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1、卫星云图与天气预报第1页，本讲稿共116页全球大气探测的现状占占全全球球面面积积70%70%以以上上的的广广阔阔的的海海洋洋、高高原原、沙沙漠漠和和两两极极地地区区，常常规规大大气气探探测测严严重重缺缺乏乏;（在在我我国国西西部部尤尤为突出）为突出）.中中、小小尺尺度度天天气气预预报报和和研研究究，在在目目前前常常规规探探测测资资料料较密集的地区，时空密度严重不足较密集的地区，时空密度严重不足(大网捕小鱼大网捕小鱼).).特特种种观观测测资资料料（大大气气化化学学观观测测，如如大大气气臭臭氧氧、二二氧氧化化硫硫等等）严重缺乏严重缺乏.利利用用卫卫星星空空基基平平台台不不受受地地域域限限制制的的
2、优优势势进进行行全全球球大大气气探测，是最终解决全球环境和气候预报问题的关键探测，是最终解决全球环境和气候预报问题的关键.第2页，本讲稿共116页气象卫星气象卫星和和卫星气象学卫星气象学 在卫星上携带有各种气象观测仪器，测量诸在卫星上携带有各种气象观测仪器，测量诸如大气温度、湿度、风、云和辐射等气象要素以如大气温度、湿度、风、云和辐射等气象要素以及各种天气现象，这种专门用于气象目的的卫星及各种天气现象，这种专门用于气象目的的卫星称为称为气象卫星气象卫星。它的出现极大地促进了大气科学的。它的出现极大地促进了大气科学的发展，在探测理论和技术、灾害性天气监测、天发展，在探测理论和技术、灾害性天气监测
3、、天气分析预报等方面发挥了重要作用。从而促进了气分析预报等方面发挥了重要作用。从而促进了一门新的学科一门新的学科-卫星气象学卫星气象学的形成。的形成。第3页，本讲稿共116页气象卫星分类气象卫星分类按卫星轨道可以分为两类：按卫星轨道可以分为两类：（1）极地太阳同步轨道卫星极地太阳同步轨道卫星，其卫星的轨道平，其卫星的轨道平面与太阳始终保持相对固定的取向，卫星几乎以同面与太阳始终保持相对固定的取向，卫星几乎以同一地方时经过世界各地。一地方时经过世界各地。（2）地球同步气象卫星地球同步气象卫星，又称静止气象卫星。，又称静止气象卫星。卫星相对某一区域是不动的。因而由静止气象卫星可卫星相对某一区域是不
4、动的。因而由静止气象卫星可连续监视某一固定区域的天气变化。连续监视某一固定区域的天气变化。第4页，本讲稿共116页风云风云1号气象卫星号气象卫星中国第一代极地太阳同步轨道气象卫星。卫星发射二颗，中国第一代极地太阳同步轨道气象卫星。卫星发射二颗，分别为分别为FY-1A和和FY-1B，于，于1988年年9月月7日和日和1990年年9月月3日用日用长征四号火箭发射，卫星三轴定向，每天绕地球为长征四号火箭发射，卫星三轴定向，每天绕地球为14圈。卫圈。卫星携带多光谱可见光红外扫描辐射仪，它有五个通道，用于星携带多光谱可见光红外扫描辐射仪，它有五个通道，用于获取昼夜可见光、红外云图，冰雪覆盖、植被、海洋水
5、色、获取昼夜可见光、红外云图，冰雪覆盖、植被、海洋水色、海面温度等。海面温度等。第5页，本讲稿共116页风云风云2号气象卫星（系列）号气象卫星（系列）中国的静止气象卫星。卫星带有中国的静止气象卫星。卫星带有多通道扫描辐射仪多通道扫描辐射仪，一个可，一个可见光，二个红外，其中一个是水汽通道，卫星观测时间分辨率见光，二个红外，其中一个是水汽通道，卫星观测时间分辨率为为30分钟；空间分辨率：对可见光（分钟；空间分辨率：对可见光（0.550.75m）为）为1.25公里公里（星下点附近）、红外（星下点附近）、红外（10.512.5m）为）为5公里、水汽图为公里、水汽图为5公公里。里。第6页，本讲稿共11
6、6页风云二号静止气象卫星风云二号静止气象卫星作用作用:获取白天可见光云图、昼夜红外云图和水气分布图获取白天可见光云图、昼夜红外云图和水气分布图;进行天气图传真广播，供国内外气象资料利用站接收利用进行天气图传真广播，供国内外气象资料利用站接收利用;收集气象、水文和海洋等数据收集平台的气象监测数据收集气象、水文和海洋等数据收集平台的气象监测数据;监测太阳活动和卫星所处轨道的空间环境，为卫星工程和监测太阳活动和卫星所处轨道的空间环境，为卫星工程和空间环境科学研究提供监测数据。空间环境科学研究提供监测数据。风云二号卫星应用的风云二号卫星应用的亮点亮点:“双星观测、互为备份双星观测、互为备份”；（；（1
7、050E&86.50E）双星组网运行观测（双星组网运行观测（15分钟间隔），重叠区动画技术非常出分钟间隔），重叠区动画技术非常出色；色；第7页，本讲稿共116页E星（123.5E），是C、D业务星的在轨备份星和接替星 第8页，本讲稿共116页 风云三号风云三号a星中国第二代极轨气象卫星的首发星星中国第二代极轨气象卫星的首发星 风云三号风云三号A星具备了全球、全天候、多光谱、三维、定量星具备了全球、全天候、多光谱、三维、定量遥感探测，实现了中国气象卫星遥感探测，实现了中国气象卫星从单一遥感成像到地球环境综从单一遥感成像到地球环境综合探测、从光学遥感到微波遥感、从合探测、从光学遥感到微波遥感、从k
8、m级分辨率到百米级分辨级分辨率到百米级分辨率、从国内接收到极地接收率、从国内接收到极地接收的四大技术新突破，其卫星载荷的四大技术新突破，其卫星载荷技术性能已经接近并部分超过欧洲和美国极轨气象业务卫技术性能已经接近并部分超过欧洲和美国极轨气象业务卫星的水平，同时也为中国气象业务发展，特别是数值预报星的水平，同时也为中国气象业务发展，特别是数值预报业务发展提供重要的探测手段和科学数据。业务发展提供重要的探测手段和科学数据。第9页，本讲稿共116页2008年年5月月29日日11时时58分广州卫星站成功接收分广州卫星站成功接收风云三号风云三号a星首幅云图星首幅云图第10页，本讲稿共116页第11页，本
9、讲稿共116页东北太平洋飓风HERNAN于北京时间2008.8.9晚上加强为三级飓风，中心附近最大风力有16级（54米/秒，相当于195公里/小时）HERNAN的台风眼清晰可见 第12页，本讲稿共116页气象卫星气象卫星和和卫星气象学卫星气象学 卫星气象学卫星气象学是指利用气象卫星探测各种气象要是指利用气象卫星探测各种气象要素，并将卫星探测到的资料如何应用于大气科学素，并将卫星探测到的资料如何应用于大气科学的一门学科。它与气象卫星是完全不同的概念。的一门学科。它与气象卫星是完全不同的概念。包括包括气象卫星探测原理、气象卫星探测资料处理气象卫星探测原理、气象卫星探测资料处理方法、气象卫星资料解释
10、应用方法、气象卫星资料解释应用以及以及相应的接收处理技相应的接收处理技术术等等4个主要方面的卫星气象学是大气科学的一个个主要方面的卫星气象学是大气科学的一个重要分支学科。重要分支学科。第13页，本讲稿共116页气象卫星气象卫星实现全球大范围在空间自上向下观测实现全球大范围在空间自上向下观测 与地面观测完全不同。对云的观测，其观测到的与地面观测完全不同。对云的观测，其观测到的是是云顶特征云顶特征。有几层云时，首先观测到的是高云；若高有几层云时，首先观测到的是高云；若高云很薄，则可透过高云看到中低云。云很薄，则可透过高云看到中低云。气象卫星的大范围观测，使得占地球气象卫星的大范围观测，使得占地球4
11、/5的海洋、的海洋、荒芜人烟的沙漠和高原都可从卫星探测获取气象资料，荒芜人烟的沙漠和高原都可从卫星探测获取气象资料，从而深入了解全球大气活动。从而深入了解全球大气活动。第14页，本讲稿共116页 1960年代初第一颗气象年代初第一颗气象卫星成功发射以来，卫星探卫星成功发射以来，卫星探测在天气分析和大气科学研测在天气分析和大气科学研究中发挥了重大作用。卫星究中发挥了重大作用。卫星云图是气象卫星最易最早进云图是气象卫星最易最早进行的观测项目之一，也是最行的观测项目之一，也是最早在气象业务中发挥作用的早在气象业务中发挥作用的卫星资料。卫星资料。第15页，本讲稿共116页 卫星云图为天气预报提供卫星云
12、图为天气预报提供云参数云参数、大气流场和大气流场和各种大气物理过程各种大气物理过程等重要的气象信息，能监视常规天等重要的气象信息，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；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。同时，由于卫星云图的时空分沙漠地区的气象资料。同时，由于卫星云图的时空分辨率高，对于监测海洋、地理、农作物生长和森林火辨率高，对于监测海洋、地理、农作物生长和森林火灾有重要作用。灾有重要作用。第16页，本讲稿共116页卫星探测的卫星探测的分辨率分辨率卫星
13、仪器能区分两个物体的最小距离。表示卫星探测分辨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：率通常有三个参数：空间分辨率：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，分辨率就越低，而且与卫星视角有关，视角越倾斜，观测面积越
14、大，分辨率就差。差。灰度分辨率灰度分辨率：在卫星云图上，如果两个邻接瞬时视场内目标物的反照率：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。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。时间分辨率时间分辨率：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：指卫星对某一观测区
15、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。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。第17页，本讲稿共116页对天气预报来说，对天气预报来说，卫星云图分析的主要内容卫星云图分析的主要内容有：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；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？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？
16、有哪些不同的地方？识别不同类型的地表，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；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；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、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；性）和降水等；6.将卫
17、星资料与常规天气资料、雷达等探测资料结合在一起，进行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。综合分析，为天气预报提供可靠的依据。第18页，本讲稿共116页 随着卫星探测技术的高速发展，卫星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，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的图像就得到卫星图像
18、。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；另一种是它主要反映大气中云系分布；另一种是水汽图水汽图，其主要表示大气中水汽分布。其主要表示大气中水汽分布。第19页，本讲稿共116页 可见光云图的特点可见光云图的特点 可见光是波长从可见光是波长从0.350.80m很狭窄的波很狭窄的波段。卫星在可见光谱段选用的波长间隔有：段。卫星在可见光谱段选用的波长间隔有：0.520.75m和和0.580.68m。卫星上的扫描辐射仪接收来自地表和云表面对卫星上的扫描辐射仪接收来自地表和云表面对太阳辐射中可见光波段的反射，经过转换而得到图太阳辐射中可见光波段的反射，经过转换而得到图像。其像。其色调决定
19、于反射可见光辐射能的大小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）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，也称为地表或云表面的反照率强，反之就黑(暗暗)。第20页，本讲稿共116页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率，物体的反照率越大，它的色调越白；反照率越小，色调越物体的反照率越大，它的色调越白；反照率越小，色调越暗。暗。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
20、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，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，陆地反照率比海洋略大，表现为灰色，而潮湿或森表现为黑色，陆地反照率比海洋略大，表现为灰色，而潮湿或森林覆盖的地区表现为灰暗的色调。林覆盖的地区表现为灰暗的色调。第21页，本讲稿共116页 可见光云图
21、上主要目标物的色调可见光云图上主要目标物的色调 第22页，本讲稿共116页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 色调除了与目标物的反照率大小有关，还决定可见色调除了与目标物的反照率大小有关，还决定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光射入到目标物的辐射能大小，也就是与太阳高度角有关。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太阳辐射也越大，否则越小。因而目标物的色调
22、还与每天卫星观测的时刻和季节有关，如在北半球冬季中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。很低，图片色调也很暗。第23页，本讲稿共116页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 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（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
23、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也会表现出傍晚时亮，早晨或傍晚的可见光云图也会表现出半边半边亮半边暗亮半边暗。第24页，本讲稿共116页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半边亮半边暗半边亮半边暗第25页，本讲稿共116页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第26页，本讲稿共116页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第27页
24、，本讲稿共116页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第28页，本讲稿共116页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第29页，本讲稿共116页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第30页，本讲稿共116页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第31页，本讲稿共116页可见光云图的特点可见光云图的特点 由于早晨或傍晚的太阳高度角低，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，目标物在低的目标物
25、上投的影子，暗暗影影出现在目标物的背光一侧。暗影出现在目标物的背光一侧。暗影的宽度与太阳高度角和云顶高度差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，间高度差大时，迎太阳一侧很明亮，而背光一侧出现暗影，而且暗影又而背光一侧出现暗影，而且暗影又宽又清楚。可见光云图的空间分辨宽又清楚。可见光云图的空间分辨率比红外云图高。率比红外云图高。第32页，本讲稿共116页可见光云图的特点可见光云图的特点 水体反照率小在云图上呈黑水体反照率小在云图上呈黑色。但是，如果太阳光从水面单色。但是，如果太阳光从水面单向反射到卫星仪器内，在可
26、见光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，这些区域，或是小而明亮的区，这些区称做称做太阳耀斑区太阳耀斑区；它表明水面；它表明水面有微波或水面平静。有微波或水面平静。第33页，本讲稿共116页所谓黑体是指入射的电磁波全所谓黑体是指入射的电磁波全部被吸收，既没有反射，也没部被吸收，既没有反射，也没有透射有透射(当然黑体仍然要向外当然黑体仍然要向外辐射辐射)。红外云图的特点红外云图的特点卫星上的扫描辐射仪感应接收地球和云表面卫星上的扫描辐射仪感应接收地球和云表面(云顶云顶)发射波长为发射波长为10.5-12.5m之间的红外辐射能，并
27、将之间的红外辐射能，并将辐射能转换成目标物表面的辐射能转换成目标物表面的等效黑体温度等效黑体温度，并用图，并用图像把它们表示出来，构成红外云图。像把它们表示出来，构成红外云图。第34页，本讲稿共116页 红外云图的特点红外云图的特点在红外云图上的色调分布反映的是地面或云面的红外辐射或亮在红外云图上的色调分布反映的是地面或云面的红外辐射或亮度温度分布，在这种云图上，色调越暗，温度越高，卫星接度温度分布，在这种云图上，色调越暗，温度越高，卫星接收到的红外辐射越大；色调越浅，温度越低，辐射越小。根收到的红外辐射越大；色调越浅，温度越低，辐射越小。根据卫星云图上的色调差异可以估计地面、云面的温度分布。
28、据卫星云图上的色调差异可以估计地面、云面的温度分布。将红外谱段的云和地表面近似地作为黑体处理。实际上，云和地表将红外谱段的云和地表面近似地作为黑体处理。实际上，云和地表不是真正的黑体，由于所有实际目标物的发射率都小于不是真正的黑体，由于所有实际目标物的发射率都小于1，以，以及大气对地表（云）辐射的吸收，因此由卫星接收到的辐射推及大气对地表（云）辐射的吸收，因此由卫星接收到的辐射推算出的温度比实际目标物的温度要小，由此估算的云顶高度偏算出的温度比实际目标物的温度要小，由此估算的云顶高度偏高。高。第35页，本讲稿共116页红外分裂窗（红外分裂窗（10.5-11.3和和11.5-12.5m）云图特点
29、）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,要精要精确推算表面温度确推算表面温度,必须消除大气中水汽的影响必须消除大气中水汽的影响.为此将红外为此将红外观测通道观测通道10.5-12.5m分裂为两个通道分裂为两个通道,称为红外分裂称为红外分裂窗通道窗通道.在这两个窗区通道中在这两个窗区通道中,主要是水汽对红外辐射主要是水汽对红外辐射的吸收的吸收,且是不同的且是不同的,利用这种差异可以估算大气中的利用这种差异可以估算大气中的水汽含量水汽含量,从而用于估算海面温度从而用于估算海面温度.第36页，本讲稿共116页可见光云图与红外云图的
30、比较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，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。也有些是十分相似的。第37页，本讲稿共116页3.7（3.55-3.93）微米红外云图的特点红外云图的特点该谱段是电磁波谱的该谱段是电磁波谱的中红外波段中红外波段，它相对于，它相对于10微米的微米的谱段，波长要短，所以常称之为短波红外云图或中红外云图谱段，波长要短，所以常称之为短波红外云
31、图或中红外云图这这1谱段大气的透明度很高，大气吸收对卫星估算表面温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。于探测海面温度。这这1波段处在森林火温（波段处在森林火温（800K）的最大辐射波长处，）的最大辐射波长处，所以用来所以用来监测森林火灾监测森林火灾很有用。此外用它很有用。此外用它监测夜间的雾区监测夜间的雾区特别特别有用，但白天这有用，但白天这1通道测量的辐射有地面和云面反射太阳辐射的通道测量的辐射有地面和云面反射太阳辐射的“污染污染”。第38页，本讲稿共116页 水
32、汽图像的特点水汽图像的特点 卫星测量以卫星测量以6.7m6.7m为中心的水汽强烈吸收带为中心的水汽强烈吸收带的辐射能，在这吸收带内，水的辐射能，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汽一面吸收来自下面的辐射，同时又以自身温度再发射6.7m6.7m红外辐射。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，下面的中水汽含量愈少，下面的6.7m
33、6.7m红外辐射可能透过很干的大气层到达卫星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6.7m6.7m的红外辐射能主要受大气中的红外辐射能主要受大气中水汽含量水汽含量、水汽在垂直方向中的位置水汽在垂直方向中的位置和和水汽水汽层的温度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，说到达卫星的水汽辐射不是来自某一个面
34、或某一层，而是来自一定厚度的各层次中，对对6.7m6.7m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400hPa400hPa附近气附近气层内湿度差异，引起层内湿度差异，引起6.7m6.7m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，对于低于最大，称为最敏感范围；相反，对于低于700hPa700hPa的湿空气层中的水汽含量变化，而对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，所以应到达卫星的净辐射能却很少变化，所以6.7m6.7
35、m的水汽图像不能反映的水汽图像不能反映500hPa500hPa以下的水以下的水汽信息。汽信息。第39页，本讲稿共116页 气象卫星测量气象卫星测量6.7m的红外辐射能主要受的红外辐射能主要受大气中水汽含量大气中水汽含量、水汽水汽在垂直方向中的位置在垂直方向中的位置和和水汽层的温度水汽层的温度等三个因素影响。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：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；在水汽图上，积
36、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（低于难以在水汽图上见到地表和低云（低于850hPa），其发射的辐），其发射的辐射被大气全部吸收而不能到达卫星；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；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
37、的干区，相应于大气中的下沉运动。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。第40页，本讲稿共116页第41页，本讲稿共116页增强红外云图增强红外云图这是对灰度或辐射值进行变换处理，将人眼不能发这是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，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，强对流中心位置。红外云能准确地确定积雨云的强度，强对流中心位置。红外云图的增强处理是将图象上的灰度值，按需要进行合并或图的增强处理
38、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分解为若干灰度间隔（等级），每一间隔赋予一个灰度值。值。第42页，本讲稿共116页增强红外云图增强红外云图第43页，本讲稿共116页被动微波遥感被动微波遥感微波辐射通常指微波辐射通常指1 1毫米到毫米到3030厘米波长范围的辐射。自然界里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
39、汽在波长的技术称被动微波遥感。在大气中，水汽在波长=13.5=13.5毫米毫米（22.23522.235千兆赫）、千兆赫）、1.61.6毫米（毫米（183.34183.34千兆赫）；氧在波长千兆赫）；氧在波长=5=5毫米（毫米（50507070千兆赫）、千兆赫）、2.3 2.3 毫米（毫米（118.7118.7千兆赫）处有强烈吸千兆赫）处有强烈吸收和发射微波辐射。收和发射微波辐射。微波辐射具有穿透云雾、降水的微波辐射具有穿透云雾、降水的 能力，可以测定云下物能力，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
40、水汽、氧等气体发射的微波辐射，并经反演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、处理能得到大气中温度、湿度、降水等气象要素。降水等气象要素。第44页，本讲稿共116页 卫星图像分析应注意的问题卫星图像分析应注意的问题1.1.空间分辨率对云顶温度估计（云顶温度）的影响空间分辨率对云顶温度估计（云顶温度）的影响。当云区密布，。当云区密布，而且云较厚，云下的辐射不能透过，卫星测量到的云顶亮温比较而且云较厚，云下的辐射不能透过，卫星测量到的云顶亮温比较符合实际情况。若云区内有小裂缝或晴空区，而且这些小裂缝或符合实际情况。若云区内有小裂缝或晴空区，而且这些小裂缝或晴
41、空区都小于仪器的分辨率，这时卫星测到的云顶亮温比实际的晴空区都小于仪器的分辨率，这时卫星测到的云顶亮温比实际的要暖些。要暖些。2.2.发射体的能量向卫星传输途中，因散射和吸收造成能量损发射体的能量向卫星传输途中，因散射和吸收造成能量损失，那么离卫星的星下愈远，能量的损失愈大。这种衰减失，那么离卫星的星下愈远，能量的损失愈大。这种衰减的结果，导致红外云图上的亮温比实际情况更冷。的结果，导致红外云图上的亮温比实际情况更冷。第45页，本讲稿共116页 卫星图像分析应注意的问题卫星图像分析应注意的问题3.3.云下层辐射的污染问题云下层辐射的污染问题。在薄的卷云下面。在薄的卷云下面A A处有低云，处有低
42、云，B B处有处有高层云，而高层云，而C C处没有中低云，卷云的下面有来自三个不同处没有中低云，卷云的下面有来自三个不同高度的红外辐射能量可以部分透过它而到达卫星上，称为高度的红外辐射能量可以部分透过它而到达卫星上，称为污染。污染。其结果是其结果是A A处的卷云可能误判处的卷云可能误判为中云，而为中云，而B B处误判处误判为高云，为高云，C C处卷云又处卷云又误判为低云。此外，误判为低云。此外，在红外云图还容易在红外云图还容易把密实的卷云误判把密实的卷云误判为为CbCb云，这些情况云，这些情况结合可见光云图均结合可见光云图均可以得到正确判断。可以得到正确判断。第46页，本讲稿共116页 卫星图
43、像分析应注意的问题卫星图像分析应注意的问题4.4.在冷下垫面上形成的层状云在红外云图上会出现呈在冷下垫面上形成的层状云在红外云图上会出现呈黑色区黑色区，必须结合可见光，必须结合可见光云图方能正确区分是无云还是有云。同一张可见光云图上，因为各地云图方能正确区分是无云还是有云。同一张可见光云图上，因为各地太阳高度角不一样，特别东西两边距离较大时，在早晨或傍晚的可见太阳高度角不一样，特别东西两边距离较大时，在早晨或傍晚的可见光云图上更加明显地显示出因东西两边太阳高度角差异而形成的光云图上更加明显地显示出因东西两边太阳高度角差异而形成的亮度亮度差异差异。5.5.图像离星下越远，云型失真越严重，甚至发生
44、畸变。图像离星下越远，云型失真越严重，甚至发生畸变。第47页，本讲稿共116页 卫星图像分析的基本特征判据卫星图像分析的基本特征判据1.1.型式型式(结构结构)：是指图像上不同明暗程度的像素点的分布式样。不：是指图像上不同明暗程度的像素点的分布式样。不同型式的同型式的云系或云团云系或云团与不同的天气系统或物理过程相联系，例与不同的天气系统或物理过程相联系，例如台风、如台风、气旋气旋、低涡等云系呈螺旋状结构，而低涡等云系呈螺旋状结构，而锋面锋面、急流和热、急流和热带辐合带的云系成带状结构。带辐合带的云系成带状结构。MTSAT 红外云图 2009.04.23.20：00 东北冷涡第48页，本讲稿共
45、116页 卫星图像分析的基本特征判据卫星图像分析的基本特征判据锋面云系呈带状结构锋面云系呈带状结构第49页，本讲稿共116页 卫星图像分析的基本特征判据卫星图像分析的基本特征判据2.2.范围大小范围大小：从云的范围可以识别云的种类、天气系统的尺度大小和：从云的范围可以识别云的种类、天气系统的尺度大小和大气物理过程。例如在图中大尺度锋面云带的前沿有几个亮温特大气物理过程。例如在图中大尺度锋面云带的前沿有几个亮温特别低的中尺度对流云团。这几个中尺度云团中，从其伪彩色差异别低的中尺度对流云团。这几个中尺度云团中，从其伪彩色差异还可以识别出其中更小尺度的对流单体。还可以识别出其中更小尺度的对流单体。第
46、50页，本讲稿共116页 卫星图像分析的基本特征判据卫星图像分析的基本特征判据3.3.边界形状边界形状：云的边界有直线的、圆形的、扇形的、盾形的，有：云的边界有直线的、圆形的、扇形的、盾形的，有呈气旋性弯曲呈气旋性弯曲(云带边界向南凹云带边界向南凹)的、有呈反气旋弯曲的的、有呈反气旋弯曲的(云区云区边界向北凸边界向北凸)等。有边界整齐光滑、有呈锯齿状和不整齐之分。等。有边界整齐光滑、有呈锯齿状和不整齐之分。例如，带状云系中，边界呈气旋性弯曲的是冷锋，而呈反气旋例如，带状云系中，边界呈气旋性弯曲的是冷锋，而呈反气旋性弯曲，边界又整齐是急流，而急流风速切变大小不等其边界性弯曲，边界又整齐是急流，而
47、急流风速切变大小不等其边界又有光滑与锯齿之分，前者风切变相对小些。又有光滑与锯齿之分，前者风切变相对小些。第51页，本讲稿共116页 卫星图像分析的基本特征判据卫星图像分析的基本特征判据4.4.色调色调：也称为亮度或灰度。它是指物像的明暗程度。：也称为亮度或灰度。它是指物像的明暗程度。可见光云图上色调与物像的反照可见光云图上色调与物像的反照率和太阳高度角有关率和太阳高度角有关，反照率大，太阳高度角大，反照率大，太阳高度角大(高高)物象色调呈浓白，反物象色调呈浓白，反之反照率小，太阳高度角低，则物像色调暗。应该特别指出，相同条件下，之反照率小，太阳高度角低，则物像色调暗。应该特别指出，相同条件下
48、，水滴云的反照率比冰晶之大。水滴云的反照率比冰晶之大。在红外云图上物象色调则表示其表面温度高低在红外云图上物象色调则表示其表面温度高低，物象表面温度越低色调越白。物象表面温度越低色调越白。在水汽图像上，物像的色调决定于对流层中、上在水汽图像上，物像的色调决定于对流层中、上部大气的水汽含量和气层的温度部大气的水汽含量和气层的温度，水汽含量愈丰富或气层温度愈低，则色调愈白。，水汽含量愈丰富或气层温度愈低，则色调愈白。第52页，本讲稿共116页 卫星图像分析的基本特征判据卫星图像分析的基本特征判据5.5.暗影暗影：仅在可见光云图上出现，高耸目标物在低目标上的一：仅在可见光云图上出现，高耸目标物在低目
49、标上的一种影子，暗影的位置决定于卫星的观测时间，例如上午的暗种影子，暗影的位置决定于卫星的观测时间，例如上午的暗影位于投影云的西侧，下午暗影则位于它的东侧。暗影的宽影位于投影云的西侧，下午暗影则位于它的东侧。暗影的宽度决定于投影云顶高度和太阳高度角高低。投影云高度差愈度决定于投影云顶高度和太阳高度角高低。投影云高度差愈大，太阳高度角愈低，暗影愈宽愈明显。分析暗影时应特别大，太阳高度角愈低，暗影愈宽愈明显。分析暗影时应特别注意将云缝与暗影区分开。最好的方法是结合红外云图进行注意将云缝与暗影区分开。最好的方法是结合红外云图进行判断，若是云缝区在红外上也相应有云缝，而红外云图上没判断，若是云缝区在红
50、外上也相应有云缝，而红外云图上没有暗影，而且投影云顶高度高，色调应特别浓白。有暗影，而且投影云顶高度高，色调应特别浓白。第53页，本讲稿共116页 卫星图像分析的基本特征判据卫星图像分析的基本特征判据6.6.纹理纹理：它表示云表面粗糙程度。云顶高度参差不齐，在可见光：它表示云表面粗糙程度。云顶高度参差不齐，在可见光云图上造成许多云图上造成许多暗影暗影显出显出纹理纹理，在红外形成色调明暗相间也表，在红外形成色调明暗相间也表现出多纹理。纹理的形状为皱纹、斑点或纤维状。相反，如果云现出多纹理。纹理的形状为皱纹、斑点或纤维状。相反，如果云顶没有明显起伏，则云图为光滑和均匀。皱纹和纹理主要出现在顶没有明