卫星气象学课件：卫星资料估计风

1、卫星资料估算风,由卫星云图估算风的方法有两种:,一种是仅根据单张云图上云系的外貌特征估计风;,另一种是用时间间隔较短的二张或者三张云图上云的移 动估算风。,静止气象卫星对某一固定区域以区域以半小时间隔进行 观测，因此可以利用静止卫星得到的时序云图上云的移 动就能求得风。为了与其他求得风的方法相区别，把静 止气象卫星云图上求得的风称为云风矢或者云迹风,一、云迹或耙云的选择,在静止卫星云图上,并非所有的云都能作为示踪云或云迹,有些云的移动与风之间有较好的关系,而有些云与风无关,在选择示踪云时需要考虑其移动与风之间的关系。表9.2和表9.3给出了积云、卷云与风场之间的关系。可以 看出，积云与低空 风

2、场间的关系较好。,表9.2 积云与风场之间的关系,表9.2 卷云与风场之间的关系,对于示踪云与时间分辨率的关系问题，必须选取示踪云寿命期大于时序图的时间间隔，否则就无法跟踪示踪云的移动。 在选取示踪云时，必须避免选取以下几种云：处于发展阶段或消散阶段的云；均匀的云；山脉背风一侧的波状云等。经验指出，通常选取与天气尺度有关的云作为示踪云。在估计低空风时，挑选由浓积云、积云组成的积云群为示踪云；而估计高空风时，常使用变化缓慢的卷云作为示踪云。,目前从卫星云图上选取示踪云的方法有自动法和手动法：,一、手动法： 这种方法的第一步是从卫星云图上定出天气系统，如封面、气旋 、急流等，其次是根据选择示踪云的

3、要求和识别各种云的方法定出示踪云。 此方法的主观性较大，速度较慢，但是对于薄卷云和低云在红外云图上色 调十分相尽时，用自动法难以确定，而手动法可以根据人的经验加以确定。 所以在选取示踪云时，手动法是自动法的补充。,二、自动法 由自动法选取示踪云是通过计算机处理实现的。该方法先按一定的经、 纬度划分成若干区域，然后求取各区域内像点按亮度分布的直方图，再由 直方图定出示踪云，如在NESS的自动选择示踪低云过程中，按2.5 2.5 划分为32 32 个像点的正方形区域,并作直方图,把低于700hpa 高度 的温度值数据消去，高于700hpa的数据为低云。在ESA，采取可见光红外双 光谱资料制作二维直

4、方图，选取踪云。,二、云迹风的计算,由静止卫星云图计算风也分手工法和自动法两种。手工法计算风是把间隔为半小时的云图制成环形胶卷，然后在一固定的屏幕上投影，则可得一云移动矢量。这种方法效率低、速度慢。现已为自动法代替。自动法计算风一胶采用二张间隔为半小时的云图，先在tl时刻的第一张云图上选取包含示踪云的数据样品阵列，然后在另一张云图上选取相应较大区域的数据样品平移阵列，计算这两组数据的相关系数：,其中式中c(p，q)是云图在坐标(p，q)的互相关系数，COV是相应的协方差，是均方根差。从求出的互相关系数，找出其最大值，就得踪云的最佳平移位置，也就是获得匹配位置。,1、互相关系数的计算方法,如图9

5、14中，A是tl时刻云图上选定的M x M个象点组成的示踪云样品区，i是扫描线的行数，j是第i条扫描线上第5个象点，象点(i，j)的灰度值为A（i，j）；B是t2tl+ 30分钟时刻云图上相应样品区A，由N x N个象点组成的搜索区，其上象点(i+p，5+ q) 的灰度值为,B（i+p，j+q），则互相关系数为：,2、风水平分量计算,3、匹配面的基本特征,如图：有意义的匹配面不是一平面，而应当是凹凸起伏的曲面。在曲面凸起的地方是互相关系数值相对大的地方，最大的互相关系数与tl到t2时刻示踪云平移的矢量长度相一致。在计算风时匹配面可以在电视屏幕上显示出来。图915(b)是双峰值匹配由图呻C1是主

6、峰的互相关系数，C2是次蜂的互相关系数，R=C1C2是主峰和次峰互相关系数之差，D为主峰和次峰平移位置差，s是相对于次峰值的主峰截面积，则主峰匹配面的陡度为P=R2S。,对于不同的云，匠配面的表现也不同。例如变化很快的云的互相关系数很小，匹配面没有明显的峰值；大片均匀云区的互相关系数很大，但也没有明显的峰值。 在求取匹配面时，很重要的一点是如何选择数据阵列的大小，其决定于计算速度、稳定性和测风分辨率及范围。如果选择较小的数据阵列作为样品窗和搜索窗，则有较高的测风空间分辨率，但会降低计算的稳定性c如果选探较大的数据阵列为样品宙或搜索窗，则会大大地增加计算量。在决定数据窗大小时，主要考虑所测量的最

7、大风速值。例如，若搜索窗为64x 64象点，样品苗的最大位移为+-16个象点。如用间隔为30分钟的云图计算风，则能计算的最大风速为32米秒。,4、双重匹配估算风矢量,如图917(a)中，GMS双重匹配计算风时常采用间隔半小时的 三张云图A、B、C ，先在云图B上选定示踪云，然后根据云图B、C 作双重匹配计算，求得云风矢量Vbc，接着取Vbc的逆矢量作为云图 B、A的预报粗矢量。在云图A、 B上只作粗匹配，得到一订正矢量， 与预报粗矢量合成得失风矢量Vab，这样就得两个云风矢量Vbc和Vab。 求取Vab的目的是在云风矢量的质量控制中使用。,三、云风矢的高度确定,在求得云风矢量后，还须角定其是那

8、一高度上的风，通常要定出云的 高度，还要确定云顶高度与云迹风高度间的关系。这涉及以下几个问题：,(1)云的发射率对估算云顶高度的影响 在一故情况下，云在红外波段的发射率可以近似等于1，但是由于各 种云的云厚和云的组成不同，特别是薄卷云，其发射率小于1，因此为了 较好地确定云顶高度，必须确定各种云的发射率。,(2)云迹风高度与云顶高度间的关系 即使精确地求得了云顶高度，对于一些较厚的云，云顶高度并不等 于云风矢的高度，这就需要寻求云顶高度与云风矢高度间的关系。这种 关系一般由经验统计来确定。例如内洋面积云、浓积云移动导铅的云风 矢高度与900百帖十分接近。 有关云顶高度和云发射率的求取将在下面6

9、3中讨论。,四、云迹风矢量的误差,了解云风矢量的误差，有助于正确使用这些资料，产生云风矢的误差 是多方面的，主要有以下几种来源：, 选择示踪云的位置误差；GMs高分辨卑可见光和红外云固星下点处的分辨率分别为125公里和5公里，而能被识别、选定的示踪云常由好几个象素组成，其大小在lo公里以上。但是在由示踪云计算风时，是把它作为一个点来考虑的，因而达就存在着示踪云的位置误差。 匹配误差：如果格半小时问隔的两张云图进行匹配，示踪云的亮度和云型保持不变，则可得到互相关系数为1的最佳距配。但是示踪云的云型和亮度是随时问变化的，由此会造成匹配的误差， 图象位置拟合误差：如果用环形胶卷将两张云图上的地标或地球边缘以目视方式进行位置