基于天氣雷達(dá)和極軌衛(wèi)星的火點識別應(yīng)用

陳有利，丁燁毅，黃鶴樓

(浙江省寧波市氣象臺，浙江 寧波 315012)

1 引 言

衛(wèi)星遙感可在森林火情、積雪、植被覆蓋、干旱、沙塵暴、臺風(fēng)、水情、城市熱島等方面開展監(jiān)測工作。進(jìn)入21世紀(jì)，衛(wèi)星遙感也在不斷地拓展著應(yīng)用領(lǐng)域。天氣雷達(dá)在強對流、臺風(fēng)、暴雨、颮線等災(zāi)害性天氣監(jiān)測預(yù)警中發(fā)揮著巨大作用，但國內(nèi)外對其在煙塵等空氣污染物監(jiān)測方面的研究和應(yīng)用還較少。本文利用兩者資料對寧波亞洲漿紙業(yè)有限公司(亞洲漿紙業(yè))大火進(jìn)行了監(jiān)測。通過這一個例的分析表明，雷達(dá)和衛(wèi)星資料互為補充，對高溫?zé)嵩袋c的監(jiān)測預(yù)警具有重要意義。

2 材料與方法

2.1 火情概況

2006年8月8日5時18分左右，位于浙江省寧波市北侖區(qū)小港青峙工業(yè)區(qū)宏源路88號的寧波亞洲漿紙業(yè)有限公司廢紙原料露天堆場突發(fā)大火，成千上萬噸用做原料的碎紙陷入火海，廠區(qū)的上空被煙霧籠罩，現(xiàn)場地面溫度一度達(dá)到45 ℃以上，數(shù)十米外就能感覺到灼人的熱浪，周圍的空氣中彌漫著刺鼻的焦臭味，在離火場10 km外，就能看到天空中升騰著長龍般的濃煙。此次大火燃燒近40 h，過火面積約4 600 m2。

2.2 天氣特征

當(dāng)天視場區(qū)域內(nèi)以多云天氣為主，無降水，地面以東南—東風(fēng)為主，風(fēng)速5～6 m·s-1，高空(500 hPa、700 hPa、850 hPa)基本上為南—東南風(fēng)控制，近地層925 hPa為東南風(fēng)，因該區(qū)域位于沿海，早晚水汽條件較好，有一定濕度。

2.3 位置信息

大火發(fā)生后，我們進(jìn)行了現(xiàn)場勘察，并通過衛(wèi)星定位儀(GPS)對火點進(jìn)行了定位。衛(wèi)星遙感分析得到的火點位置信息基本上和實際位置接近(個別遙感圖因地理位置未完全校正距離相差稍大)，而雷達(dá)分析得到的信息和實際火點位置有偏差，主要因為雷達(dá)探測到的是漂離火點的煙塵，而不是實際熱源點。火點位置監(jiān)測信息詳見表1。

表1 火情實際位置與監(jiān)測分析的位置對比Tab.1 The position comparison of the actual location of the fire and the monitoring analysis

3 結(jié)果與分析

3.1 天氣雷達(dá)

受空氣浮力和空氣流動的共同影響，廢紙原料燃燒產(chǎn)生的大量煙塵在一定的范圍和高度內(nèi)傳送和擴散，在濃度較大的情況下，雷達(dá)回波反應(yīng)明顯，圖1、圖2為各時次、各層次反射率因子>15 dBz區(qū)域的回波強度特征，雷達(dá)剖面圖見圖3。

圖1 各時次雷達(dá)回波特征圖(說明：仰角為0.5°，時次為06、11、16、21時，圖像已作Z≤15 dBz的過濾處理)Fig.1 Observed radar reflectivity at elevation 0.5°at 0600 BT 8 Aug 2006, 1100 BT 8 Aug 2006, 1600 BT 8 Aug 2006, and 2100 BT 8 Aug 2006

3.1.1 雷達(dá)回波的時間特征 ①回波因燃燒產(chǎn)生的煙塵反射雷達(dá)電磁波而形成，且大火現(xiàn)場為煙塵的源地，表現(xiàn)在圖1上為下風(fēng)方有一回波極大值區(qū)，在風(fēng)向一定的情況下，回波的上風(fēng)端位置固定。

②回波走向為東南—西北，與925 hPa(基本上為1 000 m高度)的主導(dǎo)風(fēng)向一致。

③回波面積主要受地面火勢影響，隨地面火勢的強弱而生消和發(fā)展，由圖1可間接判斷出16時前火勢已基本上得到控制。

④回波大值區(qū)的位置基本固定，當(dāng)火勢一定時，回波強度也少變。

與降水回波的時間變化相比，煙塵產(chǎn)生的雷達(dá)回波固定少動，強度不是太大，而降水回波的強度和位置一般是變化的。

圖2 10時左右各層次雷達(dá)回波特征圖(說明：仰角層次為0.5°、1.5°、2.4°、3.4°，圖像已作Z≤15dBz的過濾處理)Fig.2 Observed radar reflectivity larger than 15dBz at elevation 0.5°at 0600 BT 8 Aug 2006, 1100 BT 8 Aug 2006, 1600 BT 8 Aug 2006, and 2100 BT 8 Aug 2006

圖3 10時左右雷達(dá)剖面圖Fig.3 Cross-section of radar reflectivity at 1000 BT 8 Aug 2006

3.1.2 雷達(dá)回波的空間特征 ①回波發(fā)展高度低，離地約1.5 km左右，只存在于仰角為0.5°、1.5°、2.4°的產(chǎn)品中；煙塵受熱力、浮力和重力等共同影響下不可能升得太高。

②回波面積隨仰角的增大而減小，說明煙塵主體在1 km以下。

③可以明顯看到火情源地附近的煙塵柱；在0.5°雷達(dá)產(chǎn)品的剖面圖17～20 km處，自下而上為一回波較強區(qū)，底部最大強度超過40dBz。

與降水回波的空間變化相比，煙塵產(chǎn)生的雷達(dá)回波只存在于低仰角區(qū)內(nèi)，離地高度低，而降水回波可存在于更高的高度。

綜上所述，煙塵產(chǎn)生的雷達(dá)回波位于火情源地下風(fēng)方，固定少動，離地高度低，強度不是太大，在仍有較大火勢時強度中心基本不變，但在下風(fēng)方邊界的大小隨時間有所增大或縮小。

3.2 極軌衛(wèi)星

由于火區(qū)燃燒釋放熱量，致使地表溫度升高，向外發(fā)射紅外輻射值也增大，故被識別出為異常高溫點。利用衛(wèi)星遙感資料生成的火情圖像，很容易將異常高溫點從環(huán)境中辨別出來。

CH3的閾值(門檻值)設(shè)置與現(xiàn)場火勢的強度、環(huán)境氣溫的高低有關(guān)。對初發(fā)生的火情和基本接近尾聲的火情，因其與背景差別不大，火點不易識別，這時CH3的閾值應(yīng)設(shè)低些；隨著環(huán)境溫度升高，火勢增大，這時CH3的閾值應(yīng)設(shè)高些。圖4中的紅點就是我們在不同時間中衛(wèi)星遙感監(jiān)測到的火點，其中CH3通道亮溫的閾值設(shè)置FY-1D為303 K，NOAA16為325 K，NOAA18為335 K。

圖4 寧波東北部衛(wèi)星遙感圖(白色為云)Fig.4 Satellite remote sensing in northeastern Ningbo (white represents cloud)

4 結(jié)語

文中研究了天氣雷達(dá)和極軌衛(wèi)星的火點識別應(yīng)用，得到如下結(jié)論：

①天氣雷達(dá)為帶煙塵大火的監(jiān)測提供了一種新的手段。它能得到燃燒產(chǎn)生的漂浮物在較高的時間和空間分辨率上的形態(tài)，從而間接分析出地面火勢。

②燃燒引起的煙塵產(chǎn)生的雷達(dá)回波固定少動，中心強度不強、變化不大，且位于下風(fēng)方，邊界大小隨時間有增減，離地高度低，與降水回波存在明顯的差異。

③天氣雷達(dá)和衛(wèi)星遙感聯(lián)合監(jiān)測，資料互補，可提高大火監(jiān)測的準(zhǔn)確度和靈敏度。

在衛(wèi)星遙感資料監(jiān)測火情時，隨著環(huán)境溫度的變化，通道閾值可能需要微調(diào)，才能達(dá)到理想的監(jiān)測效果，在今后的實踐工作中將進(jìn)一步積累經(jīng)驗。

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