【摘 要】
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海雾作为一种灾害性的天气现象,一旦发生会给海上的船只航行、渔业捕捞以及沿岸城市的环境等带来严重影响,甚至威胁工作人员的生命安全与财产安全。因此,海雾探测产品对于减少灾害事故的发生具有重要意义。传统的海雾观测方式存在站点稀少、探测范围有限等缺点,而卫星遥感技术具有实时和大面积观测的特点,弥补了传统观测方式的不足。本文以黄渤海为研究区,基于Himawari-8卫星数据分别对白天、夜间和晨昏时刻的海雾及
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海雾作为一种灾害性的天气现象,一旦发生会给海上的船只航行、渔业捕捞以及沿岸城市的环境等带来严重影响,甚至威胁工作人员的生命安全与财产安全。因此,海雾探测产品对于减少灾害事故的发生具有重要意义。传统的海雾观测方式存在站点稀少、探测范围有限等缺点,而卫星遥感技术具有实时和大面积观测的特点,弥补了传统观测方式的不足。本文以黄渤海为研究区,基于Himawari-8卫星数据分别对白天、夜间和晨昏时刻的海雾及其它地物进行了光谱特征分析,构建了适用于黄渤海海域的全天时海雾遥感探测算法,并在长时间序列的Himawari-8卫星数据的基础上分析了黄渤海海雾的时空特征和生消规律特点。本文的主要研究内容包括:(1)基于Himawari-8卫星数据选取白天、夜间和晨昏时刻的海雾样本并分别进行光谱特征分析。通过匹配激光雷达数据和Himawari-8数据得到不同时段的海雾及其它地物样本,在光谱特征分析的基础上得到不同地物之间的光谱特征差异:在白天,低云和海雾在可见光的反射率高于海表而低于中高云,在红外波段的亮度温度高于中高云而低于海表,且由于海雾的米散射现象和逆温现象,导致海雾在第5波段的反射率和第14波段的亮度温度明显高于低云;故选取第1、2、3、5和14波段作为白天海雾探测的敏感波段。在夜间,各种地物在红外波段的光谱特征与白天相似,而在光谱曲线的峰值点,海雾和低云的亮度温度差异明显,故选取光谱特征曲线的峰值点波段,即第7、11、13、14和15波段作为夜间海雾遥感探测的敏感波段。晨昏时刻,海雾在可见光-近红外波段的反射率和中红外波段的亮度温度与太阳天顶角呈一元线性关系,即随着太阳天顶角的逐渐增大,反射率和亮度温度逐渐减小,而海雾在各个波段之间的光谱特征关系保持不变,表明海雾的米散射作用和逆温现象依然显著,故将第3、5、7和14波段作为晨昏时刻海雾探测的敏感波段。(2)针对白天、夜间和晨昏分别构建多种海雾遥感探测算法,包括机器学习方法和阈值法,并利用激光雷达数据、沿岸气象站观测数据和大雾监测报告等进行多重验证对比,确定白天海雾遥感探测算法为SVM算法,精度可达到86.42%;夜间海雾遥感探测算法为决策树算法,精度达到76.3%;晨昏时刻海雾遥感探测算法为多波段阈值法,精度为55.1%,晨昏时刻海雾探测精度较低的主要原因在于地物的光谱特征不稳定。(3)基于全天时海雾遥感探测算法对2016-2019年的Himawari-8数据进行海雾识别,并统计分析了黄渤海海雾的时空分布特点、生消规律等特征。在Himawari-8海雾识别结果的基础上,得到海雾发生频率的时空分布图表,并进一步分析黄渤海海雾的时空分布特征,发现黄渤海海雾主要发生在每年春夏季节的3~7月,总占比达到全年海雾的80%,秋冬季节则较少发生。海雾一般生成于夜间或黎明时分,维持的时间比较长,一般不低于5小时,甚至长达10天;随着太阳的升起和温度的升高,海雾一般在正午或午后时段消散,而小面积的海雾或薄雾则在上午时分逐渐减弱至消散。2016-2019年中,2017年的海雾发生频率最低,且海雾高发区范围最小;2018年海雾的发生频率最高,可达到15%,海雾高发区范围最广。黄海海雾的发生频率明显高于渤海,且呈现北高南低,东高西低的空间分布特点;渤海海雾的高发区在渤海海峡海域,其空间分布没有明显的规律特点。
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