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基于Himawari-8数据的夜间海雾识别

郝姝馨 郝增周 黄海清 牛瑞 潘德炉 顾吉星

郝姝馨,郝增周,黄海清,等. 基于Himawari-8数据的夜间海雾识别[J]. 海洋学报,2021,43(11):166–180 doi: 10.12284/hyxb2021158
引用本文: 郝姝馨,郝增周,黄海清,等. 基于Himawari-8数据的夜间海雾识别[J]. 海洋学报,2021,43(11):166–180 doi: 10.12284/hyxb2021158
Hao Shuxin,Hao Zengzhou,Huang Haiqing, et al. Nighttime sea fog recognition based on Himawari-8 data[J]. Haiyang Xuebao,2021, 43(11):166–180 doi: 10.12284/hyxb2021158
Citation: Hao Shuxin,Hao Zengzhou,Huang Haiqing, et al. Nighttime sea fog recognition based on Himawari-8 data[J]. Haiyang Xuebao,2021, 43(11):166–180 doi: 10.12284/hyxb2021158

基于Himawari-8数据的夜间海雾识别

doi: 10.12284/hyxb2021158
基金项目: 国家自然科学基金重大项目课题(61991454);南方海洋科学与工程广东省实验室(广州)人才团队引进重大专项(GML2019ZD0602);全球变化与海气相互作用专项(JC-PAC-YGST);国家重点研发计划(2016YFC1401903)
详细信息
    作者简介:

    郝姝馨(1995-),陕西省渭南市人,主要从事海雾的遥感监测研究。E-mail:hhsxx@outlook.com

    通讯作者:

    郝增周,江苏省盐城市人,研究员,主要从事海洋遥感研究。E-mail:hzyx80@sio.org.cn

  • 中图分类号: P732.2;P407

Nighttime sea fog recognition based on Himawari-8 data

  • 摘要: 海雾是一种发生在海面的灾害性天气现象,掌握海雾的分布与生消变化,能有效地减少海雾带来的危害。卫星遥感观测具有近实时、大范围覆盖、连续观测等特点,特别是高时间分辨率的静止卫星观测系统,能够对海雾的发生−发展−消亡过程进行动态跟踪观测。本文以2018‒2019年黄、渤海发生的海雾事件为样例,利用日本静止气象卫星Himawari-8(H-8)红外辐射数据,分析海雾的多通道红外亮温辐射特性,通过不同波段差和波段比组合,定义海雾和晴空水体分离指数、海雾和一般云系分离指数、多通道亮温差斜率指数以及中红外亮温纹理指数,提出基于多指数概率分布的夜间海雾监测算法;算法分别应用于H-8和韩国静止气象卫星GEO-KOMPSAT2A(GK-2A)数据,对2020年2‒6月发生的6次海雾事件多时次卫星观测识别出的海雾位置分布和覆盖面积进行对比实现互验证,结果表明,本文提出的夜间海雾监测算法能有效地实现夜间海雾的识别;选择2020年4月29日夜间H-8和GK-2A 每10 min一次连续观测数据的监测结果,对海雾的发生区域进行跟踪分析,清晰地展现出此次海雾事件的发生、发展演变过程,说明算法能清楚地监测出各时段海雾的分布,跟踪海雾的发展变化,可为海上大雾的防灾减灾提供科学依据和决策基础。
  • 图  1  2020年4月29日 15:30 (UTC) 研究区域H-8卫星影像(a)和研究区域主要环流路径 (b)[32]

    Fig.  1  H-8 satellite image of study area at 15:30 (UTC) on April 29, 2020 (a) and distribution of main flow fields in the study area (b)[32]

    图  2  不同地物类型在7个通道的亮温分布

    Fig.  2  Distribution of brightness temperature of different types of feature in 7 channels

    图  3  不同典型地物样本分布区域(a)及其在亮温差($ {BT}_{3.89}-{BT}_{8.59} $)和亮温差($ {BT}_{9.64}-{BT}_{10.41} $)上的散点分布(b)

    海雾区标识为区域1;晴空水体区标识为区域2;低云区标识为区域3和区域4

    Fig.  3  Sample distribution areas of different typical features (a) and their scatter plot distribution on ( $ {BT}_{3.89}-{BT}_{8.59} $) and ($ {BT}_{9.64}-{BT}_{10.41} $)(b)

    The sea fog area is identified as area 1; the water area is identified as area 2; the low cloud area is identified as area 3 and area 4

    图  4  海雾与区域4的低云在亮度温度差(${{{B}{T}}_{3.89}-{B}{T}}_{8.59}$)和亮度温度差(${{{B}{T}}_{3.89}-{B}{T}}_{9.64}$)上的散点分布

    Fig.  4  Scatter distribution of (${{{B}{T}}_{3.89}-{B}{T}}_{8.59}$) and (${{{B}{T}}_{3.89}-{B}{T}}_{9.64}$) in sea fog and area 4

    图  5  海雾和一般低云云体的$ \mathrm{\sigma } \;\left({BT}_{3.89}\right) $频数分布

    Fig.  5  $ \mathrm{\sigma } \;\left({BT}_{3.89}\right) $ frequency distribution of sea fog and low cloud

    图  6  基于多指数概率分布的夜间海雾监测算法

    Fig.  6  Night sea fog monitoring algorithm based on multi-exponential probability distribution

    图  7  海雾样本的$ {BTD}_{\mathrm{c}} $频数分布直方图

    Fig.  7  Histogram of $ {BTD}_{\mathrm{c}} $ distribution for sea fog

    图  8  海雾样本的$ {BTD}_{\mathrm{w}} $频数分布直方图

    Fig.  8  Histogram of $ {BTD}_{\mathrm{w}} $ distribution for sea fog

    图  9  海雾和低云的RBTD频数分布图

    Fig.  9  RBTD frequency distribution of sea fog and low cloud

    图  10  H-8卫星与GK-2A卫星监测出的海雾覆盖面积对比

    Fig.  10  Comparison of the coverage area of sea fog monitor results based on H-8 and GK-2A

    图  11  海雾监测结果

    a. 2020年5月1月11:00(UTC)基于H-8卫星数据的海雾监测结果;b. 2020年5月1日11:00(UTC)基于GK-2A卫星数据的海雾监测结果;c. 2020年4月30日11:00(UTC)基于H-8卫星数据的海雾监测结果;d. 2020年4月30日11:00(UTC)基于GK-2A卫星数据的海雾监测结果

    Fig.  11  Sea fog monitoring result

    a. Sea fog monitoring result based on H-8 at 11:00 (UTC) on May 1, 2020 ; b. sea fog monitoring result based on GK-2A at 11:00 (UTC) on May 1, 2020 ; c. sea fog monitoring result based on H-8 at 11:00 (UTC) on April 30, 2020; d. sea fog monitoring result based on GK-2A at 11:00 (UTC) on April 30, 2020

    图  12  2020年4月9日基于H-8卫星数据的海雾监测结果

    Fig.  12  Sea fog monitoring result based on data of H-8 on April 29, 2020

    图  13  2020年4月9日基于GK-2A数据的海雾监测结果

    Fig.  13  Sea fog monitoring result based on data of GK-2A on April 29, 2020

    图  14  2020年4月29日黄、渤海域在1 000 hPa的风场、湿度场

    a.11:00 (UTC) 的风场、湿度场;b. 14:00 (UTC) 的风场、湿度场;c. 17:00 (UTC) 的风场、湿度场;d. 点A(35ºN,122ºE)处11‒17时(UTC)的温度廓线分布

    Fig.  14  Wind field and humidity field at 1 000 hPa of the Yellow Sea and Bohai Sea on April 29, 2020

    a.Wind field and humidity field at 11:00 (UTC); b. wind field and humidity field at 14:00 (UTC); c. wind field and humidity field at 17:00 (UTC); d. temperature profile of sea fog occurrence and growth stage on April 29, 2020 at A (35ºN, 122ºE)

    表  1  H-8及GK-2A波段特征

    Tab.  1  Band characteristics of H-8 and GK-2A

    通道H-8GK-2A
    带宽/μm中心波长/μm星下点分辨率/km带宽/μm中心波长/μm星下点分辨率/km
    10.43~0.480.4710.45~0.490.481
    20.50~0.520.5110.49~0.520.511
    30.63~0.660.640.50.63~0.680.640.5
    40.85~0.870.8610.85~0.880.861
    51.60~1.621.6121.37~1.381.372
    62.25~2.272.2621.59~1.631.612
    73.74~3.963.8923.74~3.933.872
    86.06~6.436.2425.79~6.636.402
    96.89~7.016.9426.74~7.217.042
    107.26~7.437.3527.20-7.427.242
    118.44~8.768.5928.41~8.778.472
    129.54~9.729.6429.43~9.819.502
    1310.3~10.610.41210.12~10.5910.372
    1411.1~11.311.24210.90~11.5611.352
    1512.2~12.512.38211.81~12.9212.342
    1613.2~13.413.28213.02~13.5713.242
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    表  2  用于海雾红外辐射特性分析的卫星遥感影像数据

    Tab.  2  Satellite remote sensing image data used for infrared radiation characteristics determination of sea fog

    日期H-8观测时间(UTC)区域
    12018年3月23日18:00, 18:30, 19:00黄海海域
    2018年3月24日11:00‒12:30 (间隔10 min) 黄海海域
    2018年3月24日13:00‒19:00 (间隔30 min) 黄海海域
    2018年3月25日11:00‒19:00 (间隔10 min) 黄海海域
    2018年3月26日11:00‒19:00 (间隔30 min) 黄海海域
    22018年4月18日17:00, 18:00, 19:00黄海南部和东海北部海域
    32018年5月8日13:00‒19:00 (间隔30 min)黄海中南部、山东南部沿海、辽宁东南部沿海
    2018年5月9日11:00‒19:00 (间隔30 min) 黄海中南部、山东南部沿海、辽宁东南部沿海
    2018年5月10日11:00‒15:00 (间隔30 min) 黄海中南部、山东南部沿海、辽宁东南部沿海
    42018年6月19日21:00渤海、黄海中部和北部海域
    52019年2月24日18:00黄海西部海域
    62019年4月7日11:00‒17:00 (间隔30 min)黄海南部海域、浙江沿海及东海海域、福建及台湾海峡
    2019年4月7日17:20‒19:00 (间隔10 min) 黄海南部海域、浙江沿海及东海海域、福建及台湾海峡
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    表  3  用于算法验证和结果分析的卫星遥感影像数据

    Tab.  3  Satellite remote sensing image data used for algorithm validation and result analysis

    日期H-8观测时间(UTC)GK-2A观测时间 (UTC)区域
    12020年2月18日18:00, 18:30, 19:00, 19:3018:00, 18:30, 19:00, 19:30渤海中部、西北部及陆地
    22020年4月29日12:30‒17:00 (间隔30 min)*12:30‒17:00 (间隔30 min)*辽东半岛东部沿海、渤海北部、黄海大部海域
    2020年4月30日12:00‒17:00 (间隔60 min)12:00‒17:00(间隔60 min) 辽东半岛东部沿海、渤海北部、黄海大部海域
    2020年5月1日12:00‒14:00 (间隔60 min)12:00‒14:00 (间隔60 min) 辽东半岛东部沿海、渤海北部、黄海大部海域
    32020年5月16日11:0011:00黄海中部和南部海域
    42020年5月23日12:0012:00黄海北部和南部、东海北部
    52020年5月26日19:0019:00渤海东北部、黄海北部
    62020年6月3日12:0012:00黄海北部及东南部海域
      注:*代表当此时段用于海雾发生发展的跟踪分析时,时间间隔10 min。
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-11-26
  • 修回日期:  2021-02-24
  • 网络出版日期:  2021-08-25
  • 刊出日期:  2021-12-31

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