卫星气象学课件：第5章 卫星云图分析基础0-1
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第五章 卫星图像的分析基础
本章主要内容：
1、卫星图像的基本特征 2、卫星云图识别云的六个判据 3、卫星云图上各类云的特征 4、地表特征分析
掌握重点：
卫星云图识别云的六个判据，卷状云、积状云、 低云（层积云、层云）和雾的云图特征
第一节 卫星图像的基本特征
卫星资料有两大类： 1）图像资料：如卫星云图、水汽图等； 2）探测资料，为定量数字资料，如大气垂 直的温度等。
5）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)和光学特性)和降水等；
6)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。
1、可见光云图的基本特点:
大气对于太阳辐射基本是透明的（窗区），卫星在空 间固定轨道上用成像仪对地球和大气进行扫描，观测 扫描点上可见光波段的太阳反射辐射强度，由于反射 辐射的强度不同而得到云和地表的分布图像，这就是 可见光图像。
2 小块云
当卫星的视场中充满了小而碎的积云时，辐射一部分来 自云的发射和散射，另一部分来自地表的……，如果云 块的分辨率比卫星辐射小，图像的色调将被平滑，而不 像一般情况下看到的对流云那么亮
3 薄云
薄云的反照率比较低，在可见光图像中不表现为很亮 的色调，人们也许会低估黑色地表上的云覆盖。薄云 也能把来自比它们更低的云或地表的光散射到卫星上， 于是图像就变成来自不同高度层光线的混合图像。因 此，在高反照率的地表沙漠之上的薄云看起来会非常 厚和亮，给人们带来错觉；而在低反射的洋面上薄云 看起来比较灰暗。
27
表5.1是各种云和地面目标物体的反照率，
可见：
①水面的反照率最低，厚的积雨云最大； ②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； ③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。
太阳耀斑区
水体反照率小在云图 上呈黑色。但是，如果太 阳光从水面单向反射到卫 星仪器内，在可见光云图 上会出现一片色调较浅的 区域，或是小而明亮的区， 这些区称做太阳耀斑区； 它表明水面有微波或水面 平静。
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。
日 变 化 FY 88.9.6.22：08 VIS
太阳高度角对可见光云图上色调的影响
半边亮半边暗
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
卫星云图是气象卫星最易最早进行的观测 项目之一，也是最早在气象业务发挥作用 的卫星资料。
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，目前卫星图像有两种，一种是 卫星云图，它主要反映大气中云系分布； 另一种是水汽，其主要表示大气中水汽 分布。
业务上常用的卫星图像：
阳辐射又与太阳高度角有关。
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有关
(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，卫星接收到的辐射仅决 定于物体的双向反射率（P102-103，地表的反射， 即入射和反射的角度不同），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， 物体的反照率越大，它的色调越白；反照率越小， 色调越暗。
1、可见光（VIS）图像，即在可见光波段太阳光反射辐射 的图像（波长为0.5um左右）
2、红外（IR）图像，即地气系统在热红外波段发射辐射的 图像（波长为10~12um左右）
3、水汽（WV）图像，即水汽发射辐射的图像 （波长为 6~7um）
4、短红外（ 3.7um）图像，太阳和地气系统重叠区辐射的 图像
可见光图像的黑白程度表示地球和大气中各种云对可 见的太阳光的反射辐射强度（主要决定于物体的反射 率），故其观测原理与照相原理相似。
较黑色调代表低亮度（低反照率辐射强度）
较亮色调……
L
ห้องสมุดไป่ตู้L ()
E ()sun
其中Eλ（∞）是入射大气顶的辐射，通常可以当作定值， ρL（λ）地面反照率，μsun是太阳天顶角的余弦。
2) 把地和云区别开来，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?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?如果是积雪，是 新雪还是旧雪?等等；
4）分析大范围云的分布，及其对应的天气系统，根据 天气尺度云系特点确定天气系统发展的阶段，预告其未 来变化；
卫星观测到的辐射率可以近似认为与地面的反照率和太阳 的天顶角余弦成正比。
卫星接收到的辐射越大，就用越白的色调表示；而接收到 的辐射越小，则用越暗的色调表示。
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大阳辐射决定于入射到目
标物上的太阳辐射和目标物的反照率。入射至目标物的太
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
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
青海湖
L
CR A
D T
1975年8月14日9：00（UTC）的可见光图像
可见光云图解释中存在的问题
1 区分云与地面雪盖：都较为白亮，容易混淆
…因此关于地表状况的地理知识在云图解释中极其重要。 山脉上覆盖的积雪在黑色无雪的山谷衬托下表现出白色 和树枝状。另外，与云不同，地面雪盖是准静止的，利 用动画显示的图像可以区分
(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。即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— 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。
5、微波（MV）图像，即地气系统在微波段（1mm~10cm; 3~300GHz）发射及散射辐射的图像，微波的频率范围较宽， 常用的有19、22、37、85GHz等频率的水平和垂直极化通 道，业务上常用的微波图像大多是由多通道组合反演得到的 产品图像
卫星云图分析的主要内容有：
1) 区分不同通道的云图，即是可见光还是红外云图？
本章主要内容：
1、卫星图像的基本特征 2、卫星云图识别云的六个判据 3、卫星云图上各类云的特征 4、地表特征分析
掌握重点：
卫星云图识别云的六个判据，卷状云、积状云、 低云（层积云、层云）和雾的云图特征
第一节 卫星图像的基本特征
卫星资料有两大类： 1）图像资料：如卫星云图、水汽图等； 2）探测资料，为定量数字资料，如大气垂 直的温度等。
5）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)和光学特性)和降水等；
6)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。
1、可见光云图的基本特点:
大气对于太阳辐射基本是透明的（窗区），卫星在空 间固定轨道上用成像仪对地球和大气进行扫描，观测 扫描点上可见光波段的太阳反射辐射强度，由于反射 辐射的强度不同而得到云和地表的分布图像，这就是 可见光图像。
2 小块云
当卫星的视场中充满了小而碎的积云时，辐射一部分来 自云的发射和散射，另一部分来自地表的……，如果云 块的分辨率比卫星辐射小，图像的色调将被平滑，而不 像一般情况下看到的对流云那么亮
3 薄云
薄云的反照率比较低，在可见光图像中不表现为很亮 的色调，人们也许会低估黑色地表上的云覆盖。薄云 也能把来自比它们更低的云或地表的光散射到卫星上， 于是图像就变成来自不同高度层光线的混合图像。因 此，在高反照率的地表沙漠之上的薄云看起来会非常 厚和亮，给人们带来错觉；而在低反射的洋面上薄云 看起来比较灰暗。
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表5.1是各种云和地面目标物体的反照率，
可见：
①水面的反照率最低，厚的积雨云最大； ②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； ③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。
太阳耀斑区
水体反照率小在云图 上呈黑色。但是，如果太 阳光从水面单向反射到卫 星仪器内，在可见光云图 上会出现一片色调较浅的 区域，或是小而明亮的区， 这些区称做太阳耀斑区； 它表明水面有微波或水面 平静。
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。
日 变 化 FY 88.9.6.22：08 VIS
太阳高度角对可见光云图上色调的影响
半边亮半边暗
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
卫星云图是气象卫星最易最早进行的观测 项目之一，也是最早在气象业务发挥作用 的卫星资料。
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，目前卫星图像有两种，一种是 卫星云图，它主要反映大气中云系分布； 另一种是水汽，其主要表示大气中水汽 分布。
业务上常用的卫星图像：
阳辐射又与太阳高度角有关。
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有关
(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，卫星接收到的辐射仅决 定于物体的双向反射率（P102-103，地表的反射， 即入射和反射的角度不同），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， 物体的反照率越大，它的色调越白；反照率越小， 色调越暗。
1、可见光（VIS）图像，即在可见光波段太阳光反射辐射 的图像（波长为0.5um左右）
2、红外（IR）图像，即地气系统在热红外波段发射辐射的 图像（波长为10~12um左右）
3、水汽（WV）图像，即水汽发射辐射的图像 （波长为 6~7um）
4、短红外（ 3.7um）图像，太阳和地气系统重叠区辐射的 图像
可见光图像的黑白程度表示地球和大气中各种云对可 见的太阳光的反射辐射强度（主要决定于物体的反射 率），故其观测原理与照相原理相似。
较黑色调代表低亮度（低反照率辐射强度）
较亮色调……
L
ห้องสมุดไป่ตู้L ()
E ()sun
其中Eλ（∞）是入射大气顶的辐射，通常可以当作定值， ρL（λ）地面反照率，μsun是太阳天顶角的余弦。
2) 把地和云区别开来，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?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?如果是积雪，是 新雪还是旧雪?等等；
4）分析大范围云的分布，及其对应的天气系统，根据 天气尺度云系特点确定天气系统发展的阶段，预告其未 来变化；
卫星观测到的辐射率可以近似认为与地面的反照率和太阳 的天顶角余弦成正比。
卫星接收到的辐射越大，就用越白的色调表示；而接收到 的辐射越小，则用越暗的色调表示。
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大阳辐射决定于入射到目
标物上的太阳辐射和目标物的反照率。入射至目标物的太
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
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
青海湖
L
CR A
D T
1975年8月14日9：00（UTC）的可见光图像
可见光云图解释中存在的问题
1 区分云与地面雪盖：都较为白亮，容易混淆
…因此关于地表状况的地理知识在云图解释中极其重要。 山脉上覆盖的积雪在黑色无雪的山谷衬托下表现出白色 和树枝状。另外，与云不同，地面雪盖是准静止的，利 用动画显示的图像可以区分
(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。即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— 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。
5、微波（MV）图像，即地气系统在微波段（1mm~10cm; 3~300GHz）发射及散射辐射的图像，微波的频率范围较宽， 常用的有19、22、37、85GHz等频率的水平和垂直极化通 道，业务上常用的微波图像大多是由多通道组合反演得到的 产品图像
卫星云图分析的主要内容有：
1) 区分不同通道的云图，即是可见光还是红外云图？