方法的适用性。结果显示:1)三种夜间陆地雾反演方法在秋季和冬季反演效果最好,其中温度差值法的鉴定成功评分高、准确率高、误判率低,反演效果最好,双通道差值法的判识率高、误判率高,反演效果次之,归一化大雾指数法效果最差。2)三种方法对夜间陆地雾的反演在秋季和冬季的最佳适用区域略有不同,但都倾向于在平原和盆地达到最佳效果,如华北平原、长江中下游平原和四川盆地。3)两次雾过程的反演结果显示,温度差值法和双通道差值法对平原地区夜间雾的识别能力均较强,在具体雾过程反演中各有优势。

中尺度对流系统影响下的空域容量评估研究

气象因素是影响空域容量的主要不可控因素之一。为了探讨强对流等恶劣天气的识别结合空域容量评估模型的可行性,并完成容量预测工作。采用引导滤波方法对葵花8气象卫星云图降噪处理,判定中尺度对流云团,依据网络最大流理论建立空域容量模型,使用动态阻塞系数表示中尺度对流系统对容量的动态影响,结合湖南管制空域及其气象信息对模型进行算例分析。结果表明,模型能对中尺度对流系统影响下的空域容量进行较为客观的评估。

Himawari-8气溶胶产品的验证及应用

为准确分析中国地区气溶胶空间分布与时间变化特征规律,首先利用中国地区9个AERONET(Aerosol Robotic Network)地基站点观测资料对新一代静止气象卫星Himawari-8气溶胶光学厚度(Aerosol Optical Depth,AOD)产品数据进行一致性验证,并在此基础上选取2015年7月至2018年4月Himawari-8逐小时AOD数据分析了中国地区气溶胶光学厚度时空变化特征。结果表明:①Himawari-8 AOD与AERONET AOD之间相关性很高,9个站点的相关系数R在0.64~0.91之间,拟合曲线斜率k的范围为0.57~0.68。②Himawari AOD产品与AERONET AOD的相关性在中午时段较其他时段相对较低;北方地区Himawari-8 AOD冬季反演效果与夏季相比较差,南方地区则相反。③中国地区年平均AOD呈东高西低分布,春、夏两季AOD明显高于秋、冬两季,其中夏季最高,春季次之;地区间AOD月变化差异也较大;大部分地区AOD日变化呈现先下降后上升再下降的趋势,AOD最高值出现在午后14~16时,最低值出现在18时。研究结果为了解中国地区大气气溶胶的时空变化规律和全天时的大气污染监测方法提供新的参考。

大连机场一次冷涡引发雷暴和大风个例分析

利用常规观测资料和NCEP/NCAR全球再分析资料对2020年5月16日—19日大连机场的一次冷涡系统引发雷暴和大风天气过程进行诊断分析,最后,结合葵花(Himawari-8)气象卫星云图和多普勒天气雷达回波特征,更好地监控冷涡雷暴的发生发展演变过程。结果表明:(1)高空冷涡配合地面冷锋是影响此次雷暴的主要天气系统。(2)低层暖湿气流的上升运动配合高空干冷气流的南下为雷暴发生提供有利动力条件和水汽条件。K指数、SI指数和TT指数等表明了大气层结不稳定,低层不稳定能量输送为雷暴发生提供热力条件。(3)冷涡系统降水的发生区反应在TBB值相对低值中心。TBB≤-50℃,对雷暴发生有很好指示作用;冷涡雷暴发生在水汽图上高层急流左侧暗区和亮区的过渡带。(4)冷涡雷暴雷达回波上表现为线状回波,强雷暴发生在反射率大于50dBz回波区域,强回波区与对流天气有很好的对应关系。

湖南地区夏季中尺度对流系统特征分析以及恶劣天气规避区的划设

中尺度对流系统可造成雷暴、冰雹和暴雨等恶劣天气,会对该空域内的通行产生极大影响,增大飞行危险性。为了探讨中尺度对流系统与空域通行能力之间的不平衡矛盾,论文选用葵花8号气象卫星数据,结合现有的研究成果,针对湖南地区夏季的天气,利用中尺度云团识别判定技术、红外亮温反演办法对中尺度对流系统进行可视化处理并展开特性分析,然后利用ArcGIS软件绘制湖南简化空域,并划设恶劣天气规避区,表征空域的可用性和安全性。

可见光波段灰度熵和热红外亮温差的沙尘遥感判识

沙尘作为对流层气溶胶的主要成分,对气候系统有许多影响;同时,作为环境污染物,对人类健康危害也很大。沙尘天气一般在春季爆发,对中国北方大部分区域的生产和生活有较大影响。以往针对沙尘遥感监测人们开展了许多研究,取得了一定的效果。但对于一些云和沙尘混合的复杂状况,传统方法识别效果较差,几乎不能有效识别出沙尘。采用葵花8号(Himawari-8)卫星数据,提出一种针对性的识别方法。引入了0.46μm和0.51μm反射率差值RDI,统计发现该指数在一定范围内可以表现出沙尘连续性特征,并有效地将中高云和大部分地表与沙尘区分开来。碎积云的RDI值分布与沙尘的较为相似,为此进一步引入了灰度熵方法来滤除。例举了3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4日沙尘的地面验证表明,位于云沙混合区的27个站中有22个站的地面观测与判识相一致。对于一些复杂条件下的沙尘,该方法是对分裂窗亮温差的有效补充。