卫星云图-云和云型识别

云在白天的可见光和短波红外图像中的表现
可见光图
云表现为灰或白 多次散射和天光使云很亮 云的反射率主要取决于云厚&云中含水量 的变化
短波红外图像
云表现为从黑到白的任何色调 由于没有多次散射和天光作用，云呈黑色 云的反射率取决于云中水滴的大小；由大 滴（或冰晶）组成的云显得黑
透过高层的薄云能够看到低层的云
L ( )
Lsat (0;,) =
E(,)0
0是太阳天 顶角
0=cos0，
式中显示：如果不计大气的影响，卫星可见光谱 段测量的辐射，主要取决于 （1）地面反照率L ()， 地面反照率越大，卫星接收的辐射越大，（2）太阳 天顶角0， 0越小，入射太阳辐射越大，目标物反射 的太阳辐射就越大。 反照率~~自某物体返回空间的太阳总辐射能与投 射到该物体的总辐射能之比。
的背光一侧。暗影的宽度与太阳
高度角和云顶高度差有关，当太 阳高度角较低或云顶之间高度差
大时，迎太阳一侧很明亮，而背
光一侧出现暗影，而且暗影又宽 又清楚。
可见光云图的特点～太阳耀斑区 水体反照率小在云图 上呈黑色。但是，如果太
阳光从水面单向反射到卫
星仪器内，在可见光云图 上会出现一片色调较浅的 区域，或是小而明亮的区， 这些区称做太阳耀斑区；
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.
红外图像在红外波段选用的通道 短波红外云图3.55-3.93μm 它位于反射太阳辐射及 地球&云所发射的辐射之间小重叠区中。夜间，
其特征与长波红外云图一样。但在白天，由于
反射太阳辐射比地球和云所发射辐射大得多， 使图像特征表现得复杂。
3.7（3.55-3.93）微米红外云图的特点 该谱段是电磁波谱的中红外波段，它相对于10微米 的谱段，波长要短，所以常称之为短波红外云图或中红 外云图．这一谱段大气的透明度很高，大气吸收对卫星 估算表面温度的影响小，能较精确地测量表面温度，故 其最初目的是用于探测海面温度。
反照率比海洋略大，表现为灰色，而潮湿或森林覆盖的地区表现为灰
暗的色调。
太阳高度角对可见光云图上色调的影响
色调除了与目标物的反照率大小有关，还决定 于可见光射入到目标物的辐射能大小，也就是与太 阳高度角有关。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。因而 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，太阳高度角很低， 照明差，图片色调十分灰暗。而卫星在早晨或傍晚 观测，太阳高度角也很低，图片色调也很暗。）
的辐射转换成图像，其色调决定于反射可见 光辐射能的大小，若反射可见光辐射能大， 色调就白（或称为亮），也称为地表或云表 面的反照率强，反之就黑(暗)。
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，卫星接收到的辐射仅决定于 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，色调越暗。 可以从可见光云图上的色调估计反照率，来区分各种
这一波段用它监测夜间的雾区特别有用，但白天这
一通道测量的辐射有地面和云面反射太阳辐射的“污染” （白天，其图像高辐射强度像可见光图像一样，对应着
高反射率～云。它的亮度可以从黑到白。这是由于在该
波段水滴或冰晶有强吸收。如>10μm的水滴或冰晶组成 的云～暗区）。
红外图像在红外波段选用的通道 另：中红外波段对高温物体特别敏感，常用于 监测森林、草原火灾等高温目标。因为常温时，辐 射峰值在长波红外波段；而对高温目标时，其辐射 峰值波长就移向短波红外波长范围。
气象卫星图像 及其在天气预报Hale Waihona Puke Baidu的应用
江燕如 2012年7月3日星期二
卫星探测的分辨率～卫星仪器能区分两个物体的最小距离。表示卫星 探测分辨率通常有三个参数： ① 空间分辨率：卫星在某一瞬时观测到地球的最小面积，这最小面 积又称象元（或象素）。从卫星到这最小面积间构成的空间立体 角称瞬时视场。卫星的空间分辨率与卫星的高度有关，卫星高度 越高，分辨率越低，而且与卫星视角有关，视角越倾斜，观测面 积越大，分辨率就差。 ② 灰度分辨率：在卫星云图上，如果两个邻接瞬时视场内目标物的 反照率或温度相等，则其色调一样，无法区别它们。但是当这两 个瞬时视场目标物的反照率或温度有差异，并达到一定数值时， 这两个视场就可以被分辨，这个能分辨的最小温度差或反照率差 异称做灰度分辨率。 ③ 时间分辨率：指卫星对某一观测区域进行一次观测的时间间隔。 静止气象卫星对固定区域每隔半小时进行一次观测，具有很高的 时间分辨率。
太阳高度角对可见光云图上色调的影响
半边亮半边暗
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
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
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
可见光云图的特点～暗影 由于早晨或傍晚的太阳高度 角低，当云顶高低不一时，也会 表现出高的目标物在低的目标物 上投的影子，暗影出现在目标物
太阳高度角对可见光云图上色调的影响 对于同一图片上的各个点的太阳高度角也不同， 若是上午的云图，图片右半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，同一物体中午时在云图上的亮度就比早晨或 傍晚时亮，早晨或傍晚的可见光云图则会表现出半 边亮半边暗。
它表明水面有微波或水面
平静。
红外图像在红外波段选用的通道 长波红外云图10.5-12.5μm 卫星在该波段接收的辐 射是地面&云面发射的长波红外辐射，太阳辐 射完全忽略。故卫星接收的辐射仅与物体之温 度有关。物体温度越高，卫星接收辐射越大； 反之亦然。将卫星接收的辐射转换成图像，辐 射大值用黑色表示，小值用白色表示~~红外云 图实际是云和地表的亮度温度分布图，但比实 际温度略低一点。
可见光图像的特点 在可见光波段，卫星上的扫描辐射仪接 收到的主要来自地表、云面对太阳辐射的反 射辐射，而地面、云面自身的辐射和大气对 太阳辐射的散射可忽略不计。因此，卫星观 测到的辐射与物体反照率和太阳高度角（天 顶角）有关。
可见光图像的特点 光照条件越好、目标物反照率越大，卫
星接收到的辐射就越大；反之亦然。将接收
气象卫星测量6.7μm的红外辐射能主要受大气中水汽含量、 水汽在垂直方向中的位置和水汽层的温度等三个因素影响。 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： ①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； ②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； ③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； ④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，相应于大气中的 下沉运动。
水汽
可见光
红外
增强红外云图
对灰度或辐射值进行变换处理，将人眼不能发现 的细节结构清楚地显示出来，如积雨云在云图上表现
为一片白色，通过增强处理后可将云顶结构显示出来，
能准确地确定积雨云的强度，强对流中心位臵。红外 云图的增强处理是将图象上的灰度值，按需要进行合 并或分解为若干灰度间隔（等级），每一间隔赋予一 个灰度值。
红外分裂窗（ 10.5-11.3和11.5-12.5μm ）
大气中的水汽是影响卫星推算表面温度的最重要的
因子,要精确推算表面温度,必须消除大气中水汽的 影响.为此将红外观测通道10.5-12.5μm分裂为两个 通道,称为红外分裂窗通道.在这两个窗区通道中, 主要是水汽对红外辐射的吸收,且是不同的,利用这
不能透过高层的云看到低层的云
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。 可见光、红外云图和水汽图上江淮上空的卷云
水汽图像的特点 卫星测量以5.7～7.3μm（6.7μm为中心）的水汽强烈吸收带的 辐射能，在这吸收带内，水汽一面吸收来自下面的辐射，同时又以自 身温度再发射6.7μm红外辐射。如果大气中水汽含量愈多，吸收来自 下面的红外辐射愈多，能到达卫星的红外辐射能就愈少，其亮温也就 低，水汽图上色调愈白；相反，如果大气中水汽含量愈少，下面的 6.7μm红外辐射可能透过很干的大气层到达卫星的红外辐射能就多， 其亮温也就高，水汽图上色调愈黑。气象卫星测量6.7μm的红外辐射 能主要受大气中水汽含量、水汽在垂直方向中的位臵和水汽层的温度 等三个因素影响。必须指出，水汽在普通浓度下对红外辐射是半透明， 一般说到达卫星的水汽辐射不是来自某一个面或某一层，而是来自一 定厚度的各层次中，对6.7μm谱段水汽图像只能提供大气的中、上层 水汽分布信息。其中在400hPa附近气层内湿度差异，引起6.7μm谱段 到达卫星的净辐射能相应差异也就是相对应亮温差值最大，称为最敏 感范围；相反，对于低于700hPa的湿空气层中的水汽含量变化，而对 应到达卫星的净辐射能却很少变化，所以6.7μm的水汽图像不能反映 500hPa以下的水汽信息。
增强红外云图
另：被动微波遥感 微波辐射通常指1毫米到30厘米波长范围的辐射。自 然界里许多物体都能发射和吸收微波辐射。气象卫星携 带的微波探测器测量地表或大气发射的微波辐射，由此 推测物体的各种特性的技术称被动微波遥感。在大气中， 水汽在波长λ=13.5毫米（22.235千兆赫）、1.6毫米 （183.34千兆赫）；氧在波长λ=5毫米（50～70千兆 赫）、2.3 毫米（118.7千兆赫）处有强烈吸收和发射微 波辐射。 微波辐射具有穿透云雾、降水的能力，可以测定云 下物体发射的辐射，具有全天候、全天时的工作能力。 由微波辐射计接收大气中水汽、氧等气体发射的微波辐 射，并经反演处理能得到大气中温度、湿度、降水等气 象要素。
可见光图像的特点 卫星在可见光波段选用的光谱范围在 0.4～0.77+0.77 ～ 1.1μm之间，常选用多个
通道。例NOAA卫星取：0.58～0.68μm和
0.725～1.10μm，其中0.725～1.10μm 为近红 外，但它的一部分还处在可见光波段。
L () 是地
面反照率
入射到大气 顶的太阳辐 射
随着卫星探测技术的高速发展，卫 星观测通道越来越多，图象种类大大增加， 经处理后定量的卫星资料也越来越多，卫 星云图的应用前景广阔。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。一种是卫星云图， 它主要反映大气中云系分布；另一种是水 汽图，其主要表示大气中水汽分布。
卫星云图观测原理 在地球大气系统中各自然表面以及大气本身的 辐射过程是一个十分复杂的问题，它涉及到各辐 射源的特性、物体和气体的吸收、发射、透射、 目标物反射、粒子散射和透射等诸多方面的特性。 地球大气系统作为一个整体，它一方面要接受 入射的太阳辐射，另一方面又要反射太阳辐射和 以其自身的温度发射红外辐射。
云和地表。
由于物体反照率随波长而变化，故同一物体在不同波 段的可见光图上色调也不同。（如0.725 ～ 1.10μm 通道，
它的水面反照率随波长加大而减小，而土壤反照率却增加，
水陆反照率的差异明显加大，这样水体边界在这个通道看 得较清楚。）
可见光云图像上主要目标物的色调
比较各种云和地面目标物体的反照率，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， 不易区别。而水面，象湖泊、海洋的反照率很小，表现为黑色，陆地
卫星能接收到的辐射示意图
对天气预报来说，卫星云图分析的主要内容有： 1. 区分不同通道的云图，即这是一张可见光云图还是红外 云图？ 2. 把地表和云区别开来，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？是积雨云还是层 状云等？它们有哪些相同之处？有哪些不同的地方？识 别不同类型的地表，是陆地还是水体？等等； 4. 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； 5. 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； 6. 将卫星资料与常规天气资料、雷达等探测资料结合在一 起，进行综合分析，为天气预报提供可靠的依据。