葵花卫星在一次成都天府机场浓雾监测中的应用

摘要：利用日本葵花气象卫星多通道红外亮温数据，采取夜间微物理RGB合成方案，分析讨论2023年12月30-31日强浓雾天气的合成图特征。结果表明：这次浓雾天气过程具有明显的平流特征。夜间微物理RGB合成图能够有效识别和监测这次浓雾天气，雾区呈现为淡黄色均匀分布特征。雾区有着显著的移动趋势。

关键词：浓雾，天府机场，葵花卫星， RGB合成图像

引言

雾是一种悬浮于近地层大气，由大量微小水滴或冰晶组成的凝结物，能使水平能见度小于１km的天气现象。能见度小于500米的雾为浓雾。雾的形成和发展不仅与热力、动力作用相关，也受到气溶胶浓度、辐射传输作用等复杂的微物理过程影响，具有快速生成、爆发性发展等特征，同时也存在显著的局地性特点[1-4]，雾的准确识别和连续监测是航空气象中低能见度预警预报的基础。四川盆地属于我国大雾发生频次最高的地区之一，多辐射雾天气。各等级雾均在后半夜到早上最为频发，大雾和浓雾的持续时间较短，一般为 1~3h；成雾时间主要在夜间到日出前，消雾时间主要在日出后[5]。

根据四川盆地大雾多发生于夜晨的特点，利用日本葵花气象卫星8/9号多通道红外亮温数据，采取夜间微物理RGB合成方案，并以机场的实况观测数据进行验证。总结得到天府机场浓雾在卫星合成图上的雾区的显示特征；进一步了解该合成方案对雾的识别和监测能力。

1 数据与方法

1.1 数据

本文使用日本静止气象卫星葵花8/9号（Himawari 8/9）所搭载的多光谱成像仪（Advanced Himawari Imagers, AHI）提供的多通道红外亮温数据。AHI共有16个通道，包括3个可见光通道、3个近红外通道和10个红外通道，中心波长由0.46μm到13.3μm，空间分辨率为0.5到2.0km，每10min可获得1次圆盘图数据。地面数据使用天府机场每半小时一次的人工观测实况，及机场三条跑道自动观测系统测量得到的每分钟能见度和地面风数据。

1.3 RGB方法

目前的业务中，雾的识别和监测多应用单通道或者多通道温差法。本文采用夜间微物理RGB合成方案，合成图像利用红色、绿色和蓝色三原色，每个颜色取0到255之间的整数，代表着红色、绿色、蓝色每个颜色的贡献。根据不同高度、类型云的物理特征差异，将葵花卫星7、13和15三个通道的波长为3.9、10.4、12.4μm的红外亮温和亮温差，分别赋值为三原色的颜色范围（表1）。其中，BTD12.4μm - 10.4μm表征云的光学厚度，用来区别云的厚薄程度，指定为红色分量；BTD10.4μm - 3.9μm能够区别云的相态，指定为绿色分量；BTD10.4μm 表征地面温度信息，指定为蓝色分量。综合显示得到彩色RGB合成图像。

表1 夜间微物理RGB合成

2 特征分析 

天府机场日均起降航班超过1100架次，雾的发生时段和强度预报对机场的正常运行有重要影响。2023年12月30日夜间23:34时至31日上午11:00时，天府机场出现了11小时41分钟的强浓雾天气，此次过程影响了机场晚高峰和早高峰两个重要时段，导致了26架航班备降，76架航班延误。

12月30日白天开始，天府机场北部和东部存在西北-东南分布的大面积的低云团，向东南延伸到重庆西部，稳定少动，云高在400~1000米。该云团在真彩色可见光图上呈现为均匀亮白色（图1a）。夜间21:00时，在晴空辐射冷却作用下，低云团西南部区域气温降低较快，并在2~3m/s的近地面东北风作用下，开始缓慢向西南方向移动，移动过程中逐渐下沉接地，夜间RGB合成图像显示为均匀的淡黄色区域，这与盆地西部山区东北-西南向黄白色的中层云系有着明显区别（图1b）；22:00时，低云团的边缘区域开始有淡黄色的辐射雾生成和发展，逐渐与接地的低云融合在一起，图像中表现为淡黄色区域明显的扩大。23:00时前后，雾区继续向西南方向平流扩散，开始覆盖天府机场跑道。31日01:00时，淡黄色的雾区扩散达到最大，不仅完全影响天府机场，也覆盖了盆地中东部大部分区域，此时机场的能见度也降到最低至200米（图1cd）。雾区与西部的中层云团之间可见带状的净空区，这是由于天府机场西侧东北-西南向的龙泉山脉阻挡，海拔高度600-1000米。龙泉山两侧云区和雾区由较大差异（图1e）。相比较，两通道亮温差BTD3.9μm - 10.4μm的图像中颜色灰度和纹理相似，不能显著区分雾区与云区（图1f）。

图1 2023年12月30-31日卫星云图（a）可见光真色彩图；（b-e）夜间RGB合成图；（f）红外亮温差合成图（小三角为成都天府机场，小圆点分别为成都双流机场、重庆江北机场）

3 结论

利用葵花气象卫星红外亮温数据，采取夜间微物理RGB合成方案，对天府机场一次浓雾天气过程的云图特征进行分析，得到以下结论：

（1）夜间微物理RGB合成图可通过亮度和颜色的差异区别不同高度的云区和地面的雾区。低云/雾的平流作用导致的浓雾，需要关注机场周边低云的分布情况和夜间移动趋势，图像上呈现出均匀分布的亮黄色区域。

（2）相较于两通道亮温差的灰度图方案，夜间微物理RGB合成图能够更加准确和快速地识别雾区的位置和演变趋势。

参考文献

[1] 中国气象局. 2011. 雾的预报等级：GB/T 27964-2011. 北京：中国标准出版社，16. 

[2] 王庆，李季，樊明月等，2019. 济南一次平流辐射物的微物理结构及演变特征[J]. 气象，45（9）：1299-1309.

[3] 方春刚，郭学良. 2019. 华北一次浓度过程爆发性增强的微物理特征. 应用气象学报，30（6）：700-709.

[4] 石春娥，李耀孙，张浩，杨关盈，周建平. 2021. 安徽省不同等级雾和重度霾时空分布特征及地面气象条件比较. 气象学报，79（5）：828-840 .

[5] 李慧晶, 余芳, 李洪梅, 周琴, 郑飒飒. 2021, 四川不同等级雾的时空分布及其生消时间[J]. 高原山地气象研究, 2021, 41（2）: 88-93.

作者简介：赵润华（1984.12）男，汉族，四川省成都市人，研究生学历，高级工程师，从事航空天气预报。