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1、卫星气象学第三章云星气象学第三章云图识别第一节卫星图像的基本特征卫星云图是气象卫星最易最早进行的观测之一。早期气象卫星采用电视摄像机对地球大气系统进行观测，但是用这种仪器得到的云图只限于白天，到1970年代，美国第二代业务气象卫星姿态改为三轴定向稳定，观测仪器采用扫描辐射仪，可以选择2个或以上的波长间隔(通道)对地球大气系统进行观测，可以得到白天的可见光云图，还可以得到红外或其他类型的云图。卫星云图主要反映地面、云面的特性，所以卫星观测仪器在选取波长时应注意：减少大气对观测的影响：选用透明的大气窗区，尽可能避免存有气体吸收和散射的波段，以达到清楚观测地表或云分布；根据观测对象确定选用的波段：根
2、据目标物光学特性，观测对象与其他目标物间特征差异最大的波段；根据卫星观测的目标特性确定观测波段卫星资料的类型：图像资料，如卫星云图、水汽图等，它是由成像类辐射仪获取，这类资料成像迅速，时、空分辨率高，直观形象，水平分布连续，使用方便，但还须对图像进行二次处理才能进行定量分析应用；探测资料，为定量数字资料，光谱分辨率高，用于大气温度和成分的探测。卫星云图的主要应用范围 卫星云图为天气预报提供云参数、大气流场和各种大气物理过程等重要的气象信息，能监视常规天气图上无法发现的诸如中、小尺度灾害性天气现象；更重要的是卫星云图能提供海洋、人烟稀少的高原和沙漠地区的气象资料。 由于卫星云图的时空分辨率高，对
3、于监测海洋、地理、农作物生长和森林火灾有重要作用。对天气预报来说，卫星云图分析的主要内容：区分不同通道的云图，判别是可见光云图还是红外云图?对于分裂窗的红外云图又是哪个通道的等等；区别地表和云，尤其是将云和雪区别开来；识别不同种类的云，中云还是高云? 积雨云还是层状云等? 相同之处与不同之处?识别不同类型的地表，是陆地还是水体?如果是积雪，是新雪还是陈雪?等等；分析大范围云的分布及其对应的天气系统，根据天气尺度云系特点确定天气系统发展的阶段，预告其未来变化；从卫星云图估算气象要素，如风、温度、湿度、大气稳定度、垂直运动、涡度、云参数(云量、云顶温度(高度)和光学特性)和降水等；将卫星资料与常规
4、天气资料、雷达等探测资料结合一起，进行综合分析，为天气预报提供可靠的依据。决定卫星中观测仪器识别云和地面物体的能力（分辨率）的主要因子：（1）卫星的高度（2）观测仪器相对物象点的角度（3）云和地面某物体与环境的反照率相对差异大小（4）观测仪器的扫描线密度卫星携带的成像仪在不同谱段测量的辐射转换成不同色调的图像就得到卫星图像。卫星图像种类：（1）卫星云图，它主要反映大气中云系分布；（2）水汽图，其主要表示大气中水汽分布。风云二号卫星图像仪的观测通道一、可见光云图的基本特点可见光云图是卫星扫描辐射仪在可见光谱段（0.400.76m）测量来自地面和云面反射的太阳辐射。如AVHRR仪器的CH1(0.6
5、80.725m )通道静止卫星的0.520.75m通道。若卫星接收到地面目标物反射的太阳辐射转换为图像，卫星接收到的辐射越大，就用越白的色调表示；接收到的辐射越小，则用越暗的色调表示，这就得到可见光云图。在可见光云图上，物像的色调决定于反射太阳辐射的强度。而卫星接收到的反射太阳辐射由下列决定：（1）入射到目标物上的太阳辐射；（2）目标物的反照率。 入射至目标物的太阳辐射又与太阳高度角有关。因此，在可见光云图上物像的色调与其本身的反照率和太阳高度角有关。1、可见光云图特点(1)反照率对可见光云图上色调的影响在一定的太阳高度角下，物体的反照率越大，它的色调越白；反照率越小，色调越暗。从表中可以看出
6、：水面的反照率最低，厚的积雨云最大；积雪与云的反照率十分接近，所以仅从可见光云图上的色调难以区别云和积雪；薄卷云与晴天积云、沙地的反照率也很接近，也不易区别它们。 反过来，也可以根据卫星云图上的色调估算入射到地表面的太阳辐射、物像的反照率和双向反射率。(2)太阳高度角对可见光云图上色调的影响太阳高度角决定了卫星观测地面时的照明条件，太阳高度角越大，光照条件越好，卫星接收到的反射太阳辐射也越大，否则越小。这就是目标物的色调还与每天卫星观测的时刻和季节有关的原因。如在北半球冬季中高纬度地区，太阳高度角很低，照明差，图片色调十分灰暗。又如卫星在早晨或傍晚观测，太阳高度角也很低，图片色调也很暗。对于同
7、一图片上的各个点的太阳高度角也不同，如是上午的云图，图片右半侧(东面一侧)的太阳高度角较高，色调明亮，而左半侧，太阳高度角低，色调较暗。反之也可以根据这一特点判断云图的观测时刻，是否是可见光云图。对于静止卫星中午的云图，整个观测区的光照条件较好，物像间的反差明显，图片明亮。VIS图像中分析中需特别注意： 一是云与地面雪盖的区分，采取方法是运用VIS云图动画，由云动而雪盖不动特征来分辨，同时还可由其地理特征变模糊来判断有云存在。 二是小对流云块问题，当卫星视场中充满小而碎的积云（Cu）时，辐射一般来自云和地表的反射和散射。若云块比卫星辐射计分辨率小，图像将被平滑，而不像一般情况下所看到的对流云块
8、。 三是薄云问题，薄云虽然反照率低，但它能让比它更低的云或地表的光散射到卫星上，造成图像为来自不同高度层光线的混合图像，从而在高反照率的地表或沙漠之上的薄云看起来非常厚而亮，造成错觉。TIROS NNOAA系列卫星的第二通道波长范围为0.7251.10m，中心波长为0.87m，其波长范围主要处于近红外谱段，有很小部分处在可见光谱段，卫星于这一谱段观测到的云图称为近红外云图。该波段卫星观测的也是来自地面和云面反射的太阳辐射，但该通道物像的反照率与AVHRR第一通道不同，卫星测量的辐射也不同，反映在云图上物像的色调也不同。主要地面目标反照率随波长的变化如图：（1）从可见光波段到近红外波段，对于水面
9、的反照率随波长的增加明显减小；对于陆地或干燥的土壤的反照率，随波长的增加而增加，所以在近红外波段，水面与陆面间反照率差异加大；地表反照率随波长的变化对于植被，在可见光的红波段是叶绿素吸收带，植被长势越好，反照率越小；到近红外波段，植被的反照率显著增加。 因此利用该通道与第一通道综合应用可以监测植被生长状况、水陆界面、土壤湿度、冰雪融化情况、大气污染等。316m 近红外通道云图特点在NOAA-KL卫星上的AVHRR-3增加了一个1.6m近红外通道，增加这一观测通道的目的在于：可用于区分雪和云，由于在可见光谱段雪和云的反照率相近一般很难区别，而1.6m近红外通道与可见光通道相比较，通道上的反照率明
10、显高于由水滴组成的低云反照率，因此利用这一通道可以区分积雪和云；可观测云的相态；可观测气溶胶的光学厚度。下图给出了近红外波段和短波红外波段0.86、1.64、2.13和3.75m的色调。图a为层状云的色调变化：随波长增加，层状云色调越暗，3.75m段色调最暗；图b为对流云色调变化，色调随波长改变云的色调较层状云更暗些。不同波段对流云与层状云色调的变化层状云对流云二、红外云图的基本特点 红外感应器是测量来自云层顶面、陆地表面和水面所发射的红外辐射总量。这个总量反映出被测物体表面的冷热情况，并用图像表示出来，这种图就是红外云图。即在10.512.5m红外谱段，卫星接收到的辐射仅与温度有关，物体的温
11、度越高，卫星接收到的辐射就越大；温度越低，辐射越小。将辐射转换为图像，辐射大用暗的色调表示，辐射越小，色调越白。这样就得到红外云图。因此在红外云图上的色调表示了物体的温度分布。由红外云图上的色调可以推算地表面的温度。因而从严格意义上说，红外云图是一幅亮度温度分布图。根据卫星观测表明，大多数云的发射率为0.75左右，由卫星观测值按普朗克公式算出的温度，考虑到温度高低和视角的大小需加510K的订正，计算的云顶高度比实际的高1km。实际的表面温度与亮度温度间的关系为：2红外云图的基本特点(1)红外云图上地面、云面色调随纬度和季度而变化黒赤道到极地白原因：地面和云面温度向高纬度地区递减结果：高纬度地区
12、地表和云之间的温度差很小，所以在红外云图上只有很小的色调反差，不容易将云与冷地表区别开，云的类型也难以区别。(2)红外云图上水面与陆地色调的变化中高纬度地区：冬季:暗 海面 陆面 亮（海温陆温）夏季:亮 海面 陆面 暗 (陆温海温)如山东半岛地区就表现为较暗的色调。若陆温=或相近水温水陆界线不清楚。在白天的陆地上：干燥地表的温度变化较大，其色调变化也大；潮湿或有植被覆盖的地区温度变化小，其色调变化也较小。3使用红外云图的注意点 由于云顶温度随高度递减，在IR图像中不同高度云的层次分明，并且透明的卷云清晰可见，这些都优于VIS云图。另外，陆表和海表温差强烈处，海岸线清晰可见，但是云的纹理结构VI
13、S图像中更清晰。在IR图像解释中也存在一些问题。如夜间在IR图像上很难辨别出低云和雾（它们的温度与地表温度太相近）。另外，在IR资料定量应用中，如由云顶温度估算云顶高度，必须考虑以下四点：（1）在将地表或云发射的辐射转换成温度时作了云为黑体的假定，这仅对厚度超过几百米的低云和非常厚的高云才是对的。（2）当存在薄云或有未充满卫星视场小云块时，其下面地表的辐射能到达卫星，这样云就会显得比真实情况更暖，估计出的云高也将过低。从图可以看出，卫星估算的云顶温度与实际云顶温度间的误差决定于瞬时视场内：云层中各云单体的大小(或云区中晴空区大小)；总云量的多寡；仪器对云区视角的大小；云层的厚度，即云的透过特性
14、。（3）必须对大气中水汽含量的吸收和发射作订正，否则测量到的温度比真实的低；另外，图像边缘或“临边”附近误差也很大，因为那里的辐射是斜射到卫星的。这两种情况合在一起，中纬度地区的误差可达23，热带地区可以达到10。这种现象在三种情况下特别明显： 在红外云图的两边部分较明显。（辐射路径较长，吸收气体含量加大，吸收增加） 热带地区水汽含量大，吸收也强，对估算云顶温度和地面温度的影响较大； 大气中的水汽主要集中于低层，低空的水汽吸收较大气高层要大得多，对卫星估计低云面温度影响较大。路径增长和水汽对云顶温度的影响（4）由卫星的IR辐射作出的“地面温度”估计是地表上的温度，与天气学意义上的“地面大气温度
15、”（百叶箱）有几度偏差。 这四条也是分析云图中应当十分注意的。4红外分裂窗(10.311.3m和11.512.5m)云图特点大气中的水汽是影响卫星推算表面温度的最重要的因子，必须消除影响。为此将卫星红外观测通道10.512.5m分裂为：，称为红外分裂窗通道。在这两窗区通道中，主要是水汽对红外辐射的吸收，且两者是不同的，利用这种差异可以估算大气中的水汽含量。从而用于估算海面温度。三、可见光云图与红外云图的比较 可见光云图上物像的色调决定于其反照率和太阳高度角，红外云图上物像的色调决定于它的温度，所以比较这两种云图，有一些外貌上相差很大，但也有些是十分相似的。下表给出了这两种云图上云和地表色调的特
16、征比较。该表中各物像所对应的色调，只是概念性的，由于决定物像的因素很多，所以如仅按表中所示的色调判别是不够的。可见光云图与红外云图的比较下图给出了同时刻的可见光与红外云图，图中可见光云图的西北侧E处色调很暗，这是因在该处太阳高度角太低，光照不足之故；相应在红外云图上E处，由于该时已是深秋时刻，地表的温度较低，显现较浅的色调。IR图中A-B为白色卷云带，之下为中低云区，之南M处为较厚的中低云区。在IR上，越往南，温度越高，色调越暗；而在VIS上，越往东南，太阳高度角越大，云色调越白。2008年7月22日7时46分可见光云图2008年7月21日12时46分可见光云图2008年7月22日19时16分
17、可见光云图四、3.7m 短波红外云图特点3.7m谱段是电磁波谱的中红外波段，它相对于l0m谱段，波长要短，所以常称之为短波红外云图（或中红外、热红外图）。在该谱段大气透明度很高，大气吸收的影响小，能较精确地测量表面温度，最初用于探测海面温度，而后发现这一波段处在森林火温(800K)的最大辐射波长处，所以用它监测森林火灾很有用。此外用它对于监测夜间的雾区特别有用。但是在白天观测在这一通道测量的辐射有地面和云面反射太阳辐射及地面云面发射的短波红外辐射，这两种不同辐射源的辐射对于识别物像造成困难。当然短波红外云图在监测低云和卷云等方面有它独有的功能。1基本原理线与地球大气辐射光谱曲线相交重叠的地方，
18、所以在白天由这一通道测量的辐射既有地(云)面发射的辐射，还有地(云)面反射的太阳辐射，卫星白天接收的辐射决定于地(云)面反照率及其发射率和温度，温度越高、反照率和发射率越大，卫星接收的辐射越大(暗)，反之则越小(亮)。2热红外云图特点的辐射包含有物体自身发射的红外辐射和反射的太阳辐射，将辐射转换成云图时，它与可见光云图刚好相反，所以将37m热红外云图与可见光云图作比较时，出现反常现象多，它的特点主要有：海洋、湖泊和河流等水面对太阳辐射的反射小，卫星在355393m通道云图上呈现较白的色调；而岩石、沙漠和干燥的土壤地区反射太阳辐射较大，呈现较暗的色调；层云(雾)、层积云等反照率较大的中低云表现为
19、较暗的色调，比陆面的色调还要暗；对于上午的热红外云图，由于东半面的太阳辐射较西半面大，所以图像东半面的色调要比西半面的要暗。积雪、海冰都表现为暗黑色；在白天热红外图上的景象丰富，海陆界线清楚。在白天3.7m的热红外通道云图上，云的色调变化范围可以从黑到白色，这是收，特别是大于10m的云滴组成的云，都呈较暗的色调。热红外通道的主要优点是：测温准确度高。在短波红外通道，大气的透过率近似为0.90，大气辐射与地面辐射之比为10%。另外在这一通道的吸收气体是些混合比为常数的CO2、N2和N2O等气体，这些气体随季节、地理位置的变化较小，这对提高测温准确度是有利的。而长波红外通道内的吸收气体主要是可变的
20、H2O，这不利于因湿度对测温的订正。3利用热红外图识别夜间雾和层云 与红外云图一样，卫星在3.553.93m(中心波长3.7m)通道测得的辐射越大，色调越暗，辐射越小，色调越浅，所以在夜间的短波红外云图特征与长波红外云图是一样的。但是如果采用增强方法，提高暖端的分辨率，就能识别低云(层云和雾)，实现红外云图难以完成的工作。 在中心波长3.7m的短波红外通道，地面的发射率近似为1，可以当作黑体，而对于云的发射率小于l，即使是很厚的云，其发射率也只有0.9，因此云不能作为黑体。如果地面与低云具有相同的温度，卫星接收的低云发射的辐射比地面发出的辐射要小，这样可以把低云与地表区别开。由此算出低云的温度
21、比地面要低好几度。在云图上低云的色调比地面浅。4利用短波红外云图监测卷云，卷云在3.9m图上较透明，呈暗色，11.2m云图上呈白色，两者的差异明显。5利用热红外云图区别白天积雪面的低云 在白天的可见光云图上，低云的色调与积雪的色调十分相近，都呈较白的色调，很难区分它们。但在短波红外云图上，低云的反照率明显高于积雪，低云呈现很暗的色调，积雪呈较浅的色调。五、水汽图的基本特点 收带，在这一带内，卫星接收的是水汽发出的辐射，水汽一面吸收来自下面的辐射，同时又以自身温度发射红外辐射。如果大气中水汽含量越多，吸收来自下面的红外辐射越多，到达卫星的辐射就越少。所以由卫星测量这一吸收带的辐射就能推测大气中水
22、汽含量。由这一吸收带得出的图像称水汽图。由于67m是水汽的强吸收带，如果地面或云面的高度低于800hPa高度，则地面或云面的辐射就难以到达卫星，此时表面辐射项可以忽略，卫星接收到的辐射全部是由水汽发射的。对于给定的大气温度廓线T(z)，卫星在水汽通道测量的辐射决定于水汽含量。水汽越多，透过率越小，卫星接收的辐射越小，因此根据卫星测量的水汽辐射可以推算大气中的水汽分布。 从图中可见，大约80的辐射能来自620240hPa气层，而最大辐射贡献大约在400hPa高度处。同时，从图中可见，对一定的温度廓线，大气透过率随水汽含量增加而减小。因此当大气中水汽含量大时，卫星测量的辐射来自大气上层；而大气水汽
23、含量较少时，卫星测量的辐射来自大气低层。 在水汽图上，色调越白表示大气中水汽含量越多，反之就越少。比较水汽图和红外云图，发现水汽图有以下特点：在水汽图上，积雨云和卷云的表现十分清楚，其特征与红外云图类同；难以在水汽图上见到地表和低云(低于850hPa)，其发射的辐射被大气全部吸收而不能到达卫星；在水汽图上的水汽表现远比红外图上的云区要宽广，因为在没有云的地方仍然有水汽存在；因此在水汽图上水汽区比云区要连续完整；在水汽图上色调浅白的地区是对流层上部的湿区，一般与上升运动相联系；色调为黑区是大气中的干区，相应大气中的下沉运动。下图为同时刻的可见光、红外云图和水汽图。首先从图(c)水汽图上看到，A-
24、B-C为一条宽的水汽带，D处为一涡旋，G-DE-F是另一条水汽带；两水汽带间为一窄的暗带，在G-D-E-F的西侧为一大片暗区；在A-B-C水汽带的l处镶嵌一暴云团，在水汽图上的色调最明亮，红外图上A-BC和G-D-E-F呈现断裂云系，D处涡旋较为清楚，但不如水汽图清晰明显，I处的雷暴仍很清楚。与可见光云图比较，D涡旋没有任何表现，但可见光图上的有些目标物，特别是低云在水汽团上没有表现。习题1、气象卫星观测仪器选取波长时应考虑什么？2、风云二号卫星图像仪有哪些观测通道？简述其对应观测波段和应用目标。3、卫星云图分析的主要内容有哪些？4、可见光云图是如何得到的？其图像上的物象的色调主要与哪些因素有关？5、简述可见光云图分析中需特别注意的内容。6、红外云图是如何得到的？简述其基本特点和需考虑的内容。7、简述早晨、中午和傍晚的可见光云图特点。8、简述短波红外（热红外）云图的特点9、水汽图是如何得到的？简述其特点。The End谢谢您的聆听！ 期待您的指正！
