引言

沙尘暴是干旱半干旱地区常见的一种自然灾害，沙尘暴不仅给农业、林业、畜牧业、电力、通信、交通和人民生命财产和健康造成严重危害，而且还带来一系列诸如气溶胶气候效应等气候和环境问题^[1]。沙尘暴常发生在沙漠及其边缘地区，中国西北干旱区为世界上沙尘暴多发区之一^[2-4]。由于沙尘暴常发生在自然条件恶劣的地区，常规观测站点极其稀少，给沙尘暴的监测和预报及研究带来困难。

卫星覆盖范围广，探测波段多，是监测沙尘暴的有效手段。利用卫星遥感监测沙尘暴已经有不少成果，在沙尘暴的监测服务中发挥了很好的作用^[5-8]。搭载在Terra和A qua上的MODIS探测器，在0.4~14μm的电磁波谱范围内有36个波段，提供了较以往卫星探测器更多的信息，为更有效地监测沙尘暴提供了丰富的信息源。

本文通过对多次沙尘暴过程MODIS光谱特征的研究分析，确定了定量监测沙尘暴的方法，设计了定量判识沙尘暴范围和强度的沙尘指数，经过2002—2007年多次沙尘暴过程的验证，表明本方法能有效地对沙尘暴进行监测且方法简捷实用，适用于沙尘暴业务。根据西北沙尘暴遥感业务服务的需要，开发研制了自动运行的MODIS沙尘暴监测业务系统和基于RS和GIS沙尘暴影响评估业务系统，并在兰州区域气候中心遥感业务中进行试运行，效果良好。

1 资料来源及处理方法

MODIS资料来源于中国气象局兰州干旱气象研究所EOS/MODIS卫星资料接收系统接收的2002—2008年多次沙尘过程Terra或Aqua MODIS资料，经过地理定位和辐射校正，并将MODIS各波段探测值转换为反射率或亮温。

2 沙尘指数的构建

沙尘暴发生时，大量的沙尘粒子飘浮在空中形成沙尘云，沙尘粒子一方面反射、散射和吸收来自太阳的辐射，同时也阻挡沙尘下方下垫面的长波辐射，并向外射出长波辐射，使卫星传感器的探测值发生变化。通过对多次沙尘暴过程MODIS光谱特征分析，确定对沙尘敏感的波段，对几个敏感波段进行组合，构建定量监测沙尘暴的沙尘指数，对沙尘暴范围和强度进行定量监测。

2.1 沙尘暴光谱特征分析

为了了解沙尘暴与云以及其他不同下垫面光谱特征的特点，从多次沙尘暴过程中选取不同强度沙尘区、云、雪盖、沙漠、戈壁以及盐碱地为研究样区，提取出各样区的MODIS通道值，进行分析。

2.1.1 沙尘暴的反射特征

通过对不同样本区反射光波段光谱特征的分析，发现不同强度的沙尘区、沙漠、戈壁光谱曲线有一致性，均随着波长的增加而增大，但在各波段表现不同。沙尘暴区在0.469μm的蓝光波段(通道3)反射率较扬沙或浮尘低约0.15，随着波长的增加反射率迅速上升，在近红外波段与扬沙或浮尘区接近, 通道6(1.64μm)达最大约0.4，7通道略有下降。扬沙与浮尘特征很相似，在蓝光波段反射率约0.23，较沙尘暴区高，随着波长的增加反射率缓慢上升，也在6通道达最大，约0.34。沙漠、戈壁、盐碱地反射率也随波长增加, 沙漠、戈壁反射率低于沙尘区, 盐碱地高于沙尘区。

云和积雪反射率在可见光和近红外波段较高，在短波红外区直线下降，7通道达最低。

根据以上分析，设计了利用MODIS反射波段判别沙尘暴的沙尘指数NDSI

$ NDSI = \left( {B7 - B3} \right)/\left( {B7 + B3} \right) $

(1)

式(1)中，B3、B7分别为通道3和7的反射率。

分析发现在近红外波段(通道2)中，沙尘与其他样本差异最大，是区分沙尘的最佳波段，以此选通道2为另一判别指标。

经过分析发现，NDSI能够很好地将沙尘和云、雪区分开来，对沙尘浓度大的地方判别得较好，但对扬沙和浮尘区会与沙漠等高反射率地表混淆，发生误判。如以NDSI和通道2为判别指标，在沙漠等高反射率地表和较弱沙尘的判别上会产生误差。

2.1.2 沙尘暴的辐射特征

沙尘暴发生时，气流把大量的沙尘粒子带到大气中，形成沙尘云。沙尘粒子一方面反射、散射太阳短波辐射，另一方面阻挡并吸收地球长波辐射。在短波红外波段，既包含太阳短波辐射，又有地气系统热辐射，沙尘产生的辐射效应包含反射、散射和热辐射三部分。

根据范红等研究结果^[9]，沙尘的散射能力与沙尘粒径有很大关系，沙尘粒径越大所产生的散射越强。直径为1.5μm的沙尘粒子在波长为0.7μm和3.9μm的散射效率因子分别为2.3125和0.395；当直径增加到2.5μm时，粒子在这两个波段散射效率可达2.7988和1.7984，比直径为1.5μm的沙粒增加了1.21和4.55倍。而且，当散射效率因子大于1时，被粒子扰动的那块入射波波阵面面积要大于粒子本身的几何截面，粒子可以扰动它所占有的截面以外的电磁波并把它散射出去。这表明在短波红外波段，随着沙尘粒子的增大，沙尘散射的能量成倍增加。短波红外波段为沙尘的敏感波段，是探测沙尘暴的较好波段。郭铌^[8]等利用AVHRR资料研究监测沙尘暴的方法时发现，沙尘在3.7μm上亮度温度异常偏高，并用其作为监测沙尘暴的指标，取得了较好得效果。

从MODIS红外波段亮度温度变化曲线发现3.75、8.55、11和12μm波段处沙尘与其他样本区差别较大。通过分析发现8.55μm包含较多沙尘信息，提出另一个沙尘指数DSI

$ DSI = \left( {B20 - B29} \right) $

(2)

式(2)中，B20、B29分别为MODIS通道20和通道29的亮温，单位：K。

详细的判别方法可以参阅文献[10]，在此仅对对沙尘指数的构建做简单介绍。

3 个例验证

将NDSI、DSI这两个沙尘指数在2002—2007年多次沙尘过程进行验证，表明利用这两个指数能将沙尘判识出来。DSI不仅可以区分沙尘暴，其数值大小还可以反映沙尘强度。

以2004年3月27日沙尘暴个例为例。2004年3月27日，受蒙古气旋南侧偏西大风影响，蒙古国东南部和中国内蒙古中部地区出现了大范围的沙尘暴，同时甘肃省河西走廊和青海柴达木盆地也出现了沙尘天气。图 1a(见彩页)是11：36(北京时)TERRA/MODIS真彩色合成图(R、G、.B：1、4、3)，可以看到中国内蒙古中部与蒙古国交界处有一大片东北-西南走向的沙尘区，这片沙尘区的西面还有一些小范围的沙尘带；甘肃河西走廊和柴达木盆地也有较大范围的沙尘区存在。可以看到东部沙尘区与西部和南部沙尘颜色上有较大的差异，表明东部为沙尘暴，西部和南部为浮尘或扬沙天气。

分别取NDSI>0和DSI>33为判别阈值，对2004年3月27日Terra/MODIS资料进行沙尘定量判别，并根据DSI大小对沙尘强度进行划分，结果见图 1b(见彩页)。将两图对比，可以看到沙尘暴的范围和强度与MODIS真彩色合成图目视结果一致，与气象站沙尘暴监测记录对比，除云覆盖下沙尘卫星无法判识外，其他地区判别结果令人满意。

4 沙尘暴监测业务系统 4.1 业务系统设计思路

目前西北沙尘暴遥感监测业务服务中的主要问题有：1)沙尘暴遥感监测服务以卫星三通道真(假)彩色影像图定性的产品为主，对沙尘区域的识别需要遥感监测的专业人员在沙尘区做一定的标识，以供非专业人员阅读，影像中沙尘区不直观。2)产品仅停留“看图说话”阶段，对沙尘暴的范围和强度没有做定量分析，服务产品单一。3)沙尘暴遥感监测影响评估工作没有开展，对沙尘暴的影响面积以及受沙尘影响的土地状况没有做监测和分析。

鉴于以上不足，我们将上述MODIS沙尘暴监测方法业务化，并结合全国行政边界和土地利用数字地图进行沙尘暴影响面积、影响范围的评估，设计流程如图 2。

4.2 系统的主要功能

MODIS沙尘暴业务系统主要功能如下：

(1) 资料处理：对(level-0)进行检验和解码，形成L1A(level-1A) HDF格式的文件，计算1000米分辨率各像素点的地理定位，将MODIS原始数据转换为反照率(反射通道)或辐射值(发射通道)并对资料进行有关校正。

(2) 显示功能：显示单通道图和三通道真(假)彩色合成图。

(3) 沙尘暴监测：a.沙尘指数参数的设置：选择沙尘指数NDSI和DSI的阈值、沙尘等级的阈值和显示颜色。b.沙尘显示的方式：具有两种沙尘暴显示方式，一种将判识的不同强度沙尘暴叠加在MODIS真(假)彩色合成图像上；一种是将判识的沙尘暴叠加在全国土地利用图上。c.选择1000、500或250米分辨率，选择投影方式。d.沙尘面积统计：具有生成全国各省(直辖市)沙尘面积统计表、全国不同土地类型沙尘暴影响面积统计表、甘肃省各县沙尘暴的影响面积统计表和甘肃省不同土地类型沙尘影响面积统计表的功能，统计表能够以.html、excel和txt格式三种格式输出。

(4) 其他功能：系统还具有用户定义的算术运算、边界编辑与叠加、以图像或数据文件存储图像等多种功能，以及漫游、放大和缩小、调色板、挖图等基本图像编辑功能，在此不详细介绍。

5 应用实例

以2006年4月10日西北中东部发生的沙尘过程为例。2006年4月10日西北中东部发生较大范围沙尘过程，图 3(见彩页)为2006年4月10日12时28分Terra MODIS真彩色合成图(R.G.B/1.4.3)。可以看到甘肃河西走廊、内蒙古西部和宁夏大部分地区被沙尘覆盖，新疆东部在云的间隙中也有沙尘存在。在这张沙尘暴遥感监测图上，如果没有专业人员介绍，其他人员不容易看出沙尘区。

在业务系统中选择NDSI和DSI的阈值，再根据DSI的大小确定沙尘强度等级，本文中分四级，即可输出沙尘暴范围和强度叠加在Terra MODIS真彩色合成图上的沙尘暴范围与强度图(图 4，见彩页)。图中可以直观地给出沙尘暴的发生范围和沙尘暴强弱的区域，适合为非专业人员和公众服务。图 5(见彩页)是沙尘暴范围和强度与土地利用叠加图，从中可以看到沙尘发生的区域。

利用系统中的沙尘影响面积统计功能，可以生成全国各省(直辖市)沙尘面积统计表、全国不同土地类型沙尘暴影响面积统计表、甘肃省各县沙尘暴的影响面积统计表和甘肃省不同土地类型沙尘影响面积统计表的四张统计表，统计表能够以.html、excel和txt格式三种格式输出。表 1和表 2为以.html输出的全国按行政区域和按土地类型统计的不同等级沙尘面积，从中可以看到各省受沙尘影响的具体面积以及不同土地类型上沙尘的影响面积，从而为沙尘暴的影像评估提供基础数据。

从甘肃省沙尘暴业务服务的实际出发，对甘肃省沙尘影响做了更细致的统计，能够对甘肃省各县沙尘暴的影响面积和甘肃省不同土地类型沙尘影响面积进行统计，具体统计表产品与全国类似，在此不再赘述。

利用上述沙尘暴产品，可以使沙尘暴遥感监测服务产品定量化，丰富沙尘暴服务的内容和服务效果。

6 结语

(1) 在对沙尘暴的光谱特征分析的基础上构建的定量判识沙尘暴范围和强度的两个沙尘指数，经实际检验对监测沙尘暴十分有效，且方法简单，适用于业务应用。

(2) 从西北沙尘暴遥感监测服务的业务实际出发，开发的沙尘暴MODIS监测业务系统能够提供沙尘暴MODIS影像图、沙尘暴范围和强度遥感监测图、沙尘暴影响土地类型图、全国各省(直辖市)沙尘面积统计表、全国不同土地类型沙尘暴影响面积统计表、甘肃省各县沙尘暴的影响面积统计表和甘肃省不同土地类型沙尘影响面积统计表等产品，使沙尘暴遥感监测服务从定性向定量化和精细化服务发展。

(3) 由于缺乏地面沙尘强度观测数据，本文提供的沙尘强度是相对的，仅供参考。还需要通过地面观测和数值在这方面作更多的工作。

(4) 本系统仅在兰州区域气候中心做了试运行，不免存在问题，还需对系统不断改进和完善。