基于MODIS衛星觀測資料的中國黃海海域海霧研究

常成 鄭麗娜 孟偉

摘要：通過對2013年的MODIS衛星數據通道計算，運用現有的海霧遙感理論，對得到的云霧分離后的海霧圖像進行分析，得出基于MODIS衛星觀測資料的黃海海區海霧多發期海霧時空分布特征。

關鍵詞：MODIS衛星資料；通道；海霧；概率

引言

海霧是近海海域災害性天氣之一。海霧出現時，垂直和水平能見度極低，嚴重影響海上航運、捕撈作業等。海霧登陸時，能夠深入內陸幾十、甚至幾百公里遠，有時因穩定少變的天氣形勢而持續數日，給沿海岸地區海、陸、空交通增加困難。隨著沿海一帶經濟的發展，因海霧災害而造成的損失越來越大。海霧檢測技術的研究對于提高海霧預報準確率、降低海霧災害損失具有重大意義。利用MODIS衛星觀測資料，綜合運用各通道提取海霧信息，對云霧進行分離技術與應用研究，再選用適當的通道進行計算得到海霧概率分布圖，最后分析黃海海域海霧的時空分布特征。

1 算法介紹

基于本文的研究內容，特選取118°E-125°E，31°N-41°N 區域的MODIS衛星觀測資料進行處理。

1.1 白天算法

根據衛星遙感理論，層云和霧的反照率大于水體和地面，但小于中高云，在可見光的圖像上表征出不同的紋理和亮度。在紅外波段，霧粒子的輻射特性也隨著波長不同而不同。在長波紅外波段31通道附近，云、霧及其他不透明水云的輻射性狀類似于黑體，近乎完全發射長波紅外輻射，其輻射比率接近于1。

圖1：一次海霧過程MODIS衛星資料可見光、紅外通道數據在所取剖面上的變化圖

因此，白天太陽輻射可以被忽略，衛星測量到的云霧熱紅外波段的輻射轉化為亮溫，與云霧頂的物理溫度相等。所以，云霧所處的高度不同，紅外圖像反應出的亮溫存在差異。此外，26通道對卷云的監測效果理想，有利于在云霧分離中進一步濾除中高云的影響。

從圖1可以看到，中間是一個霧區，兩邊為中高云區和晴空區?？梢姽饧敖t外17通道在中高云區、霧區、晴空區反照率依次降低，霧區反照率波動范圍約為20～40%。26通道卷云檢測對于霧區和晴空區不敏感，數值較低。遠紅外32通道在中高云區為低值，在霧區和晴空區顯示亮溫較高且平滑。綜合利用上述通道，能有效提取霧區信息。

圖2：一次海霧過程MODIS衛星20和31通道的亮溫在所截剖面上的差異圖

1.2夜間算法

夜間MODIS衛星只有20至36通道數據。海霧粒子在紅外波段上的輻射特性隨波長不同有所變化。在沒有太陽短波輻射和相應的反射、散射，只有自身發射及大氣投射的情況下，大霧在3.7μm波段的有效亮溫比在10.7μm波段低。而對于發射率幾乎等于1的近黑體陸地表面和海洋表面，這兩個通道間的亮溫幾乎相等；地表發射率越低，10.7μm波段的有效亮溫相對于3.7μm波段就越低。因此，一般情況下，地表和大霧之間的BT10.7μm-BT3.7μm亮溫差大于2度。從圖2中可以看到，截取剖面由中高云區、晴空區和霧區間隔構成。20通道和31通道的數值在晴空區基本一致；在中高云區20通道遠高于31通道亮溫；而在霧區，20通道數值則低于31通道。利用這種原理能較好的區別中高云區、晴空區和霧區。它是目前夜間海霧監測的基本方法。再利用32通道對霧區亮溫的控制，能有效排除以上算法中誤判的積云體和比較高的層云。

圖3： 4-7月的海霧概率分布圖

2 黃海海區海霧多發期（4～7月）海霧時空分布特征分析

按照海霧判識算法，對2013年MODIS衛星資料進行反演，得到海霧多發期（4-7月）的海霧分布概率圖（圖3）。

從4～7月份的海霧分布概率圖我們可以看到：

四月份，海霧發生的區域主要位于黃海北部，黃海南部海霧發生的面積及概率都比較小，黃海南部大部分海區沒有海霧的發生。渤海在黃河口附近海域海霧發生的概率較大。

五月份，整個黃海北部中部及東部基本上都有海霧的發生，其中以黃海東部和中部海區海霧發生的概率最大。但在黃海南部海霧發生范圍及概率都不大。而渤海海區海霧則基本上發生在與黃海毗鄰的地方，大致可以認為是黃海海霧在渤海海區的延續。

六月份海霧發生的范圍覆蓋整個黃海海區，海霧發生的概率也比較大，其中以黃海中部、南部以及東北部海區海霧發生的概率最高。渤海海區也基本上都有海霧的發生，其中以黃河口附近海區海霧發生的概率最高。整個山東沿海地區都有海霧的發生，其中以日照以南海區海霧發生的概率最大。

七月份黃海海區海霧發生的面積大約占整個黃海面積的90%，海霧發生的概率普遍也比較大，其中尤以黃海東部發生的概率為最高，黃海北部和南部出現海霧的概率則相對較小。在江蘇沿岸海區海霧發生的概率也比較大。渤海海區海霧主要出現在渤海東部海域以及黃河口附近海區。

4 結論

1.通過對MODIS衛星數據的處理分析得出的黃海海區海霧時空分布特征基本符合一般的海霧分布規律，通過衛星辨別海霧具有一定的可行性。但以上結論僅用了較少的資料，可能包含了年際變化，要對海霧產生、發展、分布有個普遍性、規律性的認識，需要對其進行大量、長年的資料分析來進一步統計氣候態的黃海海霧時空變化特征。

2.以上分析只是建立在前人經驗總結的基礎之上，缺乏現實的觀測資料加以訂正對比。因此在以后的工作中，要在結合更多資料分析的基礎上，比對更多的探空、觀測資料對衛星資料處理結果進行進一步檢驗。

3.海霧自動判識算法仍存在很多問題，需要在日后的工作中做進一步的改進。包括：海霧在邊界區由于有水體的信息，容易被誤判為低云；低云在邊界區由于水體信息的混合，容易被誤判為海霧；海霧上有云覆蓋時，衛星判識為云；當低云的性質和海霧十分接近時，誤判率會提高等。

參考文獻

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Analysis of characters of sea fog of Huanghai Sea which are got by calculating MODIS satellites data

作者簡介：常成（1985-），男，漢族，山東壽光人，本科，助理工程師，主要從事短期天氣預報工作。