卫星图像分析基1

卫星图像分析基础
1．风云二号卫星简介
风云二号气象卫星定位于东经105°赤道上空，它提供了以我国中部经度为中心的三分之一个地球范围内每小时一次的云图资料。

这些云图资料将填补我国西部、西亚、印度洋上的大范围资料空白，对天气预报有十分重要的意义。

我国处于中纬度西风带，天气系统大多从西边来，过去我国天气预报用的卫星云图主要使用日本的GMS卫星。

在GMS云图上，我国处于观测区的西北边缘，不仅云图畸变很大，还不能看到从西边过来的天气系统。

而从西伯利亚南下的冷空气，从西藏高原上东移的天气系统以及从印度洋上北上的暖湿气流都对我国天气有十分重要影响。

有了风云二号气象卫星以后，从我国西面过来的天气系统将处于它的监视范围之内。

风云二号气象卫星的导风资料，将填补印度洋上的广大资料空白区。

印度洋上空几乎没有岛屿，气象资料十分缺乏。

印度洋上的卫星导风资料将是在这个地区进行天气分析的重要的基本资料。

由于我国夏季季风的进退与印度洋上的天气系统关系密切，风云二号气象卫星在印度洋的导风资料，还将对改进我国夏季季风进程的预报有意义。

风云二号气象卫星每小时提供一次云图。

在需要的时候，还要以进行加密观测。

这种高频次的云图资料，可以有效地监视暴雨、台风等灾害性中小尺度天气系统。

风云二号气象卫星的射出长波辐射资料，提供了大气中云的信息以及热带地区大尺度环流系统分布的信息。

这些信息揭示了大气中赤道辐合带、副热带高压等大尺度环流的中期振荡，是中期天气预报的有用工具。

风云二号气象卫星在亚洲地区第一次提供了水汽云图。

水汽输送是大气中产生暴雨的基本条件。

水汽云图所提供的大气中、高层水汽输送情况对于我国暴雨形成的分析服务也是十分有意义的。

FY-2卫星采用自旋稳定的姿态保持方式：自旋轴垂直轨道平面误差<0.5；自旋速率为98±1转/分（rpm），运行中可能提高为100rpm。

FY-2气象卫星的主要任务是：
●获取可见光、红外云图和水汽图；
●收集来自海洋漂浮站、无人自动气象站的观测数据；
●播放展宽数字云图、低分辩率云图和天气图。

FY-2的02批星装载了多通道可见光红外自旋扫描辐射计，包含1个可见光和4个红外通道，主要参数见表1。

表1 FY-2的02批星扫描辐射计主要参数
2．卫星图像分析基础
2.1 可见光云图
可见光云图：气象卫星通过可见光波段（一般是0.5到0.7微米）探测获得的资料。

不同的地表、海洋等在可见光波段有不同的特征，可见光云图的探测值为反照率。

可见光资料只能在白天使用。

在FY-2云图中为通道5（ch5）的资料。

可见光云图是卫星扫描辐射仪在可见光谱段，如AVHRR仪器的CH1(0.68-0.725微米）通道或静止卫星的(0.52- 0.75微米)，测量来自地面和云面反射的太阳辐射，如果将卫星接收到的地面目标物反射太阳辐射转换为图象，如果卫星接收到的辐射越大，用越白的色调表示；而对接收到的辐射越小，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，物象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决定于入射到目标物上的太阳辐射，及目标物的反照率。

入射至目标物的太阳辐射又与太阳高度角有关。

因此，在可见光云图上物象的色调与其本射的反照率和太阳高度角有关。

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双向反射率，如果将地面看成朗伯面，则卫星接收的辐射仅取决于物体的反照率，物体的反照率愈大，它的色调愈白；反照率愈小，色调愈暗；表2给出了各种云和地面目标物体的反照率。

表3给出了各类地面目标物在可见光云图上的色调。

反过来，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、物象的反照率和双向反射率。

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，太阳高度角愈大，光照条件愈好，卫星接收到的反射太阳辐射也愈大，否则愈小。

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，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，物象间的反差明显，图片明亮。

表2一些主要云和地面目标物的反照率
表3 可见光云图上主要目标物的色调
红外云图: 通过气象卫星上红外探测器得到的云图。

一切绝对温度高于0度的物体都会发出红外辐射，气象卫星通过红外扫描仪可探测物体的温度。

红外云图的优点是不论白天夜间都可以实现连续观测，它的探测值是物体表面温度的分布情况。

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，色调愈暗，温度愈高，卫星接收到的红外辐射愈大；色调愈浅，温度愈低，辐射愈小。

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。

由于地表和大气的温度随季节和纬度而变，所以红外云图上的色调表现有以下几个特点：
红外云图上地面、云面色调随纬度和季度而变化
在红外云图上，从赤道到极地，色调愈来愈变白，这是由于地面和云面的温度向高纬度地区递减的缘故。

同一高度上的云，愈往高纬度，云顶温度降低，其低云比中高云尤为明显。

这就造成了在高纬度地区，低云和地表面的色调同中高云的色调很相近，这种现象在冬季最明显，而且尤其是在夜间，最不容易区分出冷的地表面上空的云。

在冬季热带和副热带地区，地表面和高云的温度差达100℃以上，在云图上有明显的反差；但是大陆极地区域，这种温度差不到20℃，这就是说在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，云的类型也难以区别。

红外云图上水面与陆地色调的变化
在冬季中高纬度地区，海面温度高于陆地温度，因此海面的色调比陆面要暗。

但是到夏季，陆面的温度要高于海面温度，特别是在我国北方沿海地区，还不到夏季白天陆地增温较快，如山东半岛地区就表现为较暗的色调。

如果陆地与水面的温度相近，则它们的色调相近，水陆界线也不清楚。

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，温度变化较干燥的地区小，其色调变化也较小。

2.3 卫星图像的基本特征：可见光云图与红外云图的比较
可见光云图上物象的色调决定于其的反照率和太阳高度角，红外云图上物象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。

请比较同一时刻可见光云图和红外云图：
图1 可见光和红外云图的比较
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；图上，越往东南，太阳高度角越大，云色调越白。

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。

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。

在红外云图上，越往南，温度越高，色调越暗。

2.4 水汽云图
以6.7微米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愈多，吸收来自下面的红外辐射愈多，到达卫星的辐射就愈少。

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象称水汽图。

对于给定的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。

在水汽图上，色调愈白表示大气中水汽含量愈多，反之就愈少。

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850百帕），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；色调为黑区是大汽中的干区，相应大气中的下沉运动。

在卫星云图上，云的识别可以根据以下六个判据：结构型式、范围大小、边界形状、色调、暗影和纹理。

2.5.1 结构形式
在云图上，所谓结构型式是指目标物对光的不同强弱的反射或其辐射的发射所形成的不同明暗程度物象点的分布式样，这些物象点的分布可以是有组织的，也可以是散乱的，即表现为一定的结构型式。

卫星云图上云的结构型式有带状、涡旋状、团状（块）、细胞状和波状等。

由云的结构型式有助于识别云的种类和云的形成过程，如：冬季洋面的开口细胞状云系，是由积云或浓积云组成，它是冷空气到达洋面受海面加热变性而形成的；大尺度的带状云系主要是由高层云和高积云组成的；团状云块一般是积雨云等。

由云的分布型式有助于识别天气系统，如锋面、急流呈带状云系，台风、气旋（低压、冷涡）具有涡旋结构等。

在一张云图上，常包含有许多复杂型式，并且有些型式是相互重迭的，这种重迭型式常是由于陆地地貌、水、冰雪和云同时存在引起的，或者是由于高、中、低云同时造成的，这种复杂型式的分析要很仔细，可借助不同时相和多通道云图相互比较，以及对物象的认识，判别结构型式和形成原因。

2.5.2 范围大小
在卫星云图上，云的类型不同，其范围也不同。

如与气旋、锋面相连的高层高积云和卷云的分布范围很广，可达上千公里；而与中小尺度天气系统相联的积云、浓积云和积雨云的范围很小。

因此从云的范围可以识别云的类型、天气系统的尺度和大气物理过程。

如在山脉背风坡一侧出现的排列相互平行的细云线，就能知道这是山脉背风坡一侧重力波形成的。

2.5.3 .边界形状
在卫星云图上，各类物象都有自已的边界形状，所以根据不同的边界可以判别各类物象。

各种云的边界形状有直线的、圆形的、扇形的，有呈气旋性弯曲的、也有呈反气旋性弯曲的，有的云（如层云和雾）的边界十分整齐光滑，有的云（积云和浓积云）的边界则很不整齐。

云的边界还是判断天气系统的重要依据，如急流云系的左界整齐光滑，冷锋云带呈气旋性弯曲等。

2.5.4 色调
色调有时也称亮度或灰度，它是指卫星云图上物象的明暗程度。

不同通道图象上的色调代表的意义也不同。

如可见光云图上的色调与物象的反照率、太阳高度角有关。

对云而言，其色调与它的厚度、成份（水滴或冰粒子性质）和表面的光滑程度有关。

云的厚度越厚，反照率越大，色调越白，大而厚的积雨云的色调最白，因此由云的色调可以推算云的厚度。

在相同的照明和云厚条件下，水滴云要比冰云白。

对水面的色调取决于水面的光滑程度、含盐量、混浊度和水层的深浅，一般地说，光滑的水面（风很小）表现为黑色；水层越浅，水越混浊，则其色调越浅。

在红外云图上，物象的色调决定于其本身的温度，温度越高色调越黑。

由于云顶温度随大气高度增加而降低，云顶越高，其温度越低，色调就越白；因此根据物象的温度能判别云属于那一种类型和地表。

积雨云和卷云的色调最白，夏季白天沙漠地区，温度高，色调很黑。

在短波红外云图上，白天物象一方面反射太阳辐射的同时，其以自身的温度发出短波红外辐射，所以图象上的色调不仅取决于反照率，还决定于温度，造成图象十分复杂，根据色调识别物象很困难。

在水汽图上，根据色调可以识别水汽分布，但是由水汽图也能判别积雨云和卷云。

2.5.5 暗形
暗影是在一定太阳高度之下，高的目标物在低的目标物上的投影。

所以暗影都有出现于目标物的背光一侧边界处。

暗影只能出现于可见光云图上，它反映了云的垂直分布状况。

由
暗影可以识别云的类别。

在分析暗影时要注意以下几点：
1）暗影的宽度与云顶高度有关，云顶越高，暗影越宽。

2）暗影的宽度与太阳高度角有关，太阳高度角越低，迎太阳一侧云的色调越明亮，背太阳光一侧出现暗影。

所以冬季中高纬度地区或早晨的卫星云图上，一些较高云的暗影较明显。

而太阳高度角较高时，如低纬度地区或中午前后期间，即使是卷云或积雨云也难以从云图上见到卷云。

3）在上午的卫星云图上，暗影出现于云的西边界一侧；如若是下午的云图上，则暗影出现于云区的东边界一侧。

4）暗影只能出现于色调较浅的下表面上，如低云、积雪或太阳耀斑区内容易见到暗影。

在分析暗影时要将裂缝与暗影区分开。

2.5.6 纹理(图2)
纹理是指云顶表面或其它物象表面光滑程度的判据。

云的类型不同、或云的厚度不一，使云顶表面很光滑或者呈现多起伏、多斑点和皱纹，或者是纤维状。

由云的纹理能识别不同种类的云。

如果云顶表面很光滑和均匀，表示云顶高度和厚度相差很小，层云和雾具有这种特征；如果云的纹理多皱纹和斑点，就明云顶表面多起伏，云顶高度不一，积状云具有这种特征；如果云的纹理是纤维状，则这种云一定是卷状云。

有时候在大片云区中出现有一条条很亮的或暗的条纹，其可以是直线或弯曲的，这些条纹称“纹路”或“纹线”。

这种纹线与云的走向有关，指示1000—500百帕间等厚度线的走向。

图2 傍晚可见光云图
A、B、C等处表现为云顶纹理不均匀，在这些地方出现云顶凸起，常称之穿透性对流云顶，每个云顶处在迎太阳一侧很明亮，背阳光一侧出现暗影，云顶高度很高，对流强烈，地面报告相应这些云顶处有龙卷风出现。

2.6 卫星云图上各类云的识别
由以上识别云的六个判据，能识别三大类：卷状云、对流性云和层状云，其中包括九种云：卷状云、积雨云、中云（高层高积云）、积云浓积云、层积云、层云或雾等。

在卫星云图上上显示的云是地面观测到云的集合体，如果地面观测到的云小于卫星探测的分辨率，则这种云在卫星云图上难以判别。

2.6.1卷状云
卷云的色调
卷云的高度高，温度低，它由冰晶组成，反照率低，对可见光具有透明性。

所以其色调：1）在红外云图上，通常表现成白色，与地表、中低云间有强的对比度，很容易将它们区分开。

只有十分稀薄的卷云，色调较暗。

2）在可见光云图上，卷云的色调变化范围很大，由深灰到浅白色，这决定于卷云的厚度，有时能透过卷云看到其下面的地面目标物。

3）在水汽图上，卷云的色调呈白色。

卷状云的识别
在卫星云图上，卷云分为：卷层云、纤维（羽毛）状卷云、卷云砧和密卷云。

它们的特点有：
1.卷层云（图3）
（1）结构型式：卷层云与高空槽、急流、锋面和气旋等天气尺度系统相联，可以表现为盾状、带状和涡旋状；
（2）范围大小：卷层云常表现为范围很大云区或云带，可达千余公里；
（3）边界和暗影：与急流相联的卷云，左界整齐光滑，在可见光云图上时常有暗影出现；
（4）纹理：卷层云云区均匀而光滑，只有在其边界处出现一些短的纤维状卷云。

A-B是一条位于青藏高原东侧以卷层云为主的云带，其左界整齐，表明它与高空急流相关，云系较为均匀光滑，在它的东北侧，卷云云层变薄，表现出纤维状的结构
图3 卷层云的红外云图
2.纤维状卷云（图4）
纤维状卷云在我国西部青藏高原地区很多见，原因是高原上中低云系比东部地区少，而东部地区的纤维状卷云多出现于卷层云的边界处。

纤维状卷云的特点有：
（1）结构型式：纤维状卷云可以呈带状；此外在涡旋状云区中也可见到纤维卷云。

（2）纹理：这种卷云的主要特征是纹理为纤维状。

（3）范围大小：有的宽度可达50—100公里、长达千余公里，也有的仅表现为很短的卷云羽。

A和B处是青藏高原上的纤维状卷云，可以看到在B处越往东（云的边缘）纤维结构越是清楚，而往云区里面，纤维结构则越不明显
图4 纤维状卷云的红外云图
3.卷云砧（图5）
卷云砧是积雨云顶部的伪卷云。

它的特点有：
（1）结构型式：在卫星云图上呈砧状。

（2）边界形状和纹理：上风方向一侧边界整齐光滑，下风一侧边界出现纤维状或羽状纹理，且越往下风方向去色调越变暗；在积雨云顶母体处，纹理均匀光滑。

（3）暗影：在可见光云图上常可见到卷云砧的暗影。

CB是夏季我国江淮地区的一个强雷暴云团,可以看到其上风边界整齐光滑,而下风边界
出现卷云砧,越往下风方,卷云的色调越浅
图5 卷云砧的红外云图
4.密卷云
密卷云是指冰晶很稠密，反照率很强的卷云，它的特点是：密卷云常成一团团稠密的球状或长条状；
薄卷云在红外云图上的表现
薄卷云的透过特性
卷云是由冰晶组成的，而冰晶具有透过红外辐射的特性，对于11微米红外通道，卷云对红外辐射是半透明的，其透过率与云的垂直厚度及云内冰晶含量有关。

薄卷云比厚卷云更透明，如对于一定冰晶浓度和粒子大小、厚度为0.5公里的一层薄卷云，可以透过下面发射辐射的80%，当厚度增大到5.0公里时，只能透过下面发射辐射的20%。

由于卷云对红外辐射是半透明的，所以卫星测量到的辐射来自卷云顶较小（冷）辐射和由卷云下面向上传输较暖的辐射两部分之和，由这辐射推算的卷云顶温度比实际的要高，而估计的云顶高度过低。

薄卷云在红外图上的色调变化
在红外云图上卷云的色调变化很大，它与卷云的厚度、卷云下面辐射面温度和大气层结有关。

卷云下面有中云存在时的色调：如在一层薄卷云下面有中云，则卫星测量的辐射一部分来自温度比地表冷的中云，另一部分来自卷云，则这种卷云比下面没有中云的薄卷云更冷一些。

对于下面没有中云的卷云，其色调常与较低较暖的中云色调相近。

2.6.2 积雨云
卫星云图上的积雨云时常是几个雷暴单体的集合，它的主要特点有：
1、结构型式(图6、图7)：积雨云在卫星云图上常呈团状结构，称为云团。

当高空风很小时，风的垂直切变小，积雨云呈近乎圆型的云团；当高空风很大时，风速的垂直切变很大，积雨云呈椭圆型云团，长轴方向与风的垂直切变方向一致；积雨云团到成熟时，下风一侧出现卷云砧。

2.色调：由于积雨云顶最高最冷，所以无论是红外云图，还是可见光云图或者水汽图上，其色调最白。

3.边界形状：积雨云的边界与其发展阶段、风速垂直切变有关。

当积雨云处于初生阶段时，云的边界光滑整齐；当积雨云到发展和成熟阶段时，其边界处出现短的卷云羽。

当风的垂直切变很大时，积雨云出现卷云砧的边界特征。

4.范围大小：积雨云是一种与中小尺度天气系统有关的云系，其尺度相差很大，小的只有十几公里，大的可达几百公里；一般说来，初生的积雨云尺度小，呈小颗粒状；成熟的积雨云云体较大。

有些积雨云相互合并，连成一片，形成尺度达数百公里的云区，这种云系称为对流复合体。

5.纹理：积雨云云顶达对流层顶，所以一般地说，积雨云的纹理较为光滑均匀，尤其是在红外云图上。

但是当出现穿透性强对流云时，云顶呈多起伏，在可见光云图上呈多皱纹和斑点的纹理特征。

6.暗影：一般地说，积雨云云顶高，有暗影。

但是积雨云在夏季最活跃，这时除早晚时刻，太阳高度角大，暗影不时时都明显。

分析时要注意。

Cb为一个强雷暴云团,其东北一侧出现一条弧状云线,西南侧出现短的卷云砧
图6 高空风小时的圆形积雨云红外云图
A是长江流水域夏季梅雨锋上的一个强雷暴云团,通过增强显示,可以看到云中结构和强对流中心,图中A处色调最白的地方，表示云顶最冷、高度最高，该处对流强度最大
图7 增强红外云图
2.6.3中云（高层、高积云）
在卫星云图上，由于高积云单体远小于卫星仪器的分辨率，无法将高积云与高层云区别开来，只能将高积云和高层云统称为中云。

中云是与天气尺度系统相联的一种云系，它的一些特点与大尺度天气系统有关。

主要表现为：
1.结构型式和范围大小：
中云在卫星云图上表现为一大片，范围可达二万到二十万平方公里。

其型式可以是涡旋状、带状、线状和逗点状。

2.色调和纹理：
（1）在可见光云图上，与锋面、气旋相连的中云色调很白，纹理均匀，常常伴随有低云（雨层云）和降水同时出现。

（2）如果中云下面没有低云，则其色调从灰色到白色不等；如果只有一层中云，其色调为灰色。

（3）如果中云区多斑点和皱纹，则说明云区内有对流出现或云层厚度不一。

（4）大多数中云出现在卷云下面，如果卷云下面有中云，则其色调更白一些。

（5）在红外云图上，中云的色调介于高云和低云之间的中等程度灰色，对于较厚的中云色调呈浅灰色。

中云不一定有暗影和确定的边界形状，所以根据暗影和边界不能识别中云.
2.6.4 积云、浓积云
A、B是积雨云，C1、C2是积云浓积云
图8 积云、浓积云和积雨云的可见光图和红外云图
在卫星云图上的积云浓积云实际上是积云群，这引起积云群在地面观测中不容易观测到。

在卫星云图上判别积云和浓积云的依据有：
1.结构型式：积云浓积云常表现为线状、开口细胞状等结构型式；有时积云浓积云呈离散分布型式。

2.纹理：积云浓积云是由于下垫面加热形成的，加热的差异和大气稳定度不同，使得积云区内对流云顶高度不一，厚度有参差，云顶温度不一致，无论在可见光云图还是红外云图上，表现为多斑点、皱纹，为不均匀的纹理。

3.边界：由于局地加热的不均匀性，积云浓积云的边界不整齐不光滑。

4.色调和暗影：由于积云浓积云主要由水滴所组成，所以在可见光云图上呈白色。

在红外云图上由于积云浓积云的高度参差不齐，云顶温度有差异，色调也不一致，对流较强的积云浓积云云顶较冷，色调较白；对流弱的积云浓积云顶较暖，色调较暗，因此红外图上云的色调差异可以判断对流的强度。

如果在一片层状云区内出现对流，则在云区内会有暗影出现，在可见光云图上可以根据暗影的宽度和积云的相对亮度确定对流的强度和云的垂直厚度。

5.晴天积云：一般分布很稀疏，不能为仪器所分辨，在云图上不能识别。

但是当这类积云越来越多，云区范围扩大，这时云图上表现为淡灰色，与地面的色调差异很小，云的单体无法分辨，所以不容易识别。

2.6.5 低云。