卫星气象学课件

卫星气象学课件
5.1
概述
水汽：由于地心引力的作用，地面附近空气比较稠密，越往高处， 空气越稀薄。大部分空气聚集在从地面往上大约十公里大气里， 而大气中的水汽则几乎全部聚集在这一层次里。雨、露、霜、雪 是由大气中的水汽形成的，因此主要产生于大气层下部。
水的气、液、固态易转化
内 因 外 因
太阳辐射和重力作用
天气尺度系统的“头边界” 平行急流边界 “斜压叶”边界 干涌边界 底涌边界 内边界 回流边界
§5.2
水汽边界的型式
水汽图中观察到的一种最常见的边界型式的形成与垂直上升运 动区高空水汽的扩散有关。在高层水汽扩散方向与周围高空风场 方向相反的一侧，往往会形成“阻塞”。 一般来说，清晰的边界形成于垂直上升运动产生湿区的上游一 侧，我们称这种特定类型的阻塞过程为“头阻塞”。由这种过程 形成的边界，可以多种尺度出现在大气中各个层次中。但这种现 象出现在对流层低层时，在6.7µm水汽图上通常观测不到。
水汽图中观察到的最有意义的边界涉及到水平变形过程和 一个或多个垂直运动过程的结合。在水汽图中选用“边界” 表 示具有不同灰度的相邻区域之间的突变界面，由于各种应用的 要求不同，图象产生的过程亦不一样，为了描绘这些差异及其 随时间的变化。用下列专用术语来描述：
边界条件
清晰度
陡峭度
灰度梯度的大小 和形状的规则性
5.2.1 天气尺度系统的“头边界”
“头阻塞”可发生于各种尺度上，所以我们亦将“头边界”这个 概念用于天气尺度的系统。
边界的图象特征
头边界由一个相当清晰的界面组成，它的一侧是高云和冷的高 空湿区，另一侧是各种各样的干环境。云和水汽趋向于在高层积 累并从垂直上升运动区向外扩散。清晰的头边界形成于正在扩散 的高层湿区的上游，水汽向周围扩散或阻塞周围的高空风。 垂直下沉运动区常沿头边界形成。虽然这种向下的垂直运动区 或下沉带可沿边界扩展很长距离，但它在与边界正交的方向和垂 直深度上影响范围都很小。局地性下沉运动是由周围上游气流和 湿侧“阻塞”气流之间的高层辐合产生的。局地上升运动区亦可 能沿着边界在最大辐合层以上出现。因此，在解释水汽图时，与 暗区有关的是下沉区域。狭窄干带在厚度上是有差别的，通常限 于对流层上部，一般在500hPa以上。
自然影响因素：
气象条件(大气 环流、风向、风 速、温度、湿度 等) ； 地理条件(地形、 地质、土壤、植 被等)。
11 1
雪
பைடு நூலகம்
385 蒸发 裸地
土壤水分 (w)
陆地水循环
海洋水循环
全球水循环
水汽图：卫星观测在 5.5µm 至7.5µm 红外波段内，存在着强水 汽吸收带。卫星在这一吸收带上测得的辐射强度主要是大气中水 汽吸收后的再辐射。这种向上的辐射强度测值可转换成温度值表 示，这种方式测得的温度称为“亮温”，“亮温”也可用色调来 表示。这一波段观测的辐射图象称为水汽图象，一般在水汽图上 ，白色调表示能量很低的辐射或冷亮温，黑色表示高能辐射或暖 亮温。 到达卫星的水汽辐射来自有一定厚度的各
卫星水汽图主要分析动力气象。到达卫星的辐射受许多变量 影响。对6.7µ m波长来说，主要有大气中水汽含量，水汽垂直 位置以及水汽的温度等三个因素。 为了便于使用，初步归纳为以下几条：
第一：高云区在水汽图象上与在红外云图上一样，都表现为灰白 色。只是水汽图象上在高云的范围以外还有水汽可以被观测到， 所以高云边界模糊。因此，在水汽图上白亮区的边界往往不是云 的边界，水汽图上云区以外较亮（暗）的地区表示湿层的顶部较 高（低）。特别暗的地区一般对流层中上部有明显下沉运动。
第二：中、低云在水汽图上不清楚，因为这个波长的辐射在其路 径上受水汽的再辐射而使对流层中低层的信息几乎不存在。 第三：6.7µm波段的辐射一般不能穿过整个大气层，因此，除了 非常干燥的冬季，在水汽图上很少看到地表特征。 第四：由于6.5-7.0µm的水汽通道对水汽十分灵敏，当对流层上 部200hPa附近有逆温层时，图象亮度不再代表湿层顶部的亮温， 其解释会变得非常复杂，但这种情况并不常见。
层次中。水汽在普通的浓度下对辐射是半透 明的，因此卫星测得的亮温是若干水汽层的 “总”温度，而不是某一个特定面或层的温 度。
气层水汽浓度越大，辐射能穿过的气层越 薄，这就好比一个人在雾中望远，可见距离 随雾密度的增加而减小。我们可以认为卫星 以同样的方式，向下“看”水汽，但它测到 的或“看到”的是水汽所发射的能量，以亮 温代表而不是可以看得见的光。因此， 不能提供大气整层水汽含量的信息，而只能获得在气层中、上层水汽分布情况。 6.7µm波段 6.7µm水汽图对大气层中上层水汽反映敏感，对大气低层的水汽与云反映不敏 感，而水汽主要分布在大气中、低层次。
对比度
边界两侧灰度差的大小
带或缝：这种或黑或浅灰的长形区域宽度有限，在其两侧各有一 条边界。“带”这个词既可以用于表示亮，又可以表示暗的特征 ；而“缝”这个词只用于表示暗区。
边缘：当灰度差出现在一较长距离内或形状不规则时，我们有时 用“边缘”一词来表示不清晰的界面。 水汽图中最常见和最重要的类型被归纳为七种基本类型：
将水汽图像应用于天气尺度分析的基础：干区（深灰色）、 湿区（亮白色）以及它们的边界，它们经常和重要的高空气流特 征有很大的相关性（比如：槽、对流层顶动力异常和急流等）。
分析水汽图中最重要的特征是不同水汽区之间的边界， 了解边界与整个水汽分布是分析的关键。
根据图象上不同特点和表现可识别出常见的边界类型。水 汽图中清晰的边界或灰度差异通常代表高空亮（冷）灰度一侧 的湿空气和暗（暖）灰度一侧的干空气之间的差异。它们的形 成原因有： 湿空气在某一地区上升，而周围环境状况无重大变化； 湿空气在被高空干空气侵占的区域下沉，即在无变化的湿 环境附近，形成新的高空干空气环境； 水汽边界可能是前面两种过程共同作用的结果，上升的湿 空气区域邻近的湿空气可以下沉； 在相同尺度上没有明显垂直运动的水平变形过程可使最初 渐变的或反差小的水汽梯度变得清晰且反差大。
特征：水汽图上的头边界表现为边界整齐光滑，向上游一侧凸起， 它的一侧为冷的湿区和高云区，另一侧为一狭窄的干黑带。 头边界一般出现在两种情形中：一种是逗点云的头部西界，另一 种是雷暴云的西南边界。