李伟光 刘少军 李勋, 张国峰 蔡大鑫 韩静 赵婷

（1 海南省气象科学研究所，海口 570203 2 海南省南海气象防灾减灾重点实验室，海口 570203 3 海南省气象台，海口 570203）

0 引言

从1988年我国发射第一颗气象卫星“风云一号”，到现在具备完整的极轨和静止气象卫星相结合的综合卫星遥感观测能力，建成从全球综合观测到资料同化数值预报于一体的现代气象业务体系。气象卫星为我国乃至世界天气预报、防灾减灾和气候变化监测提供了强有力的支持，在数值预报、天气分析、灾害性天气监测、气候变化监测、生态和环境监测等方面取得了巨大的应用成绩。海南省气象局卫星遥感应用中心紧紧围绕海南陆地及南海气象监测与预报、生态文明建设气象保障服务需求，在灾害性天气监测、气象服务以及生态环境监测、农作物分布面积监测、长势监测等领域开展研究服务。近年来在静止卫星监测海雾、强对流取得成绩，提高了预报准确率；在应用极轨卫星开展橡胶长势监测、森林火灾监测及台风灾害评估等领域成效显著，收到服务单位好评。

本文总结了海南气象部门卫星遥感应用的发展历程及主要工作内容，并对存在的问题和下一步工作重点展开思考，以期建成完善的遥感综合应用体系。

1 海南卫星遥感业务建设回顾与现状

1.1 卫星遥感数据获取历程

1.1.1 极轨卫星

海南省气象局最早在1975年成立海口气象卫星云图接收站，接收美国第三代极轨气象卫星（TIROS/NOAA序列）发送的低分辨云图模拟资料。1992年，开始接收NOAA序列极轨卫星资料。2003年，开始接收FY-1系列气象卫星数字化信息，2004年接收极轨卫星EOS/MODIS实时遥感数据，并开展森林火情监测与陆地植被指数遥感监测业务。2005年，建成海口DVB-S卫星小站，可接收广州卫星地面站广播的FY-1、NOAA、EOS（Aqua/Terra）系列卫星数据。2010年，建成三亚极轨卫星直收站，接收FY-3、NOAA系列、EOS/MODIS（Aqua/Terra）等极轨卫星的遥感资料。2017年，建成临高极轨卫星直收站，具备接收FY-3D卫星和后续FY-3E卫星的能力。

1.1.2 静止卫星

1978年，海南气象卫星云图接收站，开始接收日本GSM-1（Himawari-1）静止气象卫星云图。1991年，建成多功能气象卫星资料接收系统，能接受GMS静止气象卫星展宽数字资料和低分辨资料。1993年，改造静止卫星高分辨接收系统，开始接收FY-2号静止卫星的高、低分辨资料。1998年，建成9210系统，接收定时播发的GMS-5监测信息。1998年建成海口FY-2系列静止气象卫星省级中规模利用站。2000年，三亚建成GMSDPS静止气象卫星云图接收处理系统，每隔1 h自动接收最新时次云图。2018年9月，建成万宁FY-4号卫星地面应用系统工程省级接收站。

1.1.3 其他方式

此外，还通过中国气象局卫星广播系统（CMACast系统）、互联网与国家卫星气象中心建立直通式数据共享服务方式，实现了包括我国气象卫星风云三号系列、风云二号、四号系列、以及美国对地观测系统（EOS）中分辨率成像光谱仪（MODIS）系列、美国国家海洋和大气管理局（NOAA）的第三代实用气象观测卫星（NOAA-19）系列等十多颗卫星数据的获取能力。2018年，先后与国家气象卫星中心、高分辨率对地观测系统海南数据与应用中心建立高分卫星数据获取渠道。至此基本建成从气象及高分卫星遥感数据接收到预处理系统，奠定了开展业务与服务的数据基础。

1.2 卫星遥感处理与应用系统建设

在卫星遥感处理与应用系统建设方面，主要经历了三个阶段，早期主要依靠卫星数据接收系统配套的处系统；2004年开始从广东、广西等先进省局引进卫星遥感数据处理系统，开展森林火情和陆地植被遥感监测业务；从2012年开始依托国家气象卫星中心的卫星监测分析与遥感应用系统（SMART）和卫星天气应用平台（SWAP）开展数据处理业务，并在此基础上开展自主卫星遥感处理系统研发。目前已经建成数据预处理、数据管理、多专题遥感监测应用及对外服务于一体化的卫星遥感综合应用系统。

2 气象卫星在海南气象服务中的主要应用

2.1 卫星遥感在气象预报中的应用

2.1.1 卫星遥感在琼州海峡海雾监测预报中的应用

海雾是指受海洋环境的影响下，在海上、岸滨、岛屿区由于水汽凝结而产生的大量水滴使得低层大气水平能见度小于1 km的天气现象[1]。2018年春运期间，琼州海峡和海南岛北部沿海市县受连日海雾天气影响，造成琼州海峡长时间停航，大量人流、车辆滞留海口。

海雾监测是开展此类天气事件决策服务工作的前提，而岸基和海基监测站点较为稀疏且部署位置相对固定，难以满足监测海雾动态发展的需要。因此，采用具有覆盖范围广、时空分辨率高的气象卫星进行海雾监测，可以较好地实现海雾持续、变化过程的动态观测。

针对2018年春运期间琼州海峡连日海雾天气，采用于2015年7月投入业务运行的新一代静止气象卫星葵花8（Himawari-8）提供的多通道数据，利用全彩融合多通道可见光图像和双通道亮温差法[2]，开展不分等级的昼夜海雾监测。雾在可见光波段的反射率一般较高，而土壤、植被、水体等各类地表反射率较低。因此，利用全彩融合可见光图像进行海雾监测，可较好地直接区分雾区与海表[2]。双通道亮温差法基本思想是，基于各通道的辐射特性，分别计算用于表征光学厚度、云属性/雨滴大小以及云顶/表面温度等物理属性的通道之间的亮温差，进而融合成目标物的可视化全彩图像[3-4]。全彩可见光（海雾）图像颜色色泽越是白亮，表示云顶高度较高（雾区明显）。图1为2018年2月14日夜间至15日上午全彩融合多通道可见光和双通道亮温差图像，较好地反映了的海雾动态演变过程。

2.1.2 在暴雨、强对流监测中的应用

海南气象服务区域除了陆地外，还包含广阔的南海。南海幅员辽阔，气象观测站点稀少，雷达覆盖率低。气象卫星在强对流监测，降水测量方面具有地基观测无法比拟的优势。特别是FY-4A卫星发射后，为监测广阔南海上的强对流天气提供了基础（图2）。通过监测凝结高度以上云顶属性如云顶温度、云顶降温等信号，可以比雷达首次探测到对流云反射因子达到35 dBz提前30 min[5]。目前基于FY-4A/AGRI通道亮温及云团形态的强对流云团初生已在短临预报中应用，正开展基于卷积神经网络进一步判识强对流发展研究以及基于背景场约束光流法洋面对流云团降水外推预报研究。

图1 2018年2月14日21时—15日15时的逐3 h葵花卫星夜间海雾识别（a～d）和全彩色可见光图像（e～g）Fig. 1 Himawari-8 satellite data retrieved for full color night fog (a-d) and visible (e-g) images in every 3 hours from 2100 LST 14 February to 1500 LST 15 February 2018

2.2 卫星资料在生态环境监测中的应用

2.2.1 在植被监测中的应用

植被生长状态监测是海南气象部门最早开展的卫星遥感应用。早在20世纪90年代就利用TM数据对海南尖峰岭国家森林公园林区内不同森林类型进行了监督分类与面积测算，初步掌握了各类林地面积消长情况，为森林保护和管理提供了科学依据[6]。利用MODIS植被指数月平均数据集开展气象因子（温度、降水）对海南岛植被指数的影响研究，发现海南岛年内植被指数的变化受温度的影响大于降水作用的影响[7]。

目前植被生态质量监测已经成为海南区域生态质量评价等工作的重要组成部分，依照《陆地植被生态质量气象监测评估业务规范》，按季度实时开展海南生态质量评价的相关工作，为气象影响评估、生态环境安全监测、重大生态修复工程实施与评估提供科学决策基础（图3和图4）。

2.2.2 在干旱监测中的应用

海南岛属热带季风海洋性气候，干季、雨季分明，台风降水比例大，加之受地形影响，降水时空分布非常不均匀，干旱成为制约农业生产的重要气象灾害[8-11]。海南岛蒸散量年际变化不大，年内具有明显的季节变化；降水对植被生态需水量的满足程度冬春季（12月—次年4月）普遍较低，东方、三亚地区尤为严重，冬季三亚地区降水的保障能力弱于东方；琼海地区干旱最轻，解除也最早，一般在4月[8]。经过多种指标监测干旱的发展过程，对比发现植被供水指数在反应海南干旱分布方面具有一定优势。该指数与综合气象干旱指数（CI）在时间变化和空间变化具有良好的对应关系[12]。以遥感反演的标准化植被供水指数为参数，融合土壤含水量数据构建了海南岛农业干旱综合指数模型，该模型能准确反映了作物因干旱生长受抑制的情况[13]，可用于干旱灾害遥感评估。

图2 2019年7月22日南海地区FY-4A卫星对流初生监测图Fig. 2 Primary monitoring of FY-4A satellite convection in the South China Sea on 22 July 2002

图3 2000—2018年海南植被生态质量指数变化趋势率Fig. 3 Trend rate of vegetation ecological quality index in Hainan from 2000 to 2018

2.2.3 在橡胶种植分布与长势监测中的应用

橡胶是海南最重要的农产品，也是气象为农服务的重点。气象卫星由于其在大范围植被监测方面的优势，在橡胶气象服务中起到不可替代的作用。首先在橡胶种植分布提取方面。利用多源数据，研究了多种橡胶林分布提取算法，例如基于MODIS NDVI物候特征参数[14]，基于TM影像的监督分类的方法[15]，基于多时相NDVI值变化曲线，以及橡胶树冬季集中落叶特性和蓬叶生长的周年生长变化规律[16]等方法提取海南岛橡胶种植面积信息，并互相验证提高准确率，为开展橡胶林分布动态监测提供技术支撑。

此外，开展遥感监测橡胶林春季叶片生长状况，从而提出病虫害防治、林间水肥管理等农事建议。通过监测不同时段的EVI值和相临时段EVI值的变化，识别橡胶林春季第一蓬叶的变化过程，抽芽期、展叶期和稳定期等叶物候期。根据从展叶期至稳定期所经历的叶片老化时间长短判断嫩芽嫩叶受气象灾害和病虫害概率。通过建立遥感监测的橡胶长势和产胶量之间的关系模型开展橡胶产量预报，为政府决策、橡胶期货和橡胶种植农户田间管理提供技术参考[17]。

目前，随着海南橡胶特色农业气象中心建设，已经建立面向东南亚橡胶主产国的动态遥感橡胶产量监测预报技术，可逐月监测东南亚橡胶长势，按国家提取东南亚橡胶产量。卫星成为橡胶中心旗下服务获取东南亚橡胶信息的主要手段。

2.2.4 在气象灾害影响评估中的应用

利用遥感技术开展气象灾害监测、灾害影响评估可以有效填补气象地面观测的空白，定量判断气象灾害危险程度、损失情况，进而提高气象服务的准确性和有效性。海南主要开展了台风、低温、洪涝三类气象灾害的遥感评估工作。

通过台风登陆前后橡胶林NDVI值的变化表示橡胶受损的程度（图5），分析它与台风破坏潜能、地形指数的相关性，建立了台风对橡胶林植被的影响力指数[18]。

图5 台风山神前后植被指数对比Fig. 5 Comparison of vegetation indices before and after Typhoon Mountain God

基于海南省橡胶种植的空间分布，对2008年初强低温阴雨发生前后橡胶产区的MODIS NDVI值进行了比较，NDVI值降低区域占到97.2%，其中26.7%区域指数值下降超过0.2。低温阴雨灾害后NDVI值与上年同期（未遭受寒害）相比，橡胶植被指数降低的区域占79.1%，14.6%的区域下降超过0.2。橡胶林间调查结果显示遥感监测NDVI下降程度与实际调查结果相符。因此判定2008年橡胶产区植被指数下降主要是受寒害影响[19]。

洪涝灾害遥感监测也是气象服务的主要任务之一。利用HJ-1A/1B-CCD数据，比较区分度对归一化差异水体指数、基于蓝光的归一化差异水体指数和混合水体指数3种水体指数纯水体、湿地的识别能力。基于蓝光的归一化差异水体指数水陆识别和水体面积提取精度最高，是海南岛洪涝灾害监测较为理想的方案[20]。

2.2.5 在人工影响天气作业中的应用

海南岛冬春季节干旱，人工影响天气是保障农业生产、生态供水的重要途径。人工增雨作业时机及效果评估需要分析不同云天条件时的水汽含量及其变化。应用地基GPS遥感大气水汽含量资料、逐时降水资料分析了不同云天条件下大气水汽含量特征与实际降水的对应关系以及不同降水云系的降水效率。GPS反演的水汽含量与探空计算得到的水汽数据具有较好的一致性，同时水汽含量值与地面降水吻合较好。FY-2的大气可降水量（PW）产品在夏季可以为大部分区域提供高时空分辨率、高精度的大气可降水量，在大气湿度非常低、冬季和夜间条件，反演结果精度有待提高[21-22]。

2.2.6 在大气环境监测中的应用

遥感数据在长期、大范围观测的可对比性，使得其在开展环境与气候变化具有显著优势。为掌握海南地区CO2浓度的变化，利用2002—2012年AIRS反演的对流层中层CO2产品，分析方法对海南地区年季月的时空变化特征。海南地区对流层CO2含量略高于云南低值中心，且呈现显著增加趋势，增速略低于全国水平，陆地上空增速略大于海洋地区；从季节波动来看海南地区最高值出现在为夏季，最低值均出现在秋季[23]。

利用OMI卫星反演的较高分辨率对流层NO2柱浓度数据，分析了海南岛NO2时空变化特征。海南地区对流层NO2柱浓度表现为上升的变化趋势，季节变化表现为冬季高于夏季，夏季浓度偏低和雨水的冲刷作用有关。结合MODIS卫气溶胶光学厚度产品、地面观测的空气质量指数分析海南地区NO2柱浓度分布与岛上经济水平和人口分布关系密切，NO2冬季偏高与旅游过冬人口增多和外源输送作用有密切联系[24]。

气溶胶光学厚度（AOD）是表征大气浑浊程度的物理量，与PM10、PM2.5、AQI具有较高相关性。卫星遥感资料显示，2018年海南岛AOD平均值仅为0.15左右，与近5年比较，海南岛AOD平均值呈现下降趋势（图6），表明海南岛空气质量在变好。分季节来看，一般1～2季度AOD值高于第3～4季度。

3 结论与展望

海南气象卫星遥感虽然在天气、气候、生态、环境监测等方面应用取得了一定进展，但仍局限于简单的云图主观判断、成熟遥感产品的二次分析、以及浅层次遥感研发，在数值模式资料融合、多源遥感资料的综合应用、适用于当地遥感产品开发方面的能力也发达省份相差较远。在海南落实全面深化改革开发，建设“三区一中心”工作中，快速建立功能完善、特色突出的省级遥感综合应用体系，进一步提升气象卫星遥感在海洋气象服务中的支撑作用，还需要重点从以下方面开展研究与应用。

3.1 建立微波散射计等传感器在海洋气象业务中的应用能力

卫星上搭载的微波散射计对热带气旋云雨大气的穿透能力，而且可以弥补海洋上观测站点稀疏的问题，解决目前热带气旋定位定强主要依靠云图形态解译以及海上卫星定量遥感精度不高等问题，一是通过区域风场的风速进行提取。针对有眼台风，通过观察风场风速的分布，寻找高风速区域中的极小值，可以快速、有效并且高精度的获取台风中心，清晰反映了台风位置和强度信息。加强静止卫星对中尺度对流云团监测、追踪和外推预警研究，提高卫星遥感在洋面强对流天气短时临近预报业务系统中应用。

图6 2014—2018年海南岛气溶胶光学厚度特征Fig. 6 Aerosol optical depth in Hainan Island from 2014 to 2018

3.2 开展沿海风暴潮监测与预报

海浪在台风等强烈的空气扰动下所引起的海面增高，这种升高与天文潮叠加时，海水常常暴涨造成自然灾害。精确的确定热带气旋的移动速度、强度和移动路径是开展风暴潮预报的关键。利用卫星遥感反演的风场和气旋位置等信息结合模型风场拟合卫星风场数据，通过风暴潮模式进行计算，可得到沿岸风暴潮增水值，提高预报的及时性和准确性。

3.3 开展海洋水色环境监测

由卫星数据生产的叶绿素、悬浮泥沙、海温、海面高度、海面风场、海浪等遥感产品。叶绿素、悬浮泥沙能够反映浮游藻类的分布，结合海面高度、海面风场能够识别出大洋中的锋面和中尺度涡，可以用来探测大洋渔场。另外叶绿素a含量可以反映海区浮游植物浓度的高低，通常在河流入海口及上升流附近，因为营养物质丰富而具有较高的叶绿素浓度，从而形成渔场;但是，叶绿素浓度过高之后导致水体透明度和溶解氧含量降低，对水中生命体不利，可以据此开展海洋生态环境状况监测与服务。