卫星气象学：第3章 云图识别(1)

第三章第三章 云图识别云图识别(1)第一节卫星图像的基本特征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。早期气象卫星采用之一。早期气象卫星采用电视摄像机电视摄像机对地对地 球大球大气系统进行观测，但是用这种仪器得气系统进行观测，但是用这种仪器得 到的云图到的云图只限于白天只限于白天，到，到1970年代，美国年代，美国 第二代业务气象卫星姿态改为三轴定向稳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个或以上的波长间隔(通道通道)对地对地球大球大气气 系统进行观测，可以得到白天的可见光云系统进行观测，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。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：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减少大气对观测的影响：选用透明的大：选用透明的大 气窗区，尽可能避免存有气体吸收和散射气窗区，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；的波段，以达到清楚观测地表或云分布；根据观测对象确定选用的波段根据观测对象确定选用的波段：根据目：根据目 标物光学特性，观测对象与其他目标物间标物光学特性，观测对象与其他目标物间 特征差异最大的波段；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根据卫星观测的目标特性确定观测波段卫星资料的类型：卫星资料的类型：图像资料图像资料，如卫星云图、水汽图等，它，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；次处理才能进行定量分析应用；探测资料探测资料，为定量数字资料，光谱分辨，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。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的主要应用范围 卫星云图为天气预报提供云参数、大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。和沙漠地区的气象资料。由于卫星云图的时空分辨率高，对于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监测海洋、地理、农作物生长和森林火灾 有重要作用。有重要作用。对天气预报来说，卫星云图分析的主对天气预报来说，卫星云图分析的主要内容要内容：区分不同通道的云图区分不同通道的云图，判别是可见光云图还，判别是可见光云图还 是红外云图是红外云图?对于分裂窗的红外云图又是哪个对于分裂窗的红外云图又是哪个通道的等等；通道的等等；区别地表和云区别地表和云，尤其是将云和雪区别开来；，尤其是将云和雪区别开来；识别不同种类的云，识别不同种类的云，中云还是高云中云还是高云?积雨云积雨云 还是层状云等还是层状云等?相同之处与不同之处相同之处与不同之处?识别不同识别不同 类型的地表，是陆地还是水体类型的地表，是陆地还是水体?如果是积雪，如果是积雪，是新雪还是陈雪是新雪还是陈雪?等等；等等；分析大范围云的分布及其对应的天气系分析大范围云的分布及其对应的天气系 统统，根据天气尺度云系特点确定天气系统，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；发展的阶段，预告其未来变化；从卫星云图估算气象要素从卫星云图估算气象要素，如风、温度，如风、温度、湿度、大气稳定度、垂直运动、涡度、湿度、大气稳定度、垂直运动、涡度、云参数云参数(云量、云顶温度云量、云顶温度(高度高度)和光学特和光学特 性性)和降水等；和降水等；将卫星资料与常规天气资料、雷达等探将卫星资料与常规天气资料、雷达等探 测资料结合一起，进行综合分析测资料结合一起，进行综合分析，为天气，为天气 预报提供可靠的依据。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决定卫星中观测仪器识别云和地面物体的的 能力（分辨率）的主要因子：能力（分辨率）的主要因子：（1）卫星的高度）卫星的高度（2）观测仪器相对物象点的角度）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）云和地面某物体与环境的反照率相 对差异大小对差异大小（4）观测仪器的扫描线密度）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卫星携带的成像仪在不同谱段测量的辐射射 转换成不同色调的图像就得到卫星图像。转换成不同色调的图像就得到卫星图像。卫星图像种类：卫星图像种类：（1）卫星云图）卫星云图，它主要反映大气中云系，它主要反映大气中云系 分布；分布；（2）水汽图）水汽图，其主要表示大气中水汽分，其主要表示大气中水汽分 布。布。风云二号卫星图像仪的观测通道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一、可见光云图的基本特点 可见光云图可见光云图是卫星扫描辐射仪在可见光是卫星扫描辐射仪在可见光 谱段（谱段（0.400.76m）测量来自地面和云）测量来自地面和云 面反射的太阳辐射。面反射的太阳辐射。如如AVHRR仪器的仪器的CH1(0.680.725m)通道静止卫星的通道静止卫星的0.520.75m通道。通道。若卫星接收到地面目标物反射的太阳辐若卫星接收到地面目标物反射的太阳辐 射转换为图像，卫星射转换为图像，卫星接收到的辐射越大接收到的辐射越大，就，就 用用越白的色调表示越白的色调表示；接收到的辐射越小，则；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。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辐射的强度。而卫星接收到的反射太阳辐射由 下列决定：下列决定：（1）入射到目标物上的太阳辐射；）入射到目标物上的太阳辐射；（2）目标物的反照率。）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入射至目标物的太阳辐射又与太阳高度角 有关。因此，在有关。因此，在可见光云图上物像的色调可见光云图上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。1、可见光云图特点、可见光云图特点(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 在一定的太阳高度角下，物体的反照率越大，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。它的色调越白；反照率越小，色调越暗。从表中可以看出：从表中可以看出：水面的反照率最低，厚的积雨云最大；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；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。接近，也不易区别它们。反过来，也可以根据卫星云图上的色反过来，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。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太阳高度角对可见光云图上色调的影响影响 太阳高度角决定了卫星观测地面时的照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，好，卫星接收到的反射太阳辐射也越大，否则越小。这就是目标物的色调还与每否则越小。这就是目标物的色调还与每天卫星观测的时刻和季节有关的原因。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，星在早晨或傍晚观测，太阳高度角也很低，图片色调也很暗。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，图片右半侧不同，如是上午的云图，图片右半侧(东东 面一侧面一侧)的太阳高度角较高，色调明亮，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，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。物像间的反差明显，图片明亮。VIS图像中分析中需特别注意：图像中分析中需特别注意：一是云与地面雪盖的区分一是云与地面雪盖的区分，采取方法，采取方法 是运用是运用VIS云图动画，由云动而雪盖不动云图动画，由云动而雪盖不动 特征来分辨，同时还可由其地理特征变模特征来分辨，同时还可由其地理特征变模 糊来判断有云存在。糊来判断有云存在。二是小对流云块问题二是小对流云块问题，当卫星视场中，当卫星视场中 充满小而碎的积云（充满小而碎的积云（Cu）时，辐射一般来）时，辐射一般来 自云和地表的反射和散射。若云块比卫星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。一般情况下所看到的对流云块。三是薄云问题三是薄云问题，薄云虽然反照率低，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，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，造成沙漠之上的薄云看起来非常厚而亮，造成 错觉。错觉。2、0.87m近红外云图的特点近红外云图的特点 TIROS NNOAA系列卫星的第二通道系列卫星的第二通道波长范围为波长范围为0.7251.10m，中心波长为，中心波长为0.87m，其波长范围主要处于近红外谱，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，卫星段，有很小部分处在可见光谱段，卫星于这一谱段观测到的云图称为近红外云于这一谱段观测到的云图称为近红外云图。图。该波段卫星观测的也是来自该波段卫星观测的也是来自地面和云面反地面和云面反 射的太阳辐射射的太阳辐射，但该通道物像的反照率与，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。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：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）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；陆面间反照率差异加大；地表反照率随波长的变化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。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、水陆界面、土壤可以监测植被生长状况、水陆界面、土壤 湿度、冰雪融化情况、大气污染等。湿度、冰雪融化情况、大气污染等。316m 近红外通道云图特点近红外通道云图特点 在在NOAA-KL卫星上的卫星上的AVHRR-3增加了一个增加了一个 1.6m近红外通道，增加这一观测通道的近红外通道，增加这一观测通道的 目的在于：目的在于：可用于区分雪和云可用于区分雪和云，由于在可见光谱段，由于在可见光谱段 雪和云的反照率相近一般很难区别，而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，近红外通道与可见光通道相比较，两者间有明显的差别，两者间有明显的差别，雪在雪在1.6m近红外近红外 通道上的反照率明显低于由水滴组成的低通道上的反照率明显低于由水滴组成的低 云反照率云反照率，因此利用这一通道可以区分积，因此利用这一通道可以区分积 雪和云；雪和云；可观测云的相态；可观测云的相态；可观测气溶胶的光学厚度。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下图给出了近红外波段和短波红外波段 0.86、1.64、2.13和和3.75m的色调。的色调。图图a为层状云的色调变化：随波长为层状云的色调变化：随波长增加增加，层状云色调层状云色调越暗，越暗，3.75m段色调最暗段色调最暗；图图b为对流云色调变化，色调随波长改变为对流云色调变化，色调随波长改变 与图与图a相似，但相似，但0.86m波段波段对流云较层状对流云较层状 云色调云色调更亮更亮一些，而在一些，而在3.75m波段波段对流对流 云的色调较层状云云的色调较层状云更暗更暗些。些。不同波段对流云与层状云色调的变化不同波段对流云与层状云色调的变化层状云层状云对流云对流云二、红外云图的基本特点二、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，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并用图像表示出来，这种图就是红外云图。即在。即在10.512.5m红外谱段，卫星接红外谱段，卫星接 收到的辐射仅与收到的辐射仅与温度温度有关，有关，物体的温度越物体的温度越 高，卫星接收到的辐射就越大；温度越低高，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，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，色调越白用暗的色调表示，辐射越小，色调越白。这样就得到红外云图。这样就得到红外云图。因此在红外云图上的色调表示了物体的温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。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出的温度，考虑到温度高低和视角的大小 需加需加510K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。实际的表面温度与亮度温度。实际的表面温度与亮度温度 间的关系为：间的关系为：2红外云图的基本特点红外云图的基本特点(1)红外云图上地面、云面色调随纬度和红外云图上地面、云面色调随纬度和 季度而变化季度而变化 黒黒赤道到极地赤道到极地白白 原因：地面和云面温度向高纬度地区递减原因：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很小，所以在红外云图上只有很小的色调 反差，反差，不容易将云与冷地表区别开，云的不容易将云与冷地表区别开，云的 类型也难以区别。类型也难以区别。(2)红外云图上水面与陆地色调的变化红外云图上水面与陆地色调的变化 中高纬度地区：中高纬度地区：冬季冬季:暗暗 海面海面 陆面陆面 亮亮（海温（海温陆温）陆温）夏季夏季:亮亮 海面海面 陆面陆面 暗暗 (陆温陆温海温海温)如山东半岛地区就表现为较暗的色调。如山东半岛地区就表现为较暗的色调。若陆温若陆温=或相近水温或相近水温水陆界线不清楚水陆界线不清楚。在白天的陆地上：在白天的陆地上：干燥地表的温度变化较大，其色调变化干燥地表的温度变化较大，其色调变化也大；也大；潮湿或有植被覆盖的地区温度变化小，潮湿或有植被覆盖的地区温度变化小，其色调变化也较小。其色调变化也较小。3使用红外云图的注意点使用红外云图的注意点 由于云顶温度随高度递减，在由于云顶温度随高度递减，在IR图像中图像中 不同高度云的层次分明，并且透明的卷云清不同高度云的层次分明，并且透明的卷云清 晰可见，这些都优于晰可见，这些都优于VIS云图。另外，陆表云图。另外，陆表 和海表温差强烈处，海岸线清晰可见，但是和海表温差强烈处，海岸线清晰可见，但是 云的纹理结构云的纹理结构VIS图像中更清晰。图像中更清晰。在在IR图像解释中也存在一些问题。如夜间在图像解释中也存在一些问题。如夜间在 IR图像上很难辨别出低云和雾（它们的温度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，在与地表温度太相近）。另外，在IR资料定量资料定量 应用中，如由云顶温度估算云顶高度，必须应用中，如由云顶温度估算云顶高度，必须 考虑以下四点：考虑以下四点：（1）在将地表或云发射的辐射转换成温度）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。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）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，估计出的云高云就会显得比真实情况更暖，估计出的云高 也将过低。也将过低。从图可以看出，卫星估算的云顶温度与从图可以看出，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实际云顶温度间的误差决定于瞬时视场内：内：云层中各云单体的大小云层中各云单体的大小(或云区中晴空区或云区中晴空区 大小大小)；总云量的多寡；总云量的多寡；仪器对云区视角的大小；仪器对云区视角的大小；云层的厚度，即云的透过特性。云层的厚度，即云的透过特性。（3）必须对大气中水汽含量的吸收和发）必须对大气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射作订正，否则测量到的温度比真实的 低；另外，图像边缘或低；另外，图像边缘或“临边临边”附近误附近误差差 也很大，因为那里的辐射是斜射到卫星也很大，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。这两种情况合在一起，中纬度地区 的误差可达的误差可达23，热带地区可以达到，热带地区可以达到 10。这种现象在三种情况下特别明显：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。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（辐射路径较长，吸收气体含量加大，吸收 增加）增加）热带地区水汽含量大，吸收也强，对估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；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。低云面温度影响较大。路径增长和水汽对云顶温度的影响路径增长和水汽对云顶温度的影响（4）由卫星的）由卫星的IR辐射作出的辐射作出的“地面温度地面温度”估计是地表上的温度，与天气学意义上估计是地表上的温度，与天气学意义上的的“地面大气温度地面大气温度”（百叶箱）有几度（百叶箱）有几度偏差。偏差。这四条也是分析云图中应当十分注意这四条也是分析云图中应当十分注意 的。的。4红外分裂窗红外分裂窗(10.311.3m和和11.5 12.5m)云图特点云图特点 大气中的水汽是影响卫星推算表面温度的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。为此将卫最重要的因子，必须消除影响。为此将卫 星红外观测通道星红外观测通道10.512.5m分裂为：分裂为：10.311.3m和和11.512.5m两个通道两个通道，称为，称为红外分裂窗通道红外分裂窗通道。在这两窗区通道。在这两窗区通道 中，主要是水汽对红外辐射的吸收，且两中，主要是水汽对红外辐射的吸收，且两 者是不同的，利用者是不同的，利用这种差异这种差异可以估算大气可以估算大气 中的水汽含量。从而用于估算海面温度。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，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的因素很多，所以如仅按表中所示的色调 判别是不够的。判别是不够的。可见光云图与红外云图的比较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，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图中可见光云图的西北侧E处色调很暗，处色调很暗，这是因在该处太阳高度角太低，光照不足这是因在该处太阳高度角太低，光照不足 之故；相应在红外云图上之故；相应在红外云图上E处，由于该时处，由于该时 已是深秋时刻，地表的温度较低，显现较已是深秋时刻，地表的温度较低，显现较 浅的色调。浅的色调。IR图中图中A-B为白色卷云带，之为白色卷云带，之 下为中低云区，之南下为中低云区，之南M处为较厚的中低云处为较厚的中低云 区。在区。在IR上，越往南，温度越高，色调越上，越往南，温度越高，色调越 暗；而在暗；而在VIS上，越往东南，太阳高度角上，越往东南，太阳高度角 越大，云色调越白。越大，云色调越白。2008年年7月月22日日7时时46分可见光云图分可见光云图2008年年7月月21日日12时时46分可见光云图分可见光云图2008年年7月月22日日19时时16分可见光云图分可见光云图四、四、3.7m 短波红外云图特点短波红外云图特点 3.7m谱段是电磁波谱的中红外波段，它谱段是电磁波谱的中红外波段，它相对于相对于l0m谱段，波长要短，所以常称谱段，波长要短，所以常称之为之为短波红外云图短波红外云图（或中红外、热红外（或中红外、热红外图）。图）。在该谱段大气透明度很高，大气吸收的影在该谱段大气透明度很高，大气吸收的影 响小，能较精确地响小，能较精确地测量表面温度测量表面温度，最初用，最初用 于探测海面温度，而后发现这一波段处在于探测海面温度，而后发现这一波段处在 森林火温森林火温(800K)的最大辐射波长处，所以的最大辐射波长处，所以 用它用它监测森林火灾很有用监测森林火灾很有用。此外用它对于。此外用它对于 监测夜间的雾区特别有用监测夜间的雾区特别有用。但是在。但是在白天观白天观 测测在这一通道测量的辐射有地面和云面反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太阳辐射及地面云面发射的短波红外辐 射，这两种不同辐射源的辐射对于射，这两种不同辐射源的辐射对于识别物识别物 像造成困难像造成困难。当然短波红外云图在。当然短波红外云图在监测低监测低 云和卷云云和卷云等方面等方面有它独有的功能有它独有的功能。1基本原理基本原理 3.553.93m通道位于太阳光谱曲通道位于太阳光谱曲 线与地线与地球大球大气辐射光谱曲线相交重叠的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地方，所以在白天由这一通道测量的辐射 既有地既有地(云云)面发射的辐射，还有地面发射的辐射，还有地(云云)面面 反射的太阳辐射，卫星白天接收的辐射决反射的太阳辐射，卫星白天接收的辐射决 定于地定于地(云云)面反照率及其发射率和温度，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，卫星接收的温度越高、反照率和发射率越大，卫星接收的辐射越大辐射越大(暗暗)，反之则越小，反之则越小(亮亮)。2热红外云图特点热红外云图特点(1)白天白天3.7m热红外云图特点热红外云图特点 在白天，在白天，卫星在卫星在3.553.93m通道测量通道测量 的辐射包含有物体自身发射的红外辐射和反的辐射包含有物体自身发射的红外辐射和反 射的太阳辐射射的太阳辐射，将辐射转换成云图时，它与，将辐射转换成云图时，它与 可见光云图刚好相反，所以将可见光云图刚好相反，所以将37m热红外热红外 云图与可见光云图作比较时，出现反常现象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热红外云图比可见光云图要复杂得 多，它的特点主要有：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海洋、湖泊和河流等水面对太阳辐射的反射小，卫星在，卫星在355393m通道云图上呈现较白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；阳辐射较大，呈现较暗的色调；层云层云(雾雾)、层积云等反照率较大的中低云表现、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；对于上午的热红外云图，由于东半面的太阳辐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射较西半面大，所以图像东半面的色调要比西半 面的要暗。面的要暗。积雪、海冰都表现为暗黑色；积雪、海冰都表现为暗黑色；在白天热红外图上的景象丰富，海陆界在白天热红外图上的景象丰富，海陆界 线清楚。线清楚。在白天在白天3.7m的热红外通道云图上，的热红外通道云图上，云的色调变化范围可以从黑到白色，这是云的色调变化范围可以从黑到白色，这是 由于在由于在3.7m波段处水滴和冰晶有强的吸波段处水滴和冰晶有强的吸 收，特别是大于收，特别是大于10m的云滴组成的云，的云滴组成的云，都呈较暗的色调。都呈较暗的色调。热红外通道的主要优点是：热红外通道的主要优点是：测温准确度高。测温准确度高。在短波红外通道，大气的透过率近似为在短波红外通道，大气的透过率近似为 0.90，大气辐射与地面辐射之比为，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另外在这一通道的吸收气体是些混合比为 常数的常数的CO2、N2和和N2O等气体，这些气体随季等气体，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收气体主要是可变的H2O，这不利于因湿度，这不利于因湿度 对测温的订正。对测温的订正。3利用热红外图识别夜间雾和层云利用热红外图识别夜间雾和层云 与红外云图一样，卫星在与红外云图一样，卫星在3.55 3.93m(中心波长中心波长3.7m)通道测得的通道测得的辐辐 射越大，色调越暗，辐射越小，色调越浅射越大，色调越暗，辐射越小，色调越浅，所以在夜间的短波红外云图特征与长波，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。但是如果红外云图是一样的。但是如果采用增强方采用增强方 法法，提高暖端的分辨率，就能识别低云，提高暖端的分辨率，就能识别低云(层云和雾层云和雾)，实现红外云图难以完成的工，实现红外云图难以完成的工 作。作。在中心波长在中心波长3.7m的短波红外通道，的短波红外通道，地面的发射率近似为地面的发射率近似为1，可以当作黑体，可以当作黑体，而对于云的发射率小于而对于云的发射率小于l，即使是很厚的，即使是很厚的 云，其发射率也只有云，其发射率也只有0.9，因此，因此云不能作云不能作 为黑体为黑体。如果地面与低云具有相同的温度。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卫星接收的低云发射的辐射比地面发出 的辐射要小的辐射要小，这样可以把低云与地表区别，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开。由此算出低云的温度比地面要低好几 度。在云图上度。在云图上低云的色调比地面浅低云的色调比地面浅。4利用短波红外云图监测卷云利用短波红外云图监测卷云 在在3.9m与与11.2m三幅图比较云图中三幅图比较云图中，卷云在，卷云在3.9m图上较透明，呈暗色，图上较透明，呈暗色，11.2m云图上呈白色，两者的差异明显。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。，积雪呈较浅的色调。五、水汽图的基本特点五、水汽图的基本特点 以以6.7m为中心的吸收带是水汽强吸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收带，在这一带内，卫星接收的是水汽发 出的辐射，出的辐射，水汽一面吸收来自下面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，同时又以自身温度发射红外辐射。如果。如果 大气中水汽含量越多，吸收来自下面的红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外辐射越多，到达卫星的辐射就越少。所。所 以由卫星测量这一吸收带的辐射就能推测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大气中水汽含量。由这一吸收带得出的图 像称水汽图。像称水汽图。由于由于67m是水汽的强吸收带，如果地是水汽的强吸收带，如果地 面或云面的高度低于面或云面的高度低于800hPa高度，则地面高度，则地面 或云面的辐射就难以到达卫星，此时表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是由水汽发射的。对于给定的大气温度廓 线线T(z)，卫星在水汽通道测量的辐射决定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，卫于水汽含量。水汽越多，透过率越小，卫 星接收的辐射越小星接收的辐射越小，因此根据卫星测量的，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。水汽辐射可以推算大气中的水汽分布。从图中可见，大约从图中可见，大约80的辐射能来自的辐射能来自620 240hPa气层，而最大辐射贡献大约在气层，而最大辐射贡献大约在400hPa高度处。同时，从图中可见，对一定的温度廓高度处。同时，从图中可见，对一定的温度廓线，大气透过率随水汽含量增加而减小。因此线，大气透过率随水汽含量增加而减小。因此当大气中水汽含量大时，卫星测量的辐射来自当大气中水汽含量大时，卫星测量的辐射来自大气上层；而大气水汽含量较少时，卫星测量大气上层；而大气水汽含量较少时，卫星测量的辐射来自大气低层。的辐射来自大气低层。在水汽图上，色调越白表示大气中水汽含在水汽图上，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：，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；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难以在水汽图上见到地表和低云(低于低于 850hPa)，其发射的辐射被大气全部吸收，其发射的辐射被大气全部吸收 而不能到达卫星；而不能到达卫星；在水汽图上的水汽表现远比红外图上的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水汽存在；因此在水汽图上水汽区比云区 要连续完整；要连续完整；在水汽图上色调浅白的地区是对流层上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，相应大气中的下为黑区是大气中的干区，相应大气中的下 沉运动。沉运动。下图为同时刻的可见光、红外云图和水下图为同时刻的可见光、红外云图和水 汽图。首先从图汽图。首先从图(c)水汽图上看到，水汽图上看到，A-B-C 为一条宽的水汽带，为一条宽的水汽带，D处为一涡旋，处为一涡旋，G-DE-F是另一条水汽带；两水汽带间为一窄是另一条水汽带；两水汽带间为一窄 的暗带，在的暗带，在G-D-E-F的西侧为一大片暗区的西侧为一大片暗区；在；在A-B-C水汽带的水汽带的l处镶嵌一暴云团，处镶嵌一暴云团，在水汽图上的色调最明亮，红外图上在水汽图上的色调最明亮，红外图上A-BC和和G-D-E-F呈现断裂云系，呈现断裂云系，D处涡旋处涡旋较为清楚，但不如水汽图清晰明显，较为清楚，但不如水汽图清晰明显，I处处的雷暴仍很清楚。与可见光云图比较，的雷暴仍很清楚。与可见光云图比较，D涡旋没有任何表现，但可见光图上的有涡旋没有任何表现，但可见光图上的有些目标物，特别是低云在水汽团上没有些目标物，特别是低云在水汽团上没有表现。表现。习题习题 1、气象卫星观测仪器选取波长时应考虑、气象卫星观测仪器选取波长时应考虑 什么？什么？2、风云二号卫星图像仪有哪些观测通道、风云二号卫星图像仪有哪些观测通道？简述其对应观测波段和应用目标。？简述其对应观测波段和应用目标。3、卫星云图分析的主要内容有哪些？、卫星云图分析的主要内容有哪些？4、可见光云图是如何得到的？其图像上、可见光云图是如何得到的？其图像上 的物象的色调主要与哪些因素有关？的物象的色调主要与哪些因素有关？5、简述可见光云图分析中需特别注意的、简述可见光云图分析中需特别注意的 内容。内容。6、红外云图是如何得到的？简述其基本、红外云图是如何得到的？简述其基本 特点和需考虑的内容。特点和需考虑的内容。7、简述早晨、中午和傍晚的可见光云图、简述早晨、中午和傍晚的可见光云图 特点。特点。8、简述短波红外（热红外）云图的特点、简述短波红外（热红外）云图的特点 9、水汽图是如何得到的？简述其特点。、水汽图是如何得到的？简述其特点。