3卫星气象学_第三章_云图识别(1).ppt

1、第三章 云图识别(1),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

2、选用的波段：根据目 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

3、地区的气象资料。 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

4、、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

5、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(0.680.725m ) 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

6、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： 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

7、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

8、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。,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。,2、0.87m近红外云图的特点 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

9、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、

10、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， 两者间有明显的差别，雪在1.6m近红外 通道上的反照率明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

11、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 与图a相似，但0.86m波段对流云较层状 云色调更亮一些，而在3.75m波段对流 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

12、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

13、，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VIS图像中更清晰。 在IR图像解释中也存在一些问题。如夜间

14、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。,（3）必须对大气

15、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

16、面大气温度”（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11.5 12.5m)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： 10.311.3m和11.512.5m两个通道 ，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

17、 ，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

18、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

19、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,3.553.93m通道位于太阳光谱曲 线与地球大气辐射光谱曲线相交重叠的 地方，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,(1)白天3.7m热红外云图特点 在白天，卫星在3.553.93m通道测量 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

20、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 ，3.7m热红外云图比可见光云图要复杂得 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

21、围可以从黑到白色，这是 由于在3.7m波段处水滴和冰晶有强的吸 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3.55 3.93m(中心波长3.7m)通道测得的辐 射越大，色调越暗，辐射越小，色

22、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,在3.9m与11.2m三幅图比较云图中 ，卷云在3.9m图上较透明，

23、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,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。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620 240hPa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