风云气象卫星在防灾减灾中的应用

今天早晨，南方大部地区最低气温继续刷新下半年来新低，最低气温10℃线南压至长江中下游附近。预计19日至21日，新一股冷空气将接踵而至，届时中东部大部地区气温仍将被压制，较常年同期将会持续偏低3～4℃。

近日，利用风云气象卫星FY-4A干涉式大气垂直探测仪（GIIRS）获得的850 hPa的温度，对10月15日12时和14日12时的温度进行对比分析发现，冷空气持续自西北向东南方向推进。

除了监测气温变化，利用卫星遥感技术对自然灾害进行监测评估还可以为防灾减灾工作提供重要的信息支持。

气象卫星具有成像范围广，观测频次高等特点，已成为自然灾害监测不可替代的重要手段。

经过几十年的努力，我国自主研发的风云气象卫星已成功发射了19颗，其中静止气象卫星10颗，极轨气象卫星9颗，已形成了系列化、业务化发展态势。

风云气象卫星具有全球、全天候、三维立体观测的能力，在空间分辨率、时间分辨率和光谱分辨率等方面都达到了国际上先进气象卫星的水平，在我国防灾减灾工作中发挥了重要作用。

此外，风云气象卫星作为全球综合地球观测系统的重要成员，被世界气象组织纳入全球业务应用气象卫星序列，也是空间与重大灾害国际宪章机制（CHARTER）的值班卫星，持续为全球的防灾减灾作出贡献。

台风监测

准确获知台风的位置强度，对于风雨影响范围和强度的预警预判具有重要意义，是防灾减灾的重要一环。

基于风云静止气象卫星，能够确定台风的初生和中心位置，估算其移向移速和强度，判断其登陆时间、地点以及风雨影响范围等。

融合应用风云静止卫星的连续快速观测和极轨卫星高空间分辨率观测，可以提高台风定位定强、三维结构、风场和降水产品的时空分辨率和精度。

其中，利用风云极轨气象卫星的被动微波资料可以获取台风温度、湿度三维结构，计算大风的影响半径和强降水区面积等。

新一代静止气象卫星风云四号A星（FY-4A）携带的干涉式大气垂直探测仪和闪电成像仪，为探测台风雷电活动以及外围环境场变化提供了新的手段。

在对台风位置强度和风雨影响准确监测基础上，利用风云卫星形成对台风影响的灾害评估，并对比分析灾前灾后的情况，通过遥感影像上反映出来的地表植被覆盖情况、水体面积变化等信息，对台风登陆后的受灾范围和强度进行评估。

暴雨监测

暴雨的发生和发展涉及到不同尺度天气系统的复杂相互作用。

在卫星云图上暴雨不仅具有大范围的云系特征，而且也具有较小尺度精细结构和对流云特征。

造成暴雨的主要影响系统——中尺度对流云团具有发展迅速和尺度小的特点，常规观测不足以捕捉其生命史中的变化细节及其结构，所以在暴雨监测、临近/短时预报等业务中，卫星遥感便成为十分重要的技术手段。

FY-4静止气象卫星具有分钟级的观测能力，可以近实时的监测暴雨的发生发展过程

干旱监测

风云气象卫星可以对大范围的干旱进行有效的监测评估。

基于FY-3极轨气象卫星数据，利用热惯量法和供水植被指数法等方法可以对全国范围进行干旱监测，利用垂直干旱指数方法对区域干旱事件进行监测，也可以利用FY-2和FY-4静止气象卫星资料的相对蒸散法进行干旱监测。

同时，基于FY-3的微波成像仪资料反演的土壤水分信息可以大范围的反映土壤湿度和干旱情况，这种方法受云层的干扰少，具有近全天候的特点。

高温监测

利用卫星资料对陆表温度的反演可以直接监测高温灾害。

陆表温度的反演算法很多，包括单通道法、多通道法、单通道多角度法和多通道多角度法等。

高温监测业务中比较常用的是单通道法和多通道法中的温度-比辐射率分离算法以及分裂窗算法。

雪灾监测

风云气象卫星可以用于积雪信息判识、积雪深度估算以及积雪监测产品制作。

积雪判识主要根据积雪在可见光、近红外、短波红外以及远红外通道的光谱特性，采用多通道阈值法提取出积雪信息，进而获取积雪覆盖范围及面积等。基于积雪反射率、积雪覆盖率与积雪深度之间的相关关系可以估算积雪深度。

积雪覆盖率和积雪像元反射率受到地形、植被覆盖率、土地覆盖类型等影响，在相同的积雪深度和不同的下垫面条件下，积雪覆盖率和积雪像元反射率差异较大。

在一定积雪深度范围内，积雪深度与积雪反射率或积雪覆盖率之间存在较好的相关关系，可利用这三者间的关系，考虑积雪下垫面、积雪性质以及积雪观测角度等的影响，估算出积雪深度。

在有云层覆盖的情况下，可以利用FY-3卫星微波成像仪MWRI获取积雪覆盖信息，而且还可以计算雪深和雪水当量等参数。

虽然微波成像仪资料的空间分辨率相对较低，但弥补了光学卫星遥感数据无法获得云层覆盖下地表信息的不足。

沙尘监测

沙尘暴多发源于人迹罕至的荒漠地区，地面观测很难获得沙尘的输出源头，而气象卫星则可以观测到荒漠地区从地面起沙到空中传输的全过程。

大气中的沙尘由沙粒、尘土等矿物质组成，会吸收和散射太阳的短波辐射及地面和云层发射的长波辐射，具有独特的光谱特征。通过比对沙尘暴光谱特征与其它光谱特征的差异，可以对沙尘暴进行监测。

在气象卫星不同探测通道数值组合的彩色卫星图像中，可以通过颜色、纹理和边界形状等特征识别出沙尘暴区域。

同时，还可以利用卫星数据定量计算出沙尘的光学厚度、沙尘粒子有效半径、大气中的载沙量、沙尘顶高度等信息。

对比分析多个时次的卫星图像，可以监测沙尘暴的发源地、移动路径、覆盖范围、影响面积，进而跟踪沙尘暴的发生和发展变化。

洪涝监测

利用风云气象卫星可获得洪涝灾害发生前后的江、河、湖泊等水体的面积、空间分布变化等信息。

FY-3气象卫星的中分辨率光谱成像仪MERSI可获得无云影响的地表水体信息。在有云层覆盖的情况下，FY-3号卫星微波成像仪MWRI可以用于获取洪涝信息。

不同地物的物理温度和发射率不同，在不同通道的亮温也不同。同一通道的水平和垂直极化信号对地物的感应是有差异的，而且不同的地物，这种差异也不同，相对于其它地物，水体的这种差异非常明显。因此，利用特定的微波指数可以较好地反映水体信息。

近些年来，在对2013年松花江流域洪涝灾害、2016年长江流域中下游洪涝灾害、2020年长江中下游洪涝和淮河流域洪涝的监测工作中，利用FY-3气象卫星等资料制作了大量监测图像图形产品和分析报告。

同时也对一带一路国家和地区，乃至全球的重大洪涝灾害事件积极开展监测。

森林草原火灾监测

风云气象卫星具有视野宽广、观测频次较密、对地面高温热源敏感的特点，在森林、草原火情监测及评估中发挥了重要作用。

由于火点引起中红外波段计数值急剧变化，造成与周围像元的明显反差，因此使用人机交互方式或者计算机自动判识算法都可以较准确地识别火点信息。

试验发现，当明火区的面积达到100 m²时，FY-3气象卫星就可以监测到。

随着FY-4气象卫星的发射，我国森林草原火灾监测的时效性大大提高，最高可以达到分钟级获得区域的森林草原火情监测信息。

风云气象卫星也可以对森林草原火灾的过火面积进行估算，在火灾损失评估中发挥重要作用。

国家卫星气象中心在利用风云气象卫星开展国内森林草原火灾业务化监测的同时，也关注一带一路和全球的森林草原火灾信息。

结论

随着我国气象卫星事业的快速发展，改变了以国外卫星资料为主进行灾害监测的被动局面。

增强风云气象卫星综合探测能力，提高定量应用水平，可以更好地满足防灾减灾应用需求。

1）在卫星仪器探测能力方面

研发全谱段、高分辨、全天候、全天时的遥感仪器，发展多源卫星协同观测模式，可使得观测时效趋于实时。综合利用微光、高光谱、红外、雷达等主被动遥感数据，能更加准确地获取全球大气、海洋和陆地定量信息，提高灾害监测评估精度。

2）在海量数据快速处理服务方面

利用云计算和大数据技术，建立风云气象卫星遥感综合应用平台，研发智能化卫星遥感灾害监测业务服务系统，实现远程可控、多维可视化、高效快速的监测服务，将大幅度提高自然灾害监测评估的自动化、智能化和快速响应能力。

3）在灾害的预测预警方面

发展风云气象卫星灾害监测评估技术与数值天气预报技术、陆面模型同化技术的综合应用能力，将提高自然灾害的监测评估精度，为灾害的预测预警提供信息支撑，为防灾减灾工作提供更加科学准确的决策依据。

本文作者：郑伟，王新，张晔萍，韩秀珍，唐世浩

作者简介：郑伟，国家卫星气象中心，正高级工程师，研究方向为卫星遥感生态环境与灾害监测评估。

论文全文发表于《科技导报》2021年第15期

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