张丽娟 张建辉 赵爱梅 翁国庆 杨艺 陈辉 滕佳华 赵少华 王中挺
(生态环境部卫星环境应用中心，北京 100094)
沙尘天气是在特定的地理环境和下垫面条件下，由特殊的气象条件形成的一种较为常见的自然现象[1-2]。沙尘天气会伴随大量可吸入颗粒物和强大风力，同时会降低沿途的空气能见度，由此对区域生态环境、人体健康和交通造成的损失难以估计[3-4]。卫星遥感具有大范围、空间分布连续、经济效益高等优势，对于实时动态监测沙尘天气的起源、传输路径、影响范围和强度变化等具有重要意义。
随着卫星遥感技术的不断发展，国内外学者基于土(Terra)卫星和水(Aqua)卫星的中等分辨率成像光谱仪(MODIS)数据、诺阿(NOAA)卫星甚高分辨率辐射仪(AVHRR)数据、向日葵卫星-8(Himawari-8)数据、微风卫星(Aura)臭氧监测仪(OMI)数据等开展了大量沙尘天气研究[5-12]。同时，国内自主研发的卫星数据源也越来越丰富，不少专家学者利用风云-4A卫星多通道扫描成像辐射计(AGRI)数据、风云-3A/B卫星可见光红外扫描辐射计(VIRR)和风云2号卫星数据等对中国沙尘天气开展了监测方法研究[13-18]。
本文基于中国自主研发的环境减灾二号A/B(HJ-2A/B)卫星搭载的红外相机(IRS)探测数据构建了沙尘遥感监测算法，并结合MODIS遥感监测数据，探索分析了环境HJ-2A/B卫星在沙尘天气场景的分辨能力，并讨论了其在沙尘遥感监测方面的不足，对于提升国产卫星遥感自主应用、减少沙尘领域对国外遥感数据的依赖具有参考意义。
1.1 沙尘反演方法
1)云和水体像元识别
云像元的识别也是沙尘遥感观测中的最为重要的科学问题之一。考虑到与下垫面相比，云一般具有较高的反射同时温度相对较低的特征，利用红波段(0.65 μm)、近红外波段(0.86 μm)的表观反射率和热红外通道的亮度温度通过阈值方法可以很好的把云检测出来，即云像元的识别方法为
(ρr+ρn)>Thρ1∪(T12
Thρ2∩(T12 (1) 水体象元的判别条件为 (ρn 其中，NNDVI=(ρn-ρr)/(ρn+ρr) (2) 式中：ρr和ρn分别表示在红波段(0.66 μm)和近红外波段(0.86 μm)的表观反射率； 2)沙尘遥感监测 根据沙尘粒子光谱特征，通常情况下沙尘在可见光及近红外波段较地表具有较高的反射率，而在红外波段，悬浮在空中的沙尘粒子温度通常比地面低。因此，可综合沙尘粒子在可见光-近红外波段的高反射和热红外波段的低辐射特征，设计不同的判断阈值可有效将沙尘和地表区分开来。因此在出现沙尘天气时，可以根据HJ-2A/B卫星红外相机(IRS)观测到的11 μm和12 μm波段的亮温，结合沙尘的红波段和近红外波段光谱特征，实现沙尘卫星遥感判别，如图1所示。 图1 红外相机沙尘遥感监测技术路线图Fig.1 Flowchart of dust remote sensing monitoring based on infrared camera (1)可见光及近红外波段沙尘识别 考虑沙尘粒子在可见光波段的反射率高于地表而低于云，结合HJ-2A/B的红波段对不同地物的反射率，沙尘天气发生时，红波段的反射率大于0.3且小于0.5。 ρr>0.3∩ρr≤0.5 (3) (2)热红外波段沙尘识别 根据辐射传输理论，在热红外波段(10～12 μm)范围，沙尘的散射和吸收作用随着波长的增加而逐渐减弱。特别是干燥沙尘对11 μm和12 μm波段辐射有不同的吸收衰减，其中对11 μm波段的衰减略强于12 μm波段，这就使得一般情况下12 μm波段的亮温略高于11 μm波段，因此可以采用11 μm和12 μm波段卫星传感器探测的亮温差来判断沙尘区域。判断阈值为 T12-T11>0 (4) (3)沙尘强度遥感计算 近红外波段1.6 μm波段由于受大气分子与微粒气溶胶的红外辐射干扰较小，同时对大气沙尘遥感特征是线性分布的，且稳定性较高。因此，一般可以采用1.6 μm波段的反射率，构建沙尘强度指数为 I=α×exp(β×ρ1.6-1) (5) 式中：ρ1.6为1.6 μm波段的反射率； 红外相机(IRS)是HJ-2A/B卫星的主载荷，具有多谱段、高分辨、大视场、能够快速重复探测等特点，设计覆盖了11 μm和12 μm等可用来监测沙尘信息的波段(见表1)。通过双星组网，监测幅宽超过720 km，卫星有望实现我国及世界范围内的环境和灾害全天时、短重复周期的有效监测预报，为生态环境治理、灾后救援重建等工作提供重要科学依据。 表1 红外相机波段参数信息Table 1 Parameter information of infrared camera 利用HJ-2A/B卫星红外相机数据，对我国北方地区的沙尘天气影响范围及等级等进行监测分类，采用相近时相的MODIS卫星数据的结果进行比对，评判其红外相机数据在沙尘分布范围、强度等级等信息提取方面的应用能力。 从HJ-2A/B卫星红外相机数据影像可以看出，影像地物纹理特征明显、边界清晰，陆地、沙尘、云、水体不同场景物的差异显著，有利于开展沙尘天气遥感识别(图2)。 图2 我国北方新疆、内蒙古和蒙古国过交界处地区图像Fig.2 Color image of Xinjiang, Inner Mongolia of China and Mongolia 2021年3月14—19日，我国北方地区发生了一次大范围沙尘天气，MODIS对本次沙尘天气过程进行持续跟踪监测。14日，蒙古国西北部起沙，我国内蒙古西部及甘肃中部出现沙尘天气； 选取2021年3月17日HJ-2A/B卫星红外相机数据，对我国北方局部地区沙尘天气进行遥感监测，并与MODIS监测结果进行对比分析。选取HJ-2A/B和Terra卫星过境时间较为接近的3月17日13时左右卫星监测数据，其中12时57分过境的HJ-2A/B和13时20分过境的Terra卫星均监测到我国新疆、内蒙古和蒙古国接壤地区发生了一次沙尘暴天气(图3)。叠加选取二者监测交集区域，统计对比二者监测结果一致性，以MODIS监测结果为参考，在沙尘天气地区，IRS与MODIS监测的一致率为57.6%； 图3 2021年3月17日沙尘天气等级结果提取遥感图像对比Fig.3 Comparison of dust classification retrievals on March 17，2021 表2 MODIS和IRS沙尘分布监测结果统计对比Table 2 Comparison of dust retrievals between MODIS and IRS 图4 沙尘各等级分类结果统计对比Fig.4 Comparison of dust classification results at different levels 1)单景影像沙尘天气遥感监测能力 根据本次沙尘过程，选取部分HJ-2A/B卫星数据开展多期监测结果测试(图5～7)，表明HJ-2A/B卫星相机能有效针对不同场景提取沙尘分布及其强度等级信息。 图5 2021年3月16日山东黄海等地浮尘天气结果提取遥感图像Fig.5 Floating dust retrievals in Shandong and Yellow Sea on March 16, 2021 图6 2021年3月17日山东河北等地浮尘天气结果提取遥感图像Fig.6 Floating dust retrievals in Shandong and Hebei provinces on March 17, 2021 图7 2021年3月18日内蒙古中部等地浮尘和扬尘天气结果提取遥感图像Fig.7 Floating dust retrievals in central Inner Mongolia on March 17, 2021 2)沙尘天气日变化遥感监测能力 以2021年3月15日为例，对HJ-2A/B卫星沙尘天气业务监测应用能力进行测试。共检索到HJ-2A/B卫星红外相机数据35景，将每一景监测结果与MODIS日监测结果进行叠加对比分析(图8)。 图8 我国北方地区沙尘天气结果提取遥感图像Fig.8 Remote sensing image extracted from dust results in northern China 从图8可以看出，HJ-2A/B卫星红外相机和MODIS数据在新疆西南部、内蒙古西南部、甘肃东部、宁夏北部、陕西北部、河北南部等地均监测到沙尘天气，但是在我国北方辽宁西北部、河北北部、山西北部、南疆盆地东部等大部分地区MODIS监测到沙尘天气的地区，IRS未监测到沙尘。这主要是因为HJ-2A/B卫星覆盖范围有限且信号强度相对较弱等问题导致部分地区沙尘天气缺乏有效监测信号或者信号较弱未能识别出沙尘天气，在沙尘天气业务化监测应用方面还有待优化改善。 1)数据质量 从HJ-2A/B卫星提取沙尘结果来看，沙尘提取条带影响较大，导致条带覆盖部分提取结果失真，这主要和原始数据质量有关(图9)。 图9 2021年3月15日宁夏东部地区IRS11 μm DN值和沙尘天气结果提取结果Fig.9 DN value of IRS at 11μm and dust results in Eastern Ningxia on March 15, 2021 2)辐射定标 总体来看，与MODIS监测沙尘天气强度相比，IRS监测的沙尘强度偏弱。这主要是因为热红外波段辐射定标精度有待提高，对不同场景差异表现能力偏弱会导致沙尘天气监测范围偏小、强度偏弱。 为定量对比分析IRS和MODIS的辐射定标精度监测结果对比情况，选取2021年3月15日新疆南部地区的一副卫星遥感影像，分别计算IRS和MODIS在11 μm附近波段的亮温(图10)，将IRS重采样至1 km与MODIS进行空间叠加，并随机抽样选取10 000个像元进行对比分析(图11)。结果表明，MODIS与IRS在11 μm波段亮温空间分布基本一致，二者相关系数超过0.98； 图10 新疆南部地区11 μm波段亮温计算结果Fig.10 Brightness temperature at 11μm in southern Xinjiang 图11 IRS和MODIS亮温计算结果抽样对比散点图Fig.11 Comparison of brightness temperature from IRS and MODIS HJ-2A/B卫星数据整体质量较好，在测试区域内影像较为清晰，可以较为准确地提取沙尘天气。测试影像能较清晰的呈现陆地、云和沙尘等主要场景的整体轮廓以及结构特征，在提取沙尘天气遥感监测信息时，能较准确地判识沙尘天气影响区域，与国际上常用的MODIS结果相比，在沙尘天气地区，IRS与MODIS监测的一致率为57.6%；
T12为热红外波段(12 μm附近)的亮度温度；
Thρ1、Thρ2和Thρ3分别为表观反射率判别阈值，本文结合MODIS的真彩图判识结果分别设为0.9、0.7和0.1；
Tht1和Tht2分别为热红外波段亮温判别阈值，本文设为265 K和285 K；
NNDVI为归一化植被指数。同时，为消除云边缘的影响，将识别出的云像元扩展到周围5×5个像元。
α和β为调节因子，可设为10和0.8[19]；
I表示沙尘强度，一般当I为1～2时可认为浮尘，2～3为扬沙，3以上为沙尘暴。1.2 红外相机研究数据
2.1 HJ-2A/B卫星对沙尘天气场景分辨能力
2.2 沙尘天气环境HJ-2A/B卫星监测能力
15日—16日，随着气流东移南下，我国北方各省均出现沙尘天气，局部地区出现沙尘暴；
17日—19日，受沙尘回流影响，华北地区又出现了短暂的沙尘天气。14日—19日国内沙尘影响面积分别为27万、133万、116万、114万、51万和117万平方千米。
在非沙尘天气地区，二者一致率为89.8%，综合来看二者总体一致率约为81%(见表2)。从沙尘强度等级统计结果来看(图4)，与MODIS监测结果相比，IRS非沙尘和浮尘监测面积略大于MODIS，扬尘和沙尘暴天气范围小于MODIS。总体来看，MODIS和IRS监测沙尘分布范围基本一致，MODIS监测的沙尘分布范围略大，沙尘强度也略强。
2.3 沙尘天气环境二号卫星监测能力
2.4 沙尘天气HJ-2A/B卫星监测能力
其中，IRS的11 μm亮温略高于MODIS，与MODIS相比平均绝对误差为3.15 K，标准差为24.14 K，较MODIS低0.58 K，说明IRS的亮温对不同地物差异呈现略弱于MODIS，这与辐射定标密切相关。
在非沙尘天气地区，二者一致率为89.8%，综合来看二者总体一致率约为81%，其空间分布规律与参照数据整体吻合，HJ-2A/B卫星IRS具备一定的沙尘遥感监测能力。但是IRS仍存在热红外波段条带噪声较大、辐射定标精度不高等问题，可能会导致沙尘天气监测结果范围偏小、强度偏弱，并且受幅宽、重访周期等因素限制，HJ-2A/B卫星开展沙尘天气业务监测应用能力有限，需要开展多星组网观测以提高其覆盖度和监测频次。