FY-3A/MERSI數(shù)據(jù)在典型大城市熱環(huán)境監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)中的應(yīng)用——以上海市為例

楊何群，周紅妹，尹 球，李永平，柏 樺

（1.上海市衛(wèi)星遙感與測(cè)量應(yīng)用中心，上海 201199；2.上海臺(tái)風(fēng)研究所，上海 200030）

一、引 言

中國(guó)自主研發(fā)的第二代極軌氣象衛(wèi)星系列風(fēng)云三號(hào)（FY-3）可對(duì)地球—大氣進(jìn)行全天候、全天時(shí)、三維、定量、多光譜的不間斷觀測(cè)［1］。中分辨率光譜成像儀（MERSI）是FY-3搭載的主要光學(xué)載荷，具備從可見(jiàn)光到熱紅外20個(gè)通道的探測(cè)能力。特別的，F(xiàn)Y-3/MERSI加強(qiáng)了對(duì)地物的精細(xì)觀測(cè)能力，將250 m分辨率通道從MODIS的2個(gè)增加到5個(gè)，可為城市土地利用、土地覆被變化、熱環(huán)境災(zāi)害等生態(tài)效應(yīng)監(jiān)測(cè)及機(jī)理研究提供高時(shí)空分辨率圖像。

近30年來(lái)，隨著工業(yè)發(fā)展、城市化進(jìn)程加快等引發(fā)的城市環(huán)境和氣候的變化，以城市熱島效應(yīng)為代表的城市熱環(huán)境災(zāi)害問(wèn)題已引起世界廣泛關(guān)注。一方面，城市空間熱環(huán)境受到地表物理性質(zhì)和人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的共同影響，是城市生態(tài)環(huán)境狀況的綜合概括與體現(xiàn)［2-3］；另一方面，它對(duì)城市空氣質(zhì)量、微氣候、能源消耗及公共健康等方面會(huì)產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響，甚至在一定程度上造成熱災(zāi)害［4］。作為中國(guó)新型自主的衛(wèi)星數(shù)據(jù)，探索評(píng)估FY-3/MERSI在典型大城市熱環(huán)境監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)中的應(yīng)用模式及潛力，對(duì)提升中國(guó)衛(wèi)星遙感自主應(yīng)用能力具有十分重要的意義。本文以中國(guó)典型大城市上海為例，對(duì)FY-3A/MERSI在城市熱環(huán)境與熱災(zāi)害方面的應(yīng)用進(jìn)行研究。

二、研究方法

1.FY-3A/MERSI熱環(huán)境監(jiān)測(cè)

（1）LST反演算法

地表溫度（land surface temperature，LST）是城市空間熱環(huán)境的主載體和量化基本，但遙感LST物理反演是一個(gè)復(fù)雜的求解問(wèn)題。在晴空大氣、局地?zé)崃ζ胶鈼l件下，假定地表為朗伯發(fā)射體，并且忽略大氣分子和氣溶膠散射，衛(wèi)星熱紅外傳感器接收的能量主要包括經(jīng)大氣削弱后被傳感器接收的地表熱發(fā)射輻射，經(jīng)地表發(fā)射后再被大氣削弱的大氣下行輻射，以及大氣上行輻射等3部分。因此，要獲取真實(shí)的地表溫度，必須剔除掉衛(wèi)星信號(hào)中由于大氣影響而包含的噪聲，即需進(jìn)行大氣校正。Jiménez-Mu?oz＆Sobrino以單個(gè)熱紅外通道為對(duì)象，對(duì)Plank方程作一階泰勒級(jí)數(shù)展開(kāi)，提出了把大氣校正包含在地表溫度反演過(guò)程中的普適性單通道算法［5］。鑒于 FY-3A/MERSI只有一個(gè)熱紅外通道，LST的反演適宜采用該算法，計(jì)算公式如下

其中

（2）LST衍生指標(biāo)

事實(shí)上，僅憑地表溫度的絕對(duì)值并不能完全反映熱環(huán)境或熱災(zāi)害的空間格局，可在遙感反演LST的基礎(chǔ)上，通過(guò)搜索標(biāo)識(shí)熱島中心，計(jì)算熱場(chǎng)溫度距平、熱場(chǎng)強(qiáng)度歸一化指數(shù)、熱島比例指數(shù)等參量，進(jìn)行熱島強(qiáng)度分級(jí)和面積統(tǒng)計(jì)，以及匹配下墊面介質(zhì)分析對(duì)應(yīng)關(guān)系［7］等，多角度呈現(xiàn)熱環(huán)境空間形態(tài)及定量信息，從而發(fā)現(xiàn)或揭示潛在的熱災(zāi)害。

2.耦合FY-3A/MERSI數(shù)據(jù)產(chǎn)品的熱環(huán)境預(yù)報(bào)

（1）FY-3A/MERSI在數(shù)值預(yù)報(bào)中的定量應(yīng)用

眾多數(shù)值模擬研究表明，LULC對(duì)天氣氣候模擬有重要影響［8］。用以模擬的LULC數(shù)據(jù)需保證精確性、時(shí)效性和足夠的分辨率。特別是對(duì)城市氣象環(huán)境的模擬，由于城市特殊的下墊面性質(zhì)，使得在中尺度背景場(chǎng)下更需細(xì)化城市下墊面。250 m分辨率的MERSI數(shù)據(jù)能夠滿足上述需求。因此，筆者基于FY-3A/MERSI制備了上海地區(qū)春、夏、秋、冬四季250 m空間分辨率的LULC基礎(chǔ)數(shù)據(jù)集用于中尺度氣象數(shù)值預(yù)報(bào)模式WRF（如圖1所示）。

除LULC基礎(chǔ)數(shù)據(jù)外，實(shí)時(shí)反演的 FY-3A/MERSI地表溫度或者按季相、月際規(guī)律統(tǒng)計(jì)合成制備的LST數(shù)據(jù)集，也可作為初始場(chǎng)或背景場(chǎng)，與WRF結(jié)合，以間接同化的方式預(yù)報(bào)城市面氣溫等，用于熱環(huán)境災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警服務(wù)。需要注意的是，受觀測(cè)儀器、觀測(cè)算子近似、同化模式局限性等影響，同化系統(tǒng)會(huì)受到偏差問(wèn)題的困擾［9］。針對(duì)FY-3A LST反演結(jié)果的特點(diǎn)，需進(jìn)行質(zhì)量控制及系統(tǒng)性偏差訂正，將不合理的地溫值予以剔除，以保障進(jìn)入同化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)質(zhì)量。

圖1 上海市250 m FY-3A/MERSI土地利用（覆被）分布圖

（2）城市熱環(huán)境短時(shí)預(yù)報(bào)模塊

為進(jìn)行城市熱環(huán)境災(zāi)害的短時(shí)預(yù)報(bào)，還需開(kāi)發(fā)城市近地層氣溫的預(yù)報(bào)模塊，重點(diǎn)在于城市冠層參數(shù)化方案。方案中涉及的大氣控制方程如下，式中各符號(hào)代表參量詳見(jiàn)文獻(xiàn)［10］。

水平方向的動(dòng)量方程

熱量方程

湍流動(dòng)能方程

城市地面能量收支的確定

從試運(yùn)行的驗(yàn)證結(jié)果來(lái)看，模式氣溫與實(shí)際溫度可能還存在一定偏差，多數(shù)情況城區(qū)預(yù)報(bào)最高溫度、平均溫度比實(shí)測(cè)結(jié)果偏低，需進(jìn)一步優(yōu)化訂正。設(shè)計(jì)擬合預(yù)報(bào)結(jié)果與前一天氣溫差隨時(shí)間的變化趨勢(shì)自動(dòng)進(jìn)行客觀修正。

三、應(yīng)用實(shí)例

1.基于FY-3A/MERSI的上海市初秋熱環(huán)境監(jiān)測(cè)

以2010年9月21日的FY-3A/MERSI數(shù)據(jù)為例（如圖2所示），進(jìn)行上海市空間熱環(huán)境監(jiān)測(cè)與分析。結(jié)果為基于250 m FY-3A/MERSI的地表溫度分布空間特征精細(xì)化顯示。

從圖2中可見(jiàn)，上海LST分布差異由外圍到中心層次遞進(jìn)，城市熱島效應(yīng)明顯，熱島由中心城區(qū)呈放射性面狀過(guò)渡到遠(yuǎn)郊以鄉(xiāng)鎮(zhèn)為中心的小團(tuán)塊狀。城區(qū)地表溫度較高，高溫區(qū)域主要分布在人口密集的中心城區(qū)及北部寶山、嘉定能耗大、熱源強(qiáng)度高的工業(yè)區(qū)內(nèi)，最熱的區(qū)域出現(xiàn)在寶山東北部。中心城區(qū)周邊的近郊地區(qū)如閔行、浦東東北部、松江東部目前發(fā)展較快，也已成為新的熱力中心基質(zhì)區(qū)域，遠(yuǎn)郊則零散分布一些熱力斑塊。東南部沿海和崇明縣溫度整體處于較低水平，比中心城區(qū)低1.0℃ ～3.2℃，另有較大面積的水域及較密植被的城中公園形成多個(gè)冷島。另外，黃浦江也形成了一條穿越城市的長(zhǎng)條形相對(duì)低溫帶。統(tǒng)計(jì)分析表明，當(dāng)天地表溫度分布于23℃ ～34℃，并主要集中于27℃ ～30℃區(qū)間，32℃以上的高溫區(qū)面積比例僅占12%，顯示城市整體溫度狀況略熱，但熱環(huán)境災(zāi)害發(fā)生的可能性不大。

圖2 上海市250 m FY-3A/MERSI LST分布圖

2.融合FY-3A/MERSI的上海市盛夏熱環(huán)境分布預(yù)報(bào)

將FY-3A/MERSI數(shù)據(jù)產(chǎn)品引入WRF，改進(jìn)建成獨(dú)立運(yùn)行的上海市近地層氣溫預(yù)報(bào)模塊后，可獲得250 m分辨率的0～48 h的氣溫預(yù)報(bào)結(jié)果。所得數(shù)據(jù)既規(guī)避了衛(wèi)星探測(cè)受云污染影響，又優(yōu)化了預(yù)報(bào)時(shí)空分辨率，保證了氣溫分布全局的完整性。與常規(guī)數(shù)值預(yù)報(bào)結(jié)果對(duì)比，耦合FY-3A/MERSI后的數(shù)值預(yù)報(bào)能較好地模擬出城市氣溫的演變，清晰地顯現(xiàn)熱島形成和發(fā)展的過(guò)程，這也表明FY-3A衛(wèi)星探測(cè)資料可有效改善數(shù)值預(yù)報(bào)模式，尤其是模式初始場(chǎng)與背景場(chǎng)。

圖3為2011年7月28日上海盛夏時(shí)節(jié)的一個(gè)預(yù)報(bào)實(shí)例。由圖3可見(jiàn)，日出后，隨著太陽(yáng)輻射的增溫作用，上海熱高溫區(qū)呈中心城區(qū)向西部郊區(qū)蔓延的趨勢(shì)，特別是8:00—11:00升溫迅速，平均增溫速率在0.5℃/h以上，至中午13:00，熱島強(qiáng)度達(dá)最強(qiáng)，到午后14:00，熱高溫區(qū)面積比例達(dá)最大，此時(shí)也是日最高氣溫的出現(xiàn)時(shí)段，城市下墊面整體偏熱。下午，熱高溫區(qū)又自西向東縮減。據(jù)此預(yù)報(bào)如下:①2011年7月28日上海城市熱環(huán)境將具有明顯的日變化特征，但熱中心位置會(huì)穩(wěn)定維持于中心城區(qū)，且中心城區(qū)比郊區(qū)有更長(zhǎng)的高溫持續(xù)時(shí)間。鑒于熱島作用下城區(qū)比郊區(qū)更易出現(xiàn)高溫，區(qū)域36.2℃的最高溫度出現(xiàn)于閘北區(qū)。② 以重化工業(yè)能耗布局為代表的寶山、嘉定兩區(qū)是除中心城區(qū)外的最先增溫區(qū)域，即熱浪過(guò)程將可能出現(xiàn)在這兩區(qū)。因氣溫升高會(huì)導(dǎo)致大氣層結(jié)逐漸趨于不穩(wěn)定，上下氣層湍流混合加強(qiáng)，底層大氣風(fēng)速增大，正午12:00，熱中心位置將略微朝下風(fēng)方向即北部寶山飄移。③由于海陸熱力性質(zhì)差異所致，青浦東北部、松江西部以及金山西北部屬隨后增溫區(qū)域，東部沿海則一直保持相對(duì)較低的溫度。④當(dāng)日白天熱環(huán)境分布成因主導(dǎo)是吸收短波輻射的強(qiáng)弱和傳遞過(guò)程，以及人為熱源排放導(dǎo)致的熱量增加，這些物理過(guò)程形成的湍流顯熱交換構(gòu)成了近地層熱量的主要來(lái)源。

圖3 基于FY-3A/MERSI的上海氣溫逐時(shí)預(yù)報(bào)

進(jìn)一步的，可進(jìn)行熱環(huán)境災(zāi)害潛勢(shì)預(yù)報(bào)。因2011年7月28日云系會(huì)稍多，故白天城市熱島強(qiáng)度變化較平緩，36℃附近的最高溫將不易造成典型的熱環(huán)境災(zāi)害，但中心城區(qū)、寶山、嘉定熱災(zāi)害危機(jī)度較大，尤其是13:00—14:00可能易發(fā)生人群高溫中暑、用電負(fù)荷較大等現(xiàn)象。由于中心城區(qū)、寶山、嘉定、青浦、松江、金山等最高氣溫預(yù)計(jì)超過(guò)了35℃，需分區(qū)發(fā)布高溫黃色預(yù)警。

250 m的氣溫預(yù)報(bào)格網(wǎng)也便于進(jìn)行局地小尺度氣溫預(yù)報(bào)。如圖4所示，2011年7月28日中心城區(qū)的高溫區(qū)出現(xiàn)于北部，自楊浦區(qū)中南部、虹口區(qū)、閘北區(qū)、普陀區(qū)中東部連成一片，且三大最高溫點(diǎn)均位于閘北區(qū)；次高溫區(qū)于黃浦區(qū)、靜安區(qū)、長(zhǎng)寧區(qū)東部連成一片；因依臨黃浦江及城中綠地的降溫效應(yīng)，楊浦區(qū)東北部、徐匯區(qū)中南部為相對(duì)低溫區(qū)。重點(diǎn)地標(biāo)如人民廣場(chǎng)、徐家匯、虹橋機(jī)場(chǎng)的最高溫度出現(xiàn)于14:00，但氣溫值各有差異，這與目前較統(tǒng)一的預(yù)報(bào)值相區(qū)別，突出了精細(xì)化特征。以上結(jié)果同時(shí)便于市民尋找相對(duì)清涼的避暑地。

四、結(jié) 論

通過(guò)FY-3A/MERSI數(shù)據(jù)在上海城市熱環(huán)境災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)中的應(yīng)用研發(fā)，結(jié)果表明，利用中國(guó)新型自主的FY-3A衛(wèi)星資料進(jìn)行以地表溫度-近地層氣溫為基礎(chǔ)的監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)是可行的。FY-3A/MERSI反演的250 m地表溫度及其衍生熱環(huán)境指標(biāo)能夠精細(xì)、客觀地揭示典型大城市的熱場(chǎng)分布格局，捕捉城市熱島形態(tài)特征與增溫效應(yīng)。另一方面，將基于FY-3A/MERSI的土地利用（覆蓋）分類及地表溫度反演結(jié)果融入中尺度氣象數(shù)值預(yù)報(bào)模式后，可起到有效改進(jìn)數(shù)值模式的初始場(chǎng)與背景場(chǎng)的作用，耦合城市冠層參數(shù)化方案，可生成時(shí)空精細(xì)化的城市氣溫短臨預(yù)報(bào)產(chǎn)品，應(yīng)用于不同天氣形勢(shì)下熱環(huán)境災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警服務(wù)，以及熱災(zāi)害機(jī)理分析。不過(guò)需注意到，數(shù)值預(yù)報(bào)氣溫與實(shí)際溫度可能還存在一定偏差，氣溫預(yù)報(bào)訂正方案還需優(yōu)化。

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