引言

雾是一种灾害性天气现象。雾、特别是大雾对能见度的影响很大, 会严重影响到航海、航空及公路运输和军事活动, 常引发灾难性的事故。有关雾监测的方法研究已有多年, 并取得了重要的进展^[1-3]。常规的监测方法通常是在陆海表面布设站点进行人工或仪器的观测。这种方法不仅耗费大量的人力物力, 而且观测站点的设置密度和观测密度也难以满足监测的需要，特别是在监测和预报雾的生消动态方面, 常规方法困难更大。而具有宏观、快速和直观等特点的卫星遥感监测技术在这一方面具有独特的优势。国外从1970年代开始从卫星遥感图像上进行云雾识别^[4-5]。国内这方面的研究起步相对稍晚，但也取得了不少成果, 刘健等^[6]用NOAA卫星的AVHRR的通道3、4资料，分析了云和雾顶部粒子的尺度特征和分布状况，得到了通道3反射率的大小与云雾覆盖区有良好的对应性；居为民等^[7]用NOAA和GMS卫星对沪宁高速公路大雾进行初步监测应用；李亚春等^[8]使用GMS-5卫星资料进行了白天遥感雾的研究；孙涵等^[9]用频谱分析方法研究了气象卫星遥感图像上云雾的可见光和红外光光谱特征，阐述了雾在NOAA各通道的光谱响应特征及相关指标；薄冰等^[10]利用GOES-9卫星红外通道亮温差来反演低层云雾；马慧云等^[11]则研究了用EOS-MODIS数据检测平流雾。而应用我国气象卫星监测雾的研究比较少见。本文分析了雾在我国气象卫星FY-1D各通道图像上的光谱特征，并提出利用FY-1D监测雾的方法。

1 FY-1D气象卫星的特点

FY-1D是我国第二颗业务极轨气象卫星，于2002年5月15日发射，已连续稳定运行至今。FY-1D已广泛应用于气象、农业、林业、水利、海洋、军事等部门之中，已被世界气象组织列入世界气象业务应用卫星序列，为世界诸多国家提供了大量的气象和地球环境观测数据。FY-1D拥有10通道可见光和红外扫描辐射计(表 1)，运行过程中，实时向当地发送10通道、星下点分辨率1.1km的高分辨率图像数据，提供更多的地表灾情和环境监测信息。FY-1D在我国的每天过境的时次有两个，一个大约在北京时间7—10时，这个时段非常有利于监测早上大雾；另一个大约在19—22时，而这个时段则出现雾的概论很小。

2 FY-1D气象卫星雾的识别 2.1 雾的可见光特征

雾由靠近地面、漂浮在空中的极细小的水滴或冰晶粒子组成。雾滴的半径一般在几到十几个微米之间。雾中常含有大量半径小于1微米的微粒，其密度可达每立方厘米几千个，这些微粒对雾的光学特性及大气能见度有很大影响。雾滴一般比云中水滴小得多, 因此雾与云的辐射特性有较大的差异。这些差异在FY-1D卫星可见光图像上会有相应的表现。以2003年1月22日9时45通道1图像(图 1)为例进行分析，图中“A”为湖北省江汉平原的雾区、“B”是湖北与江西交界处的云区，“C”为陕西秦岭的雾区。由图可见，与下垫面相比，雾和云在图像中呈现较高亮度，说明它们在可见光波段上表现出较高的反射率。另外，分别在雾区“A”和云区“B”取一个50像元×50像元的区域(图 1中的矩形“1”和“2”)，分析其直方图，可以发现，雾区频谱较窄，反射率在30%~48%之间，而云区较宽，反射率从30%~88%(图 2)，可见，云区的反射率要明显高于雾区。

可见光图像上，雾区还表现出纹理均匀、边界整齐的特征，有时与地形等高线吻合(如图 1中的“C”)，而云区则纹理丰富，边界模糊。这是因为，雾与云相比，其粒子小而均匀，顶部较光滑，而云顶则较为粗糙。这些差异导致了雾和云反射性质有所不同。在图 1图像中再分别选取两个50像元×50像元的区域，一个为雾与地表混合区(图 1中矩形“3”)，另一个为云与地表混合区(图 1中矩形“4”)，比较它们频谱分布(图 3)可以发现，雾与地表混合区的直方图有两个明显的波峰，雾区和地表界限分明，而云与地表混合区的直方图则没能将云区与地表明显分开。

雾在FY-1D其它可见光通道也有以上光谱特征，这里不再赘述。

2.2 雾的红外特征

雾离地面相对较近，因此其温度与地表温度非常接近，在红外云图上的热对比很小，所以与可见光通道相比，红外通道雾的特征不太明显，特别是没有明显区分地表的特征。因此，FY-1D红外图像雾识别难度要更大一些。

FY-1D通道4和5均属热红外波段，太阳辐射能量很小，地物和云雾发射辐射是该波段的主要能量来源，其辐射随温度的变化很明显，在该波段内，传感器响应的主要是地物和云雾自身的热辐射。所以，在通道4和5上，雾区亮温接近或略低于地表(图 4a)，而云区亮温却明显低于地表(图 4b)。

FY-1D通道3为中红外波段，介于太阳辐射峰(0.5μm)与地物辐射峰(10.0 μm)之间，位于太阳辐射光谱曲线与地球大气辐射光谱曲线重叠处，既有太阳辐射又有地物辐射。当太阳没有升起来时，通道3上只反映地物辐射，此时雾和云在通道3图像上的特征类似通道4。随着太阳的升起，太阳辐射逐步增强，雾和云在通道3图像上的亮温逐渐升高，二者反而不易区分。因此通道3对雾的识别作用不大。

3 应用FY-1D监测雾的方法和应用实例 3.1 监测方法

综上所述，FY-1D的通道1和4是识别雾的两个代表通道。将雾、云和地表在通道1和4图像上的特征进行概括(见表 2)，根据三者的特征差异可得到应用FY-1D监测雾的方法。

3.2 应用实例

2006年10月11日早上，湖北省各地出现了不同程度的雾。7时04分FY1-D卫星通道1图像(图 5a)上，在江汉平原和鄂西北出现两条南北向的灰白带状区域，反射率约在20%~30%之间，且纹理较均匀，边界轮廓清楚，而鄂东南和鄂东北则出现西南-东北的亮白带状区域，反射率在25%~70%之间，且纹理粗糙，边界模糊。而通道4图像(图 5b)上，灰白带状区域的亮温和周围地表非常接近，大约286~289K之间，亮白带状区域则具有较低亮温，在270~224K之间。根据表 2中的雾、云和地表的特征差异可以断定，灰白带状区域为雾区，而亮白带状区域为云。同样分析，可以发现鄂东南、鄂西南局部有雾。FY-1D监测结果与实况基本一致。

4 结语

本文主要利用直方图分析法，通过典型个例，对雾在FY-1D卫星各通道的光谱特征进行分析，并提出了应用FY-1D卫星监测雾的方法，并在实际业务中得到很好应用。另外需要指出两点：(1)前面所提及的“云”一般指中、高层云，这是因为低层云和雾的光谱特征非常相似，有时二者本身就是一个母体，这时就要参考当地的气象台站能见度观测数据和具体的天气实况；(2)本文所用FY-1D资料的地域范围只在湖北省及其附近，所以表 2中雾、云和地表的分割阈值特别是通道4亮温的分割阈值可能只适用于该范围。总的来说，应用FY-1D气象卫星监测雾，要综合考虑各通道图像光谱特征，还要了解当地的天气形势和地理背景等相关信息，才能准确了解雾的时空分布。