基于卫星资料的夜间低云大雾监测技术研究

As a natural weather phenomenon, low stratus and fog have a significant impact on people's daily life and military operations. Monitoring of low stratus/fog has become an important part of the atmospheric environment sounding system. The project aims to study the monitoring methods of low stratus/fog at night and twilight based on visible and infrared cloud images. (1) According to the gray value feature of DNB data under different moon conditions, the method of determining dynamic threshold is explored by using image segmentation technology. After three steps of distinguishing between low stratus/fog and underlying surface pixels, ice and snow pixels, and middle/high clouds pixels, preliminary detection result is obtained. Isolated noise pixels are eliminated by homogeneity detection and then the basic scheme for nighttime low stratus/fog monitoring based on image segmentation is established. (2) Statistical analysis of the basic physical parameters of nighttime low stratus/fog is performed. Radiative transfer model is used to simulate the albedo of top of atmosphere under different conditions. The main sensitivity factors are found by the sensitivity analysis, and the albedo threshold look-up table is established. After the similar post-processing process, the final low stratus/fog areas are obtained and then the basic scheme of nighttime low stratus/fog monitoring based on radiative characteristics is established.

低云大雾作为一种自然天气现象，对人们日常生产生活和军事行动具有重大影响，低云大雾监测已经成为大气环境探测系统中的重要组成部分。本项目开展基于微光云图和红外云图的夜间和晨昏时段低云大雾监测方法研究。（1）针对不同月相条件下的伪反照率灰度特征，利用图像分割技术，探索动态阈值的确定方法，经过区分低云大雾与下垫面像元、冰雪像元以及中高云像元三个区分过程，得到初步监测结果，并通过均匀性检测删除孤立噪声点，建立基于图像分割技术的夜间低云大雾监测方法；（2）统计分析夜间低云大雾的宏微物理参数，利用辐射传输模型模拟计算不同条件下的大气层顶反照率，通过敏感性分析寻找主要敏感因子，并建立低云大雾的反照率阈值查找表，经过相似的后处理过程得到最终的低云大雾区域，建立基于辐射传输特性的夜间低云大雾监测方法。

低云大雾作为一种自然天气现象，对人们日常生产生活和军事行动具有重大影响，低云大雾监测已经成为大气环境探测系统中的重要组成部分。星载微光云图成像仪近年来发展迅猛，根据我国气象事业发展战略和国家卫星气象中心在国际上公布的发展规划，我国后续风云系列卫星载有可在夜间和晨昏时段获取微光影像的微光云图成像仪，提升我国在夜间和晨昏时段灾害性天气监测能力。该仪器能提供了精确的地表反照率特征，为在夜间对地球的遥感探测提供了重要途径。为此本项目拟在前期相关低云大雾监测工作的基础上，基于国外现有DNB通道微光云图特征以及低云大雾的微物理光学特性，进一步开展基于微光云图和红外云图的夜间和晨昏时段低云大雾监测方法研究，为提升夜间低云大雾监测水平开展创新性科学研究，为我国相关载荷的研制与应用提供技术支撑。（1）提出了基于图像分割技术的夜间低云大雾监测方法。针对不同月相条件下的伪反照率灰度特征，利用图像分割技术确定动态阈值，经过区分低云大雾与下垫面像元、冰雪像元以及中高云像元三个区分过程，得到初步监测结果，并通过均匀性检测删除孤立噪声点。（2）提出了基于辐射传输特性的夜间低云大雾监测方法。统计分析夜间低云大雾的宏微物理参数，利用辐射传输模型模拟不同条件下的大气层顶反照率，通过敏感性分析发现影响其的主要敏感因子为云的光学厚度以及观测几何，依据敏感因子建立了低云大雾的反照率阈值查找表，经过相似的后处理过程得到最终的低云大雾区域。（3）通过实验验证提出算法的有效性。我们选取相关实例对所提出的低云大雾监测算法进行评估，精度分析结果表明传统亮温差值法的误警比明显较高，且本文提出的两种低云大雾监测方法的监测概率及严格成功指数高于传统的亮温差值法。综合观测等结果表明，两种算法的监测结果明显优于传统亮温差值法的监测结果，且基于辐射传输特性的多通道阈值法的监测结果优于基于图像分割的多通道阈值法的监测结果。