1、第五章第五章 卫星图像的分析基础卫星图像的分析基础 本章主要内容：本章主要内容：1、卫星图像的基本特征、卫星图像的基本特征2、卫星云图识别云的六个判据、卫星云图识别云的六个判据3、卫星云图上各类云的特征、卫星云图上各类云的特征4、地表特征分析、地表特征分析 掌握重点：掌握重点：卫星云图识别云的六个判据，卷状云、积状云、卫星云图识别云的六个判据，卷状云、积状云、低云（层积云、层云）和雾的云图特征低云（层积云、层云）和雾的云图特征 第一节第一节 卫星图像的基本特征卫星图像的基本特征n卫星资料有两大类：卫星资料有两大类： 1）图像资料：如卫星云图、水汽图等；图像资料：如卫星云图、水汽图等； 2 2）
2、探测资料，为定量数字资料，如大气垂）探测资料，为定量数字资料，如大气垂直的温度等。直的温度等。n卫星云图是气象卫星最易最早进行的观测卫星云图是气象卫星最易最早进行的观测项目之一，也是最早在气象业务发挥作用项目之一，也是最早在气象业务发挥作用的卫星资料。的卫星资料。 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，目前卫星图像有两种，一种是一种是卫星云图卫星云图，它主要反映大气中云系分布；另一种是水汽另一种是水汽，其主要表示大气中水汽分布。 业务上常用的卫星图像：业务上常用的卫星图像：1、可见光可见光（VIS）图像，即在可见光波段太阳光反射辐射的图像（波长为0.5um左右
3、）2、红外红外（IR）图像，即地气系统在热红外波段发射辐射的图像（波长为1012um左右）3、水汽水汽（WV）图像，即水汽发射辐射的图像（波长为67um）4、短红外短红外（ 3.7um）图像，太阳和地气系统重叠区辐射的图像5、微波微波（MV）图像，即地气系统在微波段（1mm10cm; 3300GHz）发射及散射辐射的图像，微波的频率范围较宽，常用的有19、22、37、85GHz等频率的水平和垂直极化通道，业务上常用的微波图像大多是由多通道组合反演得到的产品图像1) 区分不同通道的云图，即是可见光还是红外云图？区分不同通道的云图，即是可见光还是红外云图？2) 把地和云区别开来，尤其是将云和雪区别
4、开来；把地和云区别开来，尤其是将云和雪区别开来；3）识别不同种类的云，是中云还是高云）识别不同种类的云，是中云还是高云?是积雨云还是是积雨云还是层状云等层状云等?它们有哪些相同之处它们有哪些相同之处?有哪些不同的地方有哪些不同的地方?识识别不同类型的地表，是陆地还是水体别不同类型的地表，是陆地还是水体?如果是积雪，是新如果是积雪，是新雪还是旧雪雪还是旧雪?等等；等等；卫星云图分析的主要内容有：卫星云图分析的主要内容有：4 4）分析大范围云的分布，及其对应的天气系统，根据）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，预告其未天气尺度云系特点确定天气系统发展
5、的阶段，预告其未来变化；来变化；5 5）从卫星云图估算气象要素，如风、温度、湿度、大）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、云参数气稳定度、垂直运动、涡度、云参数( (云量、云顶温度云量、云顶温度( (高度高度) )和光学特性和光学特性) )和降水等；和降水等；6)6)将卫星资料与常规天气资料、雷达等探测资料结合一将卫星资料与常规天气资料、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。起，进行综合分析，为天气预报提供可靠的依据。大气对于太阳辐射基本是透明的（窗区），卫星在空大气对于太阳辐射基本是透明的（窗区），卫星在空间固定轨道上用成像仪对地球
6、和大气进行扫描，观测间固定轨道上用成像仪对地球和大气进行扫描，观测扫描点上可见光波段的太阳反射辐射强度，由于扫描点上可见光波段的太阳反射辐射强度，由于反射反射辐射的强度不同辐射的强度不同而得到云和地表的分布图像，这就是而得到云和地表的分布图像，这就是可见光图像。可见光图像。可见光图像的可见光图像的黑白程度表示地球和大气中各种云对可黑白程度表示地球和大气中各种云对可见的太阳光的反射辐射强度见的太阳光的反射辐射强度（主要决定于物体的反射（主要决定于物体的反射率），故其观测原理与照相原理相似。率），故其观测原理与照相原理相似。较黑色调代表低亮度（低反照率辐射强度）较黑色调代表低亮度（低反照率辐射强度
7、）较亮色调较亮色调1、可见光云图的基本特点、可见光云图的基本特点:其中E（）是入射大气顶的辐射，通常可以当作定值，L（）地面反照率，sun是太阳天顶角的余弦。卫星观测到的辐射率可以近似认为与地面的反照率地面的反照率和太阳太阳的天顶角余弦的天顶角余弦成正比。卫星接收到的辐射越大，就用越白的色调表示；而接收到的辐射越小，则用越暗的色调表示。在可见光云图上，物像的色调决定于反射太阳辐射物像的色调决定于反射太阳辐射的强度的强度。而卫星接收到的反射大阳辐射决定于入射到目标物上的太阳辐射和目标物的反照率反照率。入射至目标物的太阳辐射又与太阳高度角太阳高度角有关。 sunLEL)()(在一定的太阳高度角下，
8、卫星接收到的辐射仅决定于物体的双向反射率（P102-103，地表的反射，即入射和反射的角度不同），如果将地面看成朗伯面，则卫星接收的辐射仅取决于物体的反照率，则卫星接收的辐射仅取决于物体的反照率，物体的反照率越大，它的色调越白；反照率越小，物体的反照率越大，它的色调越白；反照率越小，色调越暗。色调越暗。(1)反照率对可见光云图上色调的影响？反照率对可见光云图上色调的影响？在可见光云图上在可见光云图上物像的色调物像的色调与其与其本身的反照率本身的反照率和和太阳高度角太阳高度角有关有关27表表5.1是各种云和地面目标物体的反照率，是各种云和地面目标物体的反照率，可见：可见： 水面的反照率最低，厚的
9、积雨云最大；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；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，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。也不易区别它们。 (2)太阳高度角对可见光云图上色调的影响太阳高度角对可见光云图上色调的影响 ？n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。即目标物的色调还与每天卫星观测的时刻和季节有关，如在北半球冬季中高纬度地区，太阳高度角如在北半球冬季中
10、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。晚观测，太阳高度角也很低，图片色调也很暗。对于同对于同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，图片右半侧图片右半侧( (东面一侧东面一侧) )的太阳高度角较高，色调明亮，而的太阳高度角较高，色调明亮，而左半侧，太阳高度角低，色调较暗左半侧，太阳高度角低，色调较暗。n反之也可以根据这一特点判断云图的观测时刻，是否是可反之也可以根据这一特点判断云图的观测时刻，是否是可见光云图见
11、光云图。n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。 日日 变变 化化 FY88.9.6.22：08 VIS1975年8月14日9：00（UTC）的可见光图像TARCDL青海湖青海湖可见光云图解释中存在的问题可见光云图解释中存在的问题1 区分云与地面雪盖：都较为白亮，容易混淆区分云与地面雪盖：都较为白亮，容易混淆因此关于地表状况的地理知识在云图解释中极其重要。因此关于地表状况的地理知识在云图解释中极其重要。山脉上覆盖的积雪在黑色无雪的山谷衬托下表现出白色山脉上覆盖的积雪在黑色无雪的山谷衬托下表现出白色和树枝状。另外，与云不同，地面雪盖是准静止的，利和树枝状。
12、另外，与云不同，地面雪盖是准静止的，利用动画显示的图像可以区分用动画显示的图像可以区分2 小块云小块云当卫星的视场中充满了小而碎的积云时，辐射一部分来当卫星的视场中充满了小而碎的积云时，辐射一部分来自云的发射和散射，另一部分来自地表的自云的发射和散射，另一部分来自地表的，如果云，如果云块的分辨率比卫星辐射小，图像的色调将被平滑，而不块的分辨率比卫星辐射小，图像的色调将被平滑，而不像一般情况下看到的对流云那么亮像一般情况下看到的对流云那么亮3 薄云薄云薄云的反照率比较低，在可见光图像中不表现为很亮薄云的反照率比较低，在可见光图像中不表现为很亮的色调，人们也许会低估黑色地表上的云覆盖。薄云的色调，
13、人们也许会低估黑色地表上的云覆盖。薄云也能把来自比它们更低的云或地表的光散射到卫星上，也能把来自比它们更低的云或地表的光散射到卫星上，于是图像就变成来自不同高度层光线的混合图像。因于是图像就变成来自不同高度层光线的混合图像。因此，在高反照率的地表沙漠之上的薄云看起来会非常此，在高反照率的地表沙漠之上的薄云看起来会非常厚和亮，给人们带来错觉；而在低反射的洋面上薄云厚和亮，给人们带来错觉；而在低反射的洋面上薄云看起来比较灰暗。看起来比较灰暗。2、红外云图的基本特点、红外云图的基本特点 卫星在固定轨道用卫星在固定轨道用SR对地球和大气进行扫描，对地球和大气进行扫描，观测观测扫描点上发射的（长波）红外
14、辐射扫描点上发射的（长波）红外辐射强度，强度，由于发射的红外辐射强度的不同而得到云和由于发射的红外辐射强度的不同而得到云和地表的分布图像，就是红外图像地表的分布图像，就是红外图像在红外波段在红外波段10.5-12.5m范围内，卫星接范围内，卫星接收到的辐射仅与温度有关，收到的辐射仅与温度有关，物体的温度越高，物体的温度越高，卫星接收的辐射就越大；温度越低，辐射越卫星接收的辐射就越大；温度越低，辐射越小。在红外云图中，辐射大的用暗的色调表小。在红外云图中，辐射大的用暗的色调表示，辐射越小，色调越白。示，辐射越小，色调越白。红外云图是一幅亮度温度分布图红外云图是一幅亮度温度分布图，即将卫星观测到的
15、辐射看成是普朗克黑体辐射，并据此算出温度（Tbb-亮度温度）。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在考虑到温度高低和视角的大小后需加需加5-10K的订正，计算的云顶高度比实的订正，计算的云顶高度比实际的高际的高1km左右左右。即实际的表面温度与亮度温度间的关系为 Ts = Tbb + T ，式中Ts 是实际的表面温度，T是大气订正温度。由于地表和大气温度随季节和温度而变，所以红外云图的由于地表和大气温度随季节和温度而变，所以红外云图的色调有以下几个特点：色调有以下几个特点： 1） 红外云图上地面、云面的色调随纬度和季度而变化 从赤道到极地，色调越
16、来越（白从赤道到极地，色调越来越（白 ）；在冬季热带和副热）；在冬季热带和副热带地区，地表面和高云的温度差可达带地区，地表面和高云的温度差可达100100C C以上，所以在云以上，所以在云图上有明显的反差，但在大陆极地区域，地表面和高云的图上有明显的反差，但在大陆极地区域，地表面和高云的温度差不到温度差不到2020C C，在红外云图上只有很小的色调反差，不在红外云图上只有很小的色调反差，不易将云和冷地表区别开，云的类型也难以区分。易将云和冷地表区别开，云的类型也难以区分。 2） 红外云图上水面与陆地色调的变化 在冬季中高纬度地区，海面温度高于陆地温度，因此海在冬季中高纬度地区，海面温度高于陆地
17、温度，因此海面色调比陆地要（暗），但在夏季，尤其在白天，陆地温面色调比陆地要（暗），但在夏季，尤其在白天，陆地温度高于海面温度，因此海面色调比陆地要（白）。如果陆度高于海面温度，因此海面色调比陆地要（白）。如果陆地与水面的温度相近，则它们的色调相近，水陆界线不分地与水面的温度相近，则它们的色调相近，水陆界线不分明。明。 使用红外云图需要注意的事项使用红外云图需要注意的事项 : (1)在夜间很难观测到低云和雾在夜间很难观测到低云和雾，因为低云和雾，因为低云和雾的温度与地表温度十分接近；的温度与地表温度十分接近； (2) (2) 对于超过几百米厚而密实的云层，卫星测对于超过几百米厚而密实的云层，卫
18、星测量的辐射主要来自云面量的辐射主要来自云面，由此可以直接估算云顶，由此可以直接估算云顶温度或高度。但温度或高度。但对薄云或未能充满视场的云单体，对薄云或未能充满视场的云单体，卫星测量的辐射是云体和地表发射辐射的总和卫星测量的辐射是云体和地表发射辐射的总和，由此推算的云顶温度比实际的要暖，估算的云顶由此推算的云顶温度比实际的要暖，估算的云顶高度比实际的要低。（高度比实际的要低。（例子：例子：P203P203图图5-35-3） 视场的影响（3）大气吸收对估算云顶温度和地面温度的影响大气吸收对估算云顶温度和地面温度的影响。 在10.5-12.5m大气窗通道内，有少量的CO2和H2O对地面、云面发射
19、的红外辐射的少量吸收，及其以自身温度发射的红外辐射，从而使得卫星观测到的辐射比实际从而使得卫星观测到的辐射比实际的要小的要小，尤其在以下三种情况： a a）在红外云图的两边部分较明显，因为辐射路径的在红外云图的两边部分较明显，因为辐射路径的增长使得吸收气体含量加大，从而吸收增加；增长使得吸收气体含量加大，从而吸收增加； b b）在热带地区大气水汽含量大，吸收也强；在热带地区大气水汽含量大，吸收也强； c c）从垂直方向而言，大气中的水汽主要集中在低层，从垂直方向而言，大气中的水汽主要集中在低层，低空的水汽吸收较大气高层要大得多，对卫星估算低云面低空的水汽吸收较大气高层要大得多，对卫星估算低云面
20、的温度影响较大的温度影响较大（P210图5-4）。光学路径的影响另一值得注意的现象是：当大气中存在逆温层另一值得注意的现象是：当大气中存在逆温层时，层云和雾在红外图像上表现比地表还暗，时，层云和雾在红外图像上表现比地表还暗，出现所谓出现所谓“黑雾黑雾”的现象。的现象。（4）根据卫星红外辐射所作出的根据卫星红外辐射所作出的“地面温度地面温度”估计是地球表面的温度，通常和天气学意义上估计是地球表面的温度，通常和天气学意义上“地面大气温度地面大气温度”有几度的偏差有几度的偏差. .3、可见光云图和红外云图的比较可见光云图和红外云图的比较n可见光云图上的色调决定于物体的反照率和太阳高度角，可见光云图上
21、的色调决定于物体的反照率和太阳高度角，而红外云图上的色调决定于物体的温度。（表而红外云图上的色调决定于物体的温度。（表5-35-3、图、图5-55-5） 可见光云图中的可见光云图中的E处色调很暗处色调很暗,因为太阳高度角太低而光照不足因为太阳高度角太低而光照不足;在红外云图中在红外云图中E处显较浅的色调处显较浅的色调,由于已是深秋时刻由于已是深秋时刻,地表温度地表温度较低。在较低。在VIS上上,往东南方往东南方,太阳高度角越大太阳高度角越大,云色调越白云色调越白;在在IR上上,越往南越往南,温度越高温度越高,色调越暗。色调越暗。EAMBEAMB1974年3月30日8:30 NOAA-4的可见光
22、（可见光（a）和红外（红外（b）图像A: 渤海；渤海；B：黄土高原和内蒙古的毛乌素沙地；：黄土高原和内蒙古的毛乌素沙地；C：我国东北地区冷涡云系；：我国东北地区冷涡云系；D：热带地区菲律宾；：热带地区菲律宾；中国大陆南方和太平洋上冷锋云系，在中国大陆南方和太平洋上冷锋云系，在IR上亮度不均匀，上亮度不均匀，Fb和和Fc处暗，中低云；处暗，中低云；E和和Fa处与处与VIS一样一样白亮，说明该处云系垂直发展旺盛，天气强烈。显示了红外云图垂直分辨率高的优点。白亮，说明该处云系垂直发展旺盛，天气强烈。显示了红外云图垂直分辨率高的优点。4、3.7m短波红外云图的特点短波红外云图的特点 独具的特征：位于反
23、射太阳辐射及地球和云所独具的特征：位于反射太阳辐射及地球和云所发射的辐射之间的小重叠区中。夜间，没有太发射的辐射之间的小重叠区中。夜间，没有太阳辐射的贡献，这一通道的辐射同标准的红外阳辐射的贡献，这一通道的辐射同标准的红外波段辐射一样来源于地球，白天，来自太阳和波段辐射一样来源于地球，白天，来自太阳和地球的辐射混合在一起，以太阳辐射所占份额地球的辐射混合在一起，以太阳辐射所占份额为主。为主。3.7m谱段是电磁波谱的中红外波段，它相对谱段是电磁波谱的中红外波段，它相对于于10m谱段，波长要短，所以常称红外云图谱段，波长要短，所以常称红外云图(或称中红外云图或称中红外云图)。在这一谱段，由于大气的
24、透明度很高，大气吸收对估算表面温度的影响小，能较精确地测量表面温度，所以其最初目的是用于探测海面温度，后来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它监测森林火灾很有用。此外用它对于监测夜它对于监测夜间的雾区特别有用间的雾区特别有用。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，但是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) 白天白天3.7m 短波红外云图的特点：短波红外云图的特点： 在白天，卫星在35539
25、3 m通道描测量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 短波红外云图与可见光云图作比较时，出现反常现象，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，在海洋、湖泊和河流等水面对太阳辐射的反射小，在云图上呈较白的色调；而岩石、沙漠和干燥的土壤云图上呈较白的色调；而岩石、沙漠和干燥的土壤地区反射太阳辐射较大，呈较暗的色调地区反射太阳辐射较大，呈较暗的色调； 层云（雾）、层积云等反照率较大的中低云表现层云（雾）、层积云等反照率较大的中低云表现为较暗的色调，比陆面的色调还要暗为较暗的色调，比陆面的色调还要暗 对于上午的
26、短波红外云图，由于东半面反射的太阳对于上午的短波红外云图，由于东半面反射的太阳辐射较西半面大，故图像东半面的色调要比西半面的辐射较西半面大，故图像东半面的色调要比西半面的要暗；要暗； 积雪、海冰都表现为暗黑色；积雪、海冰都表现为暗黑色； 在白天短波红外图上的景象丰富，海陆界线清楚。在白天短波红外图上的景象丰富，海陆界线清楚。 短波红外通道的主要优点是：短波红外通道的主要优点是：测温准确度高。测温准确度高。 LGSE锋面云系，由于冰晶和水组锋面云系，由于冰晶和水组成的云粒子完全吸收成的云粒子完全吸收3.7um辐射，与可见光图像正好相辐射，与可见光图像正好相反反低压低压耀斑耀斑2）利用短波红外云图
27、识别夜间雾和层云）利用短波红外云图识别夜间雾和层云在夜间，短波红外云图特征与长波红外云图一样，即辐射越大，色调越暗，辐射越小，色调越浅。如如果采用增强方法，提高暖端的分辨率，就能识别低果采用增强方法，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。云（层云和雾），实现红外云图难以完成的工作。在在3.7m的短波红外通道，地面的发射率近似为的短波红外通道，地面的发射率近似为1，而云的，而云的发射率小于发射率小于1，即使很厚的云，其发射率也只有，即使很厚的云，其发射率也只有0.9，所以，所以，当地面与低云具有相同的温度时，卫星接收的低云发射的辐当地面与低云具有相同的温度时，卫
28、星接收的低云发射的辐射比地面发射的辐射要小，这样就可以把低云与地表区分开，射比地面发射的辐射要小，这样就可以把低云与地表区分开，由此算出低云的温度比地面要低几度，在云图上低云的色调由此算出低云的温度比地面要低几度，在云图上低云的色调比地面浅。比地面浅。（P208，图5-7）。3）利用短波红外云图区别白天积雪上的低云）利用短波红外云图区别白天积雪上的低云 在白天的可见光云图上，低云的色调与积雪的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，低云的反照率明显们；但在短波红外云图上，低云的反照率明显高于
29、积雪，低云呈现很暗的色调，积雪呈较浅高于积雪，低云呈现很暗的色调，积雪呈较浅的色调。的色调。（P214，图图5-8） 5、水汽图的基本特点、水汽图的基本特点 n以6.7m为中心的吸收带是水汽强吸收带，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。n如果大气中水汽含量越多，吸收来自下面的红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卫星测量这一吸收带的辐射就能推测大气中水汽含量汽含量。 在一般的潮湿大气中，卫星所收到的大部分水汽通
30、道辐射来自300600hPa层，但如果大气是干燥的，有些辐射也许来自低达850hPa的低层，由于水汽含量一般向极地方向减少，因此贡献层的高度向极地方向变得更低。有时从水汽图像上看出对流层是非常干燥的，近地面层大气仍然可能是很潮湿的，水汽图像描绘不出对流层下部的潮湿空气和云，在水汽吸收带中心（6.7 m ），低层水汽发射的大部分辐射都被吸收掉，到达不了卫星高度（700hPa以下的辐射只占1.8%）在水汽图上，色调越白表示大气中的水汽含量越多，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：1）积雨云和卷云的特征特别清楚，其特征与红外云图类同；）积雨云和卷云的特征特别清楚，其特征与红外云图
31、类同；2）难以在水汽图上见到地表和低云（低于）难以在水汽图上见到地表和低云（低于850hPa），），因为因为其发射的辐射被大气全部吸收而不能达到卫星；其发射的辐射被大气全部吸收而不能达到卫星；3）在水汽图上的水汽表现远比红外云图的云区要宽广，因为）在水汽图上的水汽表现远比红外云图的云区要宽广，因为没云的地方仍然有水汽存在没云的地方仍然有水汽存在； 在水汽图上色调浅白的地区是对流层上部的湿区，一般与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。的下沉运动。 地表和云地表和云系在四个系在四个通道上的通道上的不同特征不同特征 KRABTQS
