? 事件背景 ?

我國位于世界四大沙塵暴多發(fā)區(qū)之一的中亞地區(qū)，沙塵暴成為影響我國生態(tài)環(huán)境的最主要自然災(zāi)害之一。沙塵暴是在特定的地理環(huán)境和下墊面條件下，由特定的大尺度環(huán)流背景和各種不同尺度的天氣系統(tǒng)疊加所誘發(fā)的一種災(zāi)害性天氣。由于我國北方地區(qū)氣候干旱，沙化土地面積大、分布廣，地貌結(jié)構(gòu)獨(dú)特，每年春季受西伯利亞冷空氣和蒙古氣旋的影響，沙塵暴災(zāi)害天氣頻繁發(fā)生。

3月15日，我國遭遇了近十年來強(qiáng)度最大、影響范圍最廣的一次沙塵天氣過程，北京受其影響嚴(yán)重，沙塵來襲伴隨Pm2.5、PM10指數(shù)爆表，首要污染物為PM10，空氣質(zhì)量達(dá)嚴(yán)重污染等級(jí)。繼3月15日沙塵天氣之后，3月27日滾滾黃沙自蒙古國又席卷而來，造成這兩次沙塵天氣過程的始作俑者是爆發(fā)力驚人的蒙古氣旋。此次沙塵過程的強(qiáng)度較14日至17日的強(qiáng)沙塵暴過程略弱，但卻聰明了許多，居然學(xué)會(huì)從海上迂回前進(jìn)，向東南傳輸至黃海上，之后隨著東北風(fēng)回流到長江口區(qū)，3月30日上海遭遇罕見的沙塵天氣，空氣質(zhì)量爆表，長三角多個(gè)城市的PM10飆高。

? ? ? 截至當(dāng)前，今年1月至3月我國北方地區(qū)已經(jīng)出現(xiàn)6次沙塵天氣過程，其中兩次為強(qiáng)沙塵暴過程，是近15年以來強(qiáng)沙塵暴最多的一年。據(jù)統(tǒng)計(jì)，過去10年我國1月至3月沙塵天氣平均發(fā)生次數(shù)為4次，其中強(qiáng)沙塵暴發(fā)生頻次低于1次。

? 分析過程 ?

? ? ?航天宏圖依托PIE-Engine打造的大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)SaaS平臺(tái)，充分發(fā)揮靜止氣象衛(wèi)星高時(shí)間分辨率的優(yōu)勢(shì)，第一時(shí)間進(jìn)行了沙塵過程監(jiān)測(cè)與發(fā)展趨勢(shì)分析，利用RGB合成技術(shù)、多通道動(dòng)態(tài)閾值法、機(jī)器學(xué)習(xí)方法等多種先進(jìn)技術(shù)，開展了沙塵判識(shí)、沙塵強(qiáng)度指數(shù)計(jì)算以及沙塵強(qiáng)度等級(jí)劃分，提供了高時(shí)效高精度的大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)服務(wù)，以及污染物溯源、預(yù)測(cè)等分析服務(wù)。

? ? ? ?靜止氣象衛(wèi)星（FY-4A、Himawari-8）的紅外窗區(qū)通道（8~12 μm）對(duì)于通常大氣氣溶膠幾乎沒有響應(yīng)，但對(duì)于較大顆粒且濃度較強(qiáng)的沙塵氣溶膠，尤其是沙塵暴有明顯的信號(hào)反應(yīng)?；谝陨显?，航天宏圖利用RGB合成技術(shù)，基于氣象衛(wèi)星紅外通道，合成特定的沙塵紅外監(jiān)測(cè)遙感影像，生成沙塵偽彩色圖，圖中粉色區(qū)域?yàn)樯硥m區(qū)。從3月14日開始，蒙古國出現(xiàn)大范圍沙塵暴，于14日傍晚影響內(nèi)蒙古，15日凌晨開始影響京津冀地區(qū)。從3月27日沙塵監(jiān)測(cè)中可以看出：受東移鋒面氣旋云系的影響，沙塵區(qū)自西北向東南方向持續(xù)移動(dòng)。

航天宏圖基于靜止氣象衛(wèi)星（FY-4A、Himawari-8）在可見光、近紅外以及紅外光譜波段處觀測(cè)的反射率以及亮溫資料，結(jié)合多通道信息形成多個(gè)沙塵氣溶膠的判別變量，以多通道動(dòng)態(tài)閾值法提取沙塵信息，生成沙塵判識(shí)結(jié)果。從下圖中可以看出，黃色區(qū)域?yàn)樯硥m判識(shí)結(jié)果。經(jīng)估算，3月15日衛(wèi)星可視的沙塵區(qū)面積約為50.3萬平方公里，3月28日衛(wèi)星可視的沙塵區(qū)面積約為87.1萬平方公里。

? ? ? 同時(shí)，采用沙塵強(qiáng)度指數(shù)作為沙塵強(qiáng)弱的定量化指標(biāo)，基于靜止氣象衛(wèi)星（FY-4A、Himawari-8），考慮沙塵在熱紅外通道的光譜變化特征，選取沙塵強(qiáng)度監(jiān)測(cè)的敏感波段11μm，構(gòu)建可指示沙塵強(qiáng)度的紅外差值沙塵指數(shù)IDDI模型，生成IDDI沙塵強(qiáng)度指數(shù)產(chǎn)品。

? ? ? ?利用沙塵強(qiáng)度指數(shù)和沙塵判識(shí)結(jié)果，結(jié)合地面站點(diǎn)觀測(cè)資料，采用機(jī)器學(xué)習(xí)方法，確定基于靜止氣象衛(wèi)星（FY-4A、Himawari-8）的沙塵強(qiáng)度等級(jí)（浮塵、揚(yáng)沙、沙塵暴、強(qiáng)沙塵暴、特強(qiáng)沙塵暴等）。兩次沙塵過程均達(dá)到局地能見度不足500米的強(qiáng)沙塵暴等。

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? ? ? 選擇3月29日的沙塵過程及影響范圍的中間位置，鄭州作為污染源的單點(diǎn)位，污染源地理位置為：113.6425E，34.8138N。河南省內(nèi)（113.6425E， 34.8138N）、（117.38E，36.8571N）、（108.16041E，33.9052N）作為多污染源點(diǎn)位。基于HYSPLIT (Hybrid Single-Particle Lagrangian Integrated Trajectory model)模型結(jié)合氣象模式數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)污染源未來240小時(shí)的運(yùn)動(dòng)軌跡和溯源結(jié)果，模式數(shù)據(jù)類型為GFS（240h fcst, 3hrly, Global, pressure），得到單源點(diǎn)和矩陣式的溯源和軌跡預(yù)測(cè)結(jié)果。

? ? ? ?污染源軌跡預(yù)測(cè)結(jié)果表明，3月29日的沙塵天氣將會(huì)出現(xiàn)沙塵回流現(xiàn)象，沙塵天氣的回流主要是由于在系統(tǒng)性的偏北風(fēng)作用下，沙塵粒子會(huì)向下游傳輸，包括河北、河南、山東等地，都會(huì)受到沙塵天氣的影響。等北風(fēng)影響過后，逐漸轉(zhuǎn)為弱的偏西南風(fēng)，但下游地區(qū)的沙塵粒子并未完全沉降，空氣中仍然懸浮有一些沙塵粒子，在轉(zhuǎn)為弱的偏南風(fēng)的情況下，沙塵粒子會(huì)向北有一定的輸送，形成沙塵回流?；贖YSPLIT模型的軌跡預(yù)測(cè)結(jié)果與中央氣象臺(tái)發(fā)布的沙塵回流現(xiàn)象一致。同時(shí)受上游沙塵傳輸影響，華中區(qū)域局地有浮塵天氣，造成輕至重度污染，但未來一周區(qū)域多降水，受降水影響區(qū)域濕清除條件較好，沙塵天氣減弱消散，軌跡預(yù)測(cè)結(jié)果與環(huán)境氣象公報(bào)預(yù)報(bào)結(jié)果一致。

? ? ? ? 航天宏圖承研的風(fēng)云四號(hào)衛(wèi)星天氣應(yīng)用平臺(tái)（SWAP2.0）在沙塵天氣頻發(fā)的春季，為國家衛(wèi)星氣象中心業(yè)務(wù)保障沙塵過程監(jiān)測(cè)分析提供了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)支撐。在這兩次重大沙塵過程中，航天宏圖技術(shù)團(tuán)隊(duì)提供了全天候、全方位的技術(shù)保障。

? 自己動(dòng)手，監(jiān)測(cè)沙塵：Pie-Engine沙塵監(jiān)測(cè)代碼樣例 ?

? ? ? ? 作為一名愛好者，能否利用衛(wèi)星遙感技術(shù)，自己動(dòng)手監(jiān)測(cè)沙塵呢？下面就分享一個(gè)衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)沙塵的程序代碼。

? ? ? ?衛(wèi)星遙感沙塵監(jiān)測(cè)主要是利用懸浮的沙塵粒子與大氣中其他物質(zhì)對(duì)不同通道散射和吸收特性上的差異這一特征，從衛(wèi)星影像上判識(shí)沙塵發(fā)生位置及其移動(dòng)軌跡。沙塵粒子的消光特性在11μm通道較為顯著可用于沙塵識(shí)別，并且沙塵天氣下區(qū)域相對(duì)濕度較低，水汽在8.7μm通道特征顯著，可用于區(qū)別沙塵區(qū)和非沙塵區(qū).同時(shí)，沙塵氣溶膠光學(xué)厚度增加會(huì)增強(qiáng)BT12-BT11和BT11-BT8.7的亮溫差。因此，通常使用8.7、BT11-BT8.7和11μm通道進(jìn)行假彩色合成實(shí)現(xiàn)對(duì)沙塵的遙感觀測(cè)。

示例代碼：

https://engine.piesat.cn/engine-share/shareCode.html?id=159865b732d441578ca194663c15a36b

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?* @Time? ? :? ?2021/03/28

?* @Author? :? ?piesat

?* @Version :? ?1.0

?* @Contact :? ?400-890-0662

?* @License :? ?(C)Copyright 航天宏圖信息技術(shù)股份有限公司

?* @Desc? ? :? ?沙塵監(jiān)測(cè)

?*/

// 影像RGB合成，并加載到地圖

let roi = pie.FeatureCollection('user/101/public/shape/China');

let current = new Date();

// let now = current;

// let _date = "2021-3-15";

let _date = "2021-3-28";

let now = new Date(_date)

let sday;

let eday;

if (now === current) {

?now = new Date(now.getTime() + 60 * 60 * 1000);

? ? let year = now.getFullYear();

? ? let month = now.getMonth() + 1;

? ? let day = now.getDate();

? ? let hour = now.getHours();

? ? eday = `${year}-${month}-${day} ${hour}:00`;

? ? let yesterday = new Date(now.getTime() - 3 * 60 * 60 * 1000);

? ? year = yesterday.getFullYear();

? ? month = yesterday.getMonth() + 1;

? ? day = yesterday.getDate();

? ? hour = yesterday.getHours();

?sday = `${year}-${month}-${day} ${hour}:00`;

} else {

? ? let year = now.getFullYear();

? ? let month = now.getMonth() + 1;

? ? let day = now.getDate();

? ? sday = `${year}-${month}-${day} 10:00`;

? ? eday = `${year}-${month}-${day} 16:00`;

}

//加載Himawari-8 (葵花-8)數(shù)據(jù)

var col = pie.ImageCollection('H08/AHI-L1-G').filterDate(sday, eday);

var image = col.select(["B11", "B13", "B15"]).max();

print(image)

var imageRGB = pie.Algorithm.Himawari8.rgb(image,"Dust");

Map.addLayer(roi, {color: "ff0000", fillColor:"00000000"}, "roi")

Map.addLayer(imageRGB, {min:0,max:255}, "LayerRGB");

// 設(shè)置地圖顯示范圍

Map.setCenter(112.6, 32.5, 2);

Map.addUI(ui.Label(_date+"葵花8沙塵圖", {bottom:"10px", right: "150px",fontSize:"18px"}));

? 公司優(yōu)勢(shì) ?

? ? ? ?航天宏圖PIE-Engine平臺(tái)目前已接入30多類數(shù)據(jù)產(chǎn)品，總量超過500TB，為大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)提供所需的高分系列、風(fēng)云系列、葵花系列等多種衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)。每日新增數(shù)據(jù)量可達(dá)10-14TB，可及時(shí)為沙塵監(jiān)測(cè)、火點(diǎn)監(jiān)測(cè)、大氣污染監(jiān)測(cè)等提供最新數(shù)據(jù)，為用戶提供高效穩(wěn)定的大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)、預(yù)測(cè)、溯源、評(píng)估服務(wù)。

? ? ? ?除了豐富的數(shù)據(jù)資源，PIE-Engine平臺(tái)還提供多種類數(shù)據(jù)計(jì)算、處理能力。平臺(tái)目前總計(jì)集成算法270多個(gè)，完成PIE-Ortho、PIE-Basic、PIE-Hyp、PIE-SAR、PIE-SIAS等產(chǎn)品算法上云，可實(shí)現(xiàn)大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)所需包括光學(xué)、紅外、多光譜數(shù)據(jù)在內(nèi)的多種數(shù)據(jù)處理能力支持，以及顆粒物濃度分布、污染氣體濃度分布等多項(xiàng)專題產(chǎn)品生產(chǎn)。