使用NOAA/AVHRR对中国海域海雾探测外文翻译资料

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使用NOAA/AVHRR对中国海域海雾探测

摘要

一个使用NOAA-16与NOAA-17先进高分辨率辐射计（AVHRR3）探测中国海域海雾的研究已经展开。海雾经常发生在中国海域的各个季节尤其是春天，并且对海上交通造成妨碍。在论文中，选取，分析并且比对了几种海雾事件，给出了它们与其他物体的辐射以及纹理特征比较。首先，卫星测量发现3a通道的反射率在通道1和通道2之间，通道2之一的最低，这与海洋，陆地以及其他云体不同。米氏散射解释了这些结果。其次，紧贴于地球表面的海雾由于其比周围水体在可见光波段更高的反射率被辨识出来，但在近红外波段与周围的亮温相似。由于这些特征，可以定义一个相邻八个像素与一个像素之间的反射率（或亮度温度）差的标准差的表示纹理的参数去探测海雾。第三，海雾经常是在空间上连贯而连续的。它可以被用来修复误差点和误差段。基于这些上述分析，最终，我们设计了一个算法来探测白天海雾。结果显示使用NOAA/AVHRR该方法可以有效提取雾区。

关键词：海雾，AVHRR，遥感

1.介绍

雾的气象定义是一团小水滴，其底部贴近或者在地面上，并且将可见度减小至1000米内。海雾指在洋面或是沿海区域发生的雾。低可见度的海雾会阻碍海洋导航。根据Treacute;mant统计，超过80%的海洋灾难与海雾有关。因此，对于沿海和海上安全，海雾的探测是十分重要的。许多气象站为了观测海雾而建立，但是受限于宽广的海面区域以及缺乏海雾的空间分布知识。幸运的是，在卫星观测网中卫星观测可以提供一个完整的地球概貌。因此，通过卫星手段进行海雾监测方便且具有广阔前景。

Hunt（1973）理论性地总结了非透明的水云，例如雾和低云，在3.7mu;m波段周围的发射率低于11mu;m。这些差异会导致云顶亮温在各波长的差异，然而地面与海洋没有这种差异。基于这些理论，Eyre（1984）首先提出了使用近红外波段的不同波长组合来探测夜间雾的一种方法。 从这时起，这种方法被发展并广泛应用于探测夜间雾，它也被成为使用NOAA/AVHRR3.7mu;m和11mu;m波段亮温差异的双通道差分法（DCD）（Turner等., 1986; Bendix and Bachmann, 1991; Dybbroe, 1993; Reudenbach and Bendix, 1998）。为了使24小时每天探测雾成为可能，DCD法同时被改良运用于地球静止卫星，例如GOES系列。Ellrod, 1995; Lee等., 1997; Underwood等., 2004)。但是，当卫星系统，例如GMS-5不提供3.7mu;m波段的数据，DCD法将不能使用。Ahn (2003)提出了一种新的海雾/状态检测算法。基于雾在大气层低处出现，在窗口通道的亮温低于晴空，尤其是在海上这一事实，并且利用GMS-5的高分辨率，他们构建了一个精确的晴空辐射复合地图，以比较红外辐射的每小时观测值并同时探测海雾。最近Bendix (2005)使用基于提供MODIS的1-7通道的最大最小值得辐射传输计算（RTC）进行白天海雾监测并通过使用基于RTC导出的查找表和最小二乘方差分析的2D迭代方法确定雾几何厚度区分地面和抬升的雾。这种方法使用于陆地雾的探测。由于MODIS提供的高光谱分辨率的高潜能以及静止卫星的高时间分辨率，许多研究者致力于发展这些卫星探测雾的方法。虽然AVHRR3的研究主要延伸自AVHRR2的研究基础、Dyras (2000)指出使用AVHRR的3a（1.58-1.64mu;m），2（0.705-1.0mu;m）,和1（0.58-0.68mu;m）的假彩色合成可以有助于使用卫星数据目视解译探测雾。在我们的研究中，通过分析中国海洋已知海雾事件，从AVHRR/NOAA-16,-17获取了海雾的辐射和纹理特征，并同时设计了白天自动探测海雾的方案。

2.数据和方法

在这次研究中，使用了卫星海洋环境动力学实验室(SOED) ，第二海洋研究所（SIO），国家海洋局（SOA）的卫星地面站所接收的AVHRR/NOAA-16/-17的五个通道的数据。AVHRR3与迄今为止在操作上使用的AVHRR1和2不同。主要改变是通道3在白天（3a：1.58-1.64mu;m）和夜晚（3b：3.55-3.93mu;m）被设置成不同的波长。AVHRR3级1b原始数据提供了太阳天顶角。基于该信息，进行辐射校正和校准。（NOAA KLM userrsquo;s guide, 2000）可见光和近红外通道中的表面反射率和红外通道中的亮度温度从原始DN值转换而来。另外，大气校正在此次研究中并没有进行，因为大气中的瑞利散射远小于云和雾带来的辐射衰减。

基于气象站的报告，选取了一些已知的海雾事件进行分析，例如0134 UTC 0411 2004, 0230 UTC 0317 200 和0322 UTC 0321 2006等。下文中，主要描述在0230 UTC 0317 2005（图1）中得到的由分析多个卫星观察所得出的结论。在图1中已知区域1和2是海雾区。

图1NOAA-17 0230 UTC 0317 2005通道2图像（左）以及三个波段在三个不同表面的反射率（右）

3.结果与讨论

3.1 通道1,2,3a的海雾辐射特征

选择三个区域来解释不同表面的辐射特性（图1）。a区域经过海雾，水，b区域存在海面高云，c区域存在地面中云。图1的右侧给出了在a，b，c区域内通道1，2,3的反射率。由图显然看出，海雾的3a通道的反射率低于通道1，高于通道2（190~290个象元在a区域），但另外的物体没有这样的特征，例如浑浊水（130~170个象元在a区域）或者干净水（300~400象元在区域a）：通道1gt;通道2gt;通道3a。这也可以证明雾区在通道2反射率为15%~45%，但是云区的反射率在45%以上且水小于10%。

云对大气传输有很大影响。根据米氏散射理论，粒子散射效率，表示与入射辐射频率相比的散射强度，是由尺寸因素决定的，这反映了粒子半径r和入射波长lambda;的相对大小，并被表示为2Pi;r/lambda;。当尺寸因素接近6，即粒子半径接近入射波长，散射效率达到最大值。另一方面，即粒子半径远大于入射波长，散射效率趋于2。一般来说，雾的大小约为几微米，而普通的云滴大于10微米。基于上述信息，对于雾滴而言，通道3a（1.58-1.64mu;m）的散射效率高于通道2（0.705-1.0mu;m）和1（0.58-0.68mu;m）。由于以与入射辐射相同的频率重新发射，因此将增强卫星高度处的信道3a中的辐射。所以，卫星在雾区中通道3a中测得的反射率高于通道2。考虑到云和雾的表面反射率很高，重新发射的增强可能不足以使卫星在通道3a中测得的反射率高于通道1，因此在通道3a测得反射率低于通道1.

图2 海雾AVHRR3五通道频率分布

图3类海雾云AVHRR3的五个通道频率分布

3.2红外和可见光波段的纹理特征

卫星测量的通道1，通道2，通道3的反射率之间的关系在海雾区是有效的，但是有些与雾滴在尺寸上类似的云，也会有类似于海雾在通道1通道2，通道3的反射率特征。一般来说，海雾是紧贴地面的云且具有与其他云不同的纹理。为了进一步分析这个问题

选择适合辐射特性（通道1gt;通道3agt; 通道2）的海雾（图1中的区域1）和类似于海雾的云（图1中的区域3）然后，显示他们两个红外窗口通道的亮度温度（BT）的频率分布和两个可见光通道和一个近红外通道的卫星测量反射率（R）（图2为海雾；图3为类海雾的云）。在光谱的可见区域中，海雾的频率分布显示单峰形状，而类似于海雾的云的频率分布是锯齿状的。这明显显示出雾顶部是光滑的而云是粗糙的。在红外亮温方面，它们的频率分布是类似的。为了显示纹理特征定义一个参数，它是相邻八个像素与一个像素之间的反射率（或亮度温度）差的标准差，并标记为P。构建通道2和4的P图像。在统计中，发现雾像素中的P在通道2中小于1.0并且在通道4中小于0.1。P可以表示可见光与红外波段的纹理特征并且用于判断海雾区域

3.3探测计划以及监测方案

基于上述分析，设计一种海雾探测的方法并由五步组成。

1）在雾检测之前，需要对AVHRR3的1b级进行辐射校正和校准

2）卫星测得的通道1,2和3a的反射率满足通道1gt; 通道3agt; 通道2，并使通道2的反射率大于15％。这将简单地从背景（水体）和一些具有大液滴（冰晶）的中云或高云中区分海雾和一些类似于海雾的云。

3）海雾贴近表面，从而在窗口通道它们的亮度温度接近周围不太冷的水表面亮度温度。我们在CLAVR（来自AVHRR的云判断）算法中的研究有一些有用的信息和参考，其中一个发射型云/无云阈值测试是4-5（四减五测试 - FMFT）亮度温差的通道。FMFT主要是用来探测卷云（Inoue 1985）同时可以用来探测中纬度的冷水滴云团（Luo等. 1995）。通过拟合BT4中的四次或五次多项式来定义FMFT阈值。这些细节可以在一些论文中找到（Stowe等1999）。因此，为了减少类似海雾的低温云所带来的误差，FMFT完成后，要求通道4（BT4）的亮度温度高于265K。

4）在逐个象元的完成第2和第3步后，剩下的变成了互相独立的一系列区域。由于云（包括海雾）总是覆盖某个区域，因此在该步骤中考虑将逐块区域判断确定海雾。基于纹理分析的内容，计算每个区域的P的中值。如果P（ch2）[P_m（ch2）]的中值小于1.0，则该区域直接被认为是海雾。由于一些云雾和海雾是并行相连的，这使一些区域由云和雾并行组成。在这些区域的P（ch2）中指也是大于1.0的。为了消除这些影响，P（ch2）的中值大于1.0的区域被分为两种区域：P（ch4）的值小于0.1;另一种P（ch4）大于0.1。在每种类型中，有许多子区域彼此独立。对于这两种子区域，进行P（ch2）的中值小于1.0的判断。 P（ch2）的中值小于1.0的任何子区域也被认为是海雾。

5）在1~4步后，满足区域几乎都是海雾。然而，结果中存在一些像素数很少的零星误判区域（包括点），例如类似于海雾的一些云的边缘。一般来说，海雾发生在中国海域都有较大的区域。 为了清除那些零星区域，计算每个区域的像素数，并且要求大于100。通过修改那些错误判断段或点，通过AVHRR3 / NOAA检测海雾。

基于上述计划，最后的0230 UTC 0317 2005的监测结果在图5显示。海雾区域是黑色的。 它表明图1中的雾区1和2被很好地检测到。

图5 0230 UTC 0317 2005中国海域监测结果（黑色为海雾）

4 结论

通过比较AVHRR3 / NOAA的通道1,2和3a处的卫星测量反射率，我们得出结论，在海雾区域，卫星测得的通道3a的反射率低于通道1，并且高于通道2。通道2的反射率在15-45％之间。基于米氏散射理论，简单解释了海雾的辐射特性，指出一些具有相同雾滴尺寸的云可能具有相似的辐射特性。为了分析海雾和类海雾云的纹理特征，定义了纹理参数P。在统计学中发现P（ch2）小于1.0并且P（ch4）小于0.1。基于这些信息，设计了一种使用AVHRR3监测海雾的简单方法，并获得了良好的检测效果。

雾检测方案是有效的，并且可以轻松应用于配备了类似的AVHRR3频段MODIS。我们通过米氏散射理论简单解释了通道1,2和3a中海雾的辐射特性，但是需要进行使用辐射传输理论的模拟工作来确认该特性。此外，海雾检测的验证也是未来的工作。

致谢

本文报道的研究结果已被中国国家海洋局关于SIO的卫星海洋环境动力学国家重点实验室开放基金会No.200509所支持。

参考文献

1. B. Wang, Sea Fog, China Ocean Press, Beijing, 1985.

2. M. Treacute;mant, 'La Pregrave;vision du brouilliard en mer, Meteorologic Martime et Activies,' Oceanograpiques Connexes Raport, WMO. 20, 127 (1987).

3. G. E. Hunt, 'Radiative properties of terrestrial clouds at visible and infrared thermal window wavelengths,'Q.J.R. meteorol Soc., 99, 346-369 (1973).

4. J. R. Eyre, J. L. Brownscombe and R. J. Allam, 'Detection of fog at night using advanced very high resolution radiometer (AVHRR) imagery,' Meteo. Magazine. 113, 266-271 (1984).

5. J. Turner, R. J. Allam and D.R. Maine, 'A case study of the detection

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