卫星气象学基础
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（温度相同，辐射不同）
夜间在3.7微米通道上 地表和云温度相同时，地表的 辐射大于云（雾） 因此地表暖于云
（用辐射计算亮度温度）
故可区分地表和雾（低云）
夜间 用10微米通道的亮温 减3.7微米通道的亮温 正值的地方是雾（低层云） 没变化的地方是地表 负值的地方是卷云
识别云的判据
结构形式 范围大小 边界形状 色调 暗影 纹理
比较红外和水汽图象
水汽图象上的涡旋
水汽图象上的 边界
头边界
天气尺度的头边界
头边界（300hPa分析）
天气尺度系统的头边界
平行急流边界
干 涌 边 界
斜压叶边界
底涌边界
内 边 界
回 流 水 汽 边 界
在水汽图象上 不能看到 700百帕（3000米）以下的 云和地表
通道5 大气窗区中红外图象
通过大气的太阳辐射或地球大气系 统辐射将被大气中某些气体所吸收， 这些吸收随波长的变化很大，在某 些波段的吸收很强，而在另一些波 段的吸收则很弱，在这些吸收最弱 的波段，太阳辐射和地球大气辐射 可以象光通过窗户那样透过大气， 这些波段称做大气窗。
吸收带和大气窗
窗区——表面特征（云面地面 洋面）
1 Km to 250 m
Hurricane Erin 09/09/01 ~1530 Z GOES-8: ~1 km
•Note the detail in the eye wall (you can see up its side), improving the resolution of visible imagery provides enhanced ability to analyze a cloud field
风云二号 5个通道 通道 VIS IR1 IR2 IR3 IR4 波长 (μm ) 0.55～0.90 10.3～11.3 11.5 ～ 12.5 6.3～7.6 3.5 ～4.0
IR4
3.5 ～4.0
• 本通道的中心波长是3.7 μm • 3.7 μm是大气窗区 • 它位于反射太阳辐射及地球、云所发射的 辐射之间的小重叠区中 • 夜间它与标准红外波段一样 • 白天太阳和地球的辐射混合在一起
• 高度高，视野广阔，一个静止气象 卫星可以对南北70°S—70°N，东 西140个经度，约占地球表面1/3的 1亿7千万平方公里进行观测
• 可以对某一固定区域、天气系统进 行连续观测，用1分钟、3分钟、5 分钟、15分钟、30分钟的图片做成 动画
风云二号 5个通道
Channel Wavelength (μm ) VIS 0.55～0.90 （地云反射太阳辐射） IR1 10.3～11.3 （地云自身发射辐射） IR2 11.5 ～ 12.5 （地云自身发射辐射） IR3 6.3～7.6 （地云水汽自身发射辐射） IR4 3.5 ～4.0 （地云反射太阳辐射 +自身发射辐射）
结构形式
带状 涡旋状 团（块）状 细胞状 波状
范围大小
锋面、气旋——上千公里 对流云——几公里
锋 面
Baidu Nhomakorabea
直线 圆形 扇形 气旋性弯曲 反气旋性弯曲 整齐和不整齐
边界形状
色调（亮度、灰度）
物象的明暗程度 可见光—反照率 红外—物体的亮度温度
暗 影
在一定的太阳高度之下 高的目标物在低的目标物上的投影 （只出现在可见光图象上）
暗 影 纹 理
风 云 一 C 对 流 云 团
台 风 眼 暗 影
台 风 眼 的 暗 影
云顶表面光滑程度 多起伏、多斑点、皱纹 纤维状
纹理
光滑和均匀
不同分辨率的青海省李家峡水库系列卫星影象
1 km（NOAA/AVHRR）
250 m（EOS/MODIS）
30 m（ETM）
2.8 m（ Quick Bird ）
3.7微米通道 白天收到的辐射 1、来自地（云）面反射的太阳辐射 2、来自地（云）面自身发射的辐射
3.7微米通道 夜间收到的辐射
1、来自地（云）面自身发射的辐射
风云二号静止气象卫星 3.7微米通道 卫星收到的辐射越多色调越黑 卫星收到的辐射越少色调越白
白天的3.7 μm 通道 卫星收到的辐射 主要是云和地球大气系统 反射的太阳辐射 地球大气系统发射的辐射 与反射太阳辐射比很少
• 观测间隔长，对某一地区， 一天一颗卫星在红外波段取 得两次资料，可见光波段只 有一次资料 • 相邻两条轨道的资料不是同 一时刻
自旋稳定的地球同步轨道卫星
FY-2卫星
• 卫星运行方向与地球自转方向相 同，即同向运行性 • 卫星轨道倾角为0度，即赤道平 面与轨道平面完全重合 • 轨道偏心率e为0，即轨道是圆形 的 • 周期为23小时56分04秒 • 卫星高度35860公里
近极地太阳同步轨道
• 太阳同步——卫星的轨道平面和太 阳始终保持相对固定的取向
• 近极地——由于这种轨道的倾角接 近90度，卫星要在极地附近通过
• 卫星几乎以同一地方时经过各地 上空 • 极轨气象卫星的高度约为800多公 里 • 太阳同步轨道卫星可以观测全球 ，尤其是可以观测两极地区 • 在观测时有合适的照明，可以得 到充足的太阳能
• 太阳辐射能0.3-3.0微米， • 太阳温度高达6000K， • 最大辐射能位于0.47微米； • 地球大气系统发出的辐射主要是 红外辐射，温度300K • 地球大气辐射发出的能量的 95% 集中于4-120微米， • 最大辐射波长10微米。
• 在气象卫星遥感中，主要采用
• 可见光（太阳发射的） • 红外（地球发射的） • 微波（地球发射的）
看卫星图象的基本出发点
• 卫星只会测辐射能 • 气象卫星测两种辐射能： • 地球大气系统反射的太阳辐射能（可见 光图象，反照率）； • 地球大气系统自身发射的辐射能（窗区 红外图象和水汽图象，亮度温度）
两种地球卫星
近极地太阳同步轨道卫星
地球同步轨道卫星
轨 地 道 太 卫 阳 星 同 步
近 极
山 脉 浓 雾
短 波 槽 云
波 状 云
美 丽 的 西 藏
湖 泊 看 不 清 了
黑 白 图 象
水 汽
中 红 外
低 云 是 黑 色 的
红 外 图 上 无 云 区
水 汽 图 上 黑 色 的 有 云 区
可 见 光 图 上 的 云 区
谢谢！
杜 苏 芮
不 对 称 的 热 带 风 暴
• 风云二号静止气象卫星上的 • 可见光波段通道是0.55-0.90微米 • 星下点分辨率1.25公里
• 北纬50度2公里
• 高反照率的云具有的特点： 云的厚度大；云水(冰)含量高； 云滴的平均尺度小。 • 低反照率的云具有的特点： 云的厚度小；云水(冰)含量低； 云滴的平均尺度大。
冷 锋 入 海 的 经 典 图 象
通道2、3 窗区红外图象
什么窗？
亮度温度Tb 如果物体发射的辐射亮度（辐射 强度）与温度为Tb的黑体辐射亮 度相等
黑体的温度Tb 叫做该物体的亮度温度
辐射能
100
卫星
辐射能
100
亮度温度
实际温度
100
黑体
100
物体
120
亮度温度比实际温度低
–风云二号静止气象卫星红外波段通道 是： –10.3-11.3微米和11.5-12.5微米。
• • • •
可见光图象上各目标的色调 色 调 目 标 物 黑 色 海洋、湖泊、大的河流 深灰色 陆地上大面积森林覆盖区、牧场、 草地、耕地 • 灰 色 陆地上的晴天积云、塔里木沙漠、陆 地上单独出现的卷云 • 灰白色 大陆上薄的中高云 • 白 色 积雪、冰冻湖泊和海洋、中等厚度云 • 浓白色 大块厚云、积雨云团、多层云
气象卫星图象的
解译和判读
一个探测原理
两种地球卫星 五通道卫星图象 六条识别云的判据
卫星图象是通过辐射计测量太阳、 地球和大气所发射的散布在空间 的电磁辐射而得到的。所有的固 体、液体和气体都发射电磁辐射。 辐射源越热，其发射辐射的强度 就越大。按照普朗克函数，辐射 源的温度可以根据其发射辐射的 强度来计算。 这一点是卫星遥感的基本原理。
可 见 光 图 象
红 外 图 象
3 7 通 道 .
夜间的3.7 μm 通道 卫星收到的辐射 是云和地球大气系统 发射的辐射
白 色 雾
黑 色 雾
夜间用3.7 μm 图象判别雾 在IR图象上，雾顶与周围地表温度 相近，则不能被识别 在3.7 μm 通道，地面的发射相当 于黑体，而云（雾）不是黑体， 发射率0.9
–气象卫星在10.5-12.5微米红外波段接 收的辐射是 –地面和云面发射的长波红外辐射 –太阳辐射完全忽略
–物体温度越高，气象卫星接收到的辐 射越大 –温度越低，辐射越小
–如果将这辐射转换成黑白图象 –辐射大（物体温度高）用黑色表示 –辐射小（物体温度低）用白色表示
静止气象卫星红外图象 星下点分辨率
吸收带——复杂
通道1 可见光通道图象
– 在可见光通道探测到的辐射与
–物体反照率 –太阳天顶角（或高度角） –有关。
–反照率的定义是 –自某物体返回空间的太阳 总辐射能 –与投射到该物体的总的辐 射能之比。
在可见光图象上 反照率越大，色调越白亮 反照率越小，色调越暗
云是白的
• 地表或云 主要特征 反照率 • 积雨云 大而厚 92 • 层积云 陆地上，云量>80% 68 • 沙漠 白砂 60 • 湖泊、海洋 7
5公里
北纬50度8公里
对 流 云 团
暴 雨 云 团
暴 雨 云 团
3：00 图 4：00 雨量
红外(IR)图象提供有关云纹理 结构信息的能力
比可见光(VIS)图象差， 因为它是基于观测发射辐射 而非散射辐射的
在可见光图象上识别各种云的 相对高度是不容易的，
在红外图象上可以根据云的色 调差异，识别云的相对高度，
可见光与红外图象色调的比较
红 外 图 上 黑 灰 都 可 以 是 无 云
通道4 红外水汽吸收带图象
水汽图象 6.7µm波长 属红外波段 水汽强吸收带
•辐射强度 •与发射辐射的物体或 物质的温度 •有关
•如果在物体与卫星之间 •存在水汽 •这些水汽会吸收 •一部分向上的辐射 •并会再辐射
• 因为水汽通常冷于从下向上发出辐射的 地面与云顶，水汽的再辐射通常发生在 较小的能量水平上 • 到达卫星的辐射路径上存在水汽的影响 会减弱卫星观测到的净辐射强度 • 由于水汽的存在，卫星测得的温度要比 实际低 • 就是根据这个道理，卫星可以探测悬浮 在大气中的水汽
白天用3.7 μm 图象判别 冰晶和大水滴
大于10 μm水滴和冰晶对来自太阳 的3.7 μm辐射有强烈的吸收， 反照率低 卫星收到的辐射能少
云在白天的可见光和3.7 μm图象中的表现
可见光图象 云呈灰或白色 多次散射云很亮 反照率取决于云厚和含水量 透过高层薄云能看到低层云 3.7 μm通道图象 云可从黑到白的任何色调 无多次散射云呈黑色 反照率取决于云滴的大小 透过高层薄云不能看到低层云
夜间在3.7微米通道上 地表和云温度相同时，地表的 辐射大于云（雾） 因此地表暖于云
（用辐射计算亮度温度）
故可区分地表和雾（低云）
夜间 用10微米通道的亮温 减3.7微米通道的亮温 正值的地方是雾（低层云） 没变化的地方是地表 负值的地方是卷云
识别云的判据
结构形式 范围大小 边界形状 色调 暗影 纹理
比较红外和水汽图象
水汽图象上的涡旋
水汽图象上的 边界
头边界
天气尺度的头边界
头边界（300hPa分析）
天气尺度系统的头边界
平行急流边界
干 涌 边 界
斜压叶边界
底涌边界
内 边 界
回 流 水 汽 边 界
在水汽图象上 不能看到 700百帕（3000米）以下的 云和地表
通道5 大气窗区中红外图象
通过大气的太阳辐射或地球大气系 统辐射将被大气中某些气体所吸收， 这些吸收随波长的变化很大，在某 些波段的吸收很强，而在另一些波 段的吸收则很弱，在这些吸收最弱 的波段，太阳辐射和地球大气辐射 可以象光通过窗户那样透过大气， 这些波段称做大气窗。
吸收带和大气窗
窗区——表面特征（云面地面 洋面）
1 Km to 250 m
Hurricane Erin 09/09/01 ~1530 Z GOES-8: ~1 km
•Note the detail in the eye wall (you can see up its side), improving the resolution of visible imagery provides enhanced ability to analyze a cloud field
风云二号 5个通道 通道 VIS IR1 IR2 IR3 IR4 波长 (μm ) 0.55～0.90 10.3～11.3 11.5 ～ 12.5 6.3～7.6 3.5 ～4.0
IR4
3.5 ～4.0
• 本通道的中心波长是3.7 μm • 3.7 μm是大气窗区 • 它位于反射太阳辐射及地球、云所发射的 辐射之间的小重叠区中 • 夜间它与标准红外波段一样 • 白天太阳和地球的辐射混合在一起
• 高度高，视野广阔，一个静止气象 卫星可以对南北70°S—70°N，东 西140个经度，约占地球表面1/3的 1亿7千万平方公里进行观测
• 可以对某一固定区域、天气系统进 行连续观测，用1分钟、3分钟、5 分钟、15分钟、30分钟的图片做成 动画
风云二号 5个通道
Channel Wavelength (μm ) VIS 0.55～0.90 （地云反射太阳辐射） IR1 10.3～11.3 （地云自身发射辐射） IR2 11.5 ～ 12.5 （地云自身发射辐射） IR3 6.3～7.6 （地云水汽自身发射辐射） IR4 3.5 ～4.0 （地云反射太阳辐射 +自身发射辐射）
结构形式
带状 涡旋状 团（块）状 细胞状 波状
范围大小
锋面、气旋——上千公里 对流云——几公里
锋 面
Baidu Nhomakorabea
直线 圆形 扇形 气旋性弯曲 反气旋性弯曲 整齐和不整齐
边界形状
色调（亮度、灰度）
物象的明暗程度 可见光—反照率 红外—物体的亮度温度
暗 影
在一定的太阳高度之下 高的目标物在低的目标物上的投影 （只出现在可见光图象上）
暗 影 纹 理
风 云 一 C 对 流 云 团
台 风 眼 暗 影
台 风 眼 的 暗 影
云顶表面光滑程度 多起伏、多斑点、皱纹 纤维状
纹理
光滑和均匀
不同分辨率的青海省李家峡水库系列卫星影象
1 km（NOAA/AVHRR）
250 m（EOS/MODIS）
30 m（ETM）
2.8 m（ Quick Bird ）
3.7微米通道 白天收到的辐射 1、来自地（云）面反射的太阳辐射 2、来自地（云）面自身发射的辐射
3.7微米通道 夜间收到的辐射
1、来自地（云）面自身发射的辐射
风云二号静止气象卫星 3.7微米通道 卫星收到的辐射越多色调越黑 卫星收到的辐射越少色调越白
白天的3.7 μm 通道 卫星收到的辐射 主要是云和地球大气系统 反射的太阳辐射 地球大气系统发射的辐射 与反射太阳辐射比很少
• 观测间隔长，对某一地区， 一天一颗卫星在红外波段取 得两次资料，可见光波段只 有一次资料 • 相邻两条轨道的资料不是同 一时刻
自旋稳定的地球同步轨道卫星
FY-2卫星
• 卫星运行方向与地球自转方向相 同，即同向运行性 • 卫星轨道倾角为0度，即赤道平 面与轨道平面完全重合 • 轨道偏心率e为0，即轨道是圆形 的 • 周期为23小时56分04秒 • 卫星高度35860公里
近极地太阳同步轨道
• 太阳同步——卫星的轨道平面和太 阳始终保持相对固定的取向
• 近极地——由于这种轨道的倾角接 近90度，卫星要在极地附近通过
• 卫星几乎以同一地方时经过各地 上空 • 极轨气象卫星的高度约为800多公 里 • 太阳同步轨道卫星可以观测全球 ，尤其是可以观测两极地区 • 在观测时有合适的照明，可以得 到充足的太阳能
• 太阳辐射能0.3-3.0微米， • 太阳温度高达6000K， • 最大辐射能位于0.47微米； • 地球大气系统发出的辐射主要是 红外辐射，温度300K • 地球大气辐射发出的能量的 95% 集中于4-120微米， • 最大辐射波长10微米。
• 在气象卫星遥感中，主要采用
• 可见光（太阳发射的） • 红外（地球发射的） • 微波（地球发射的）
看卫星图象的基本出发点
• 卫星只会测辐射能 • 气象卫星测两种辐射能： • 地球大气系统反射的太阳辐射能（可见 光图象，反照率）； • 地球大气系统自身发射的辐射能（窗区 红外图象和水汽图象，亮度温度）
两种地球卫星
近极地太阳同步轨道卫星
地球同步轨道卫星
轨 地 道 太 卫 阳 星 同 步
近 极
山 脉 浓 雾
短 波 槽 云
波 状 云
美 丽 的 西 藏
湖 泊 看 不 清 了
黑 白 图 象
水 汽
中 红 外
低 云 是 黑 色 的
红 外 图 上 无 云 区
水 汽 图 上 黑 色 的 有 云 区
可 见 光 图 上 的 云 区
谢谢！
杜 苏 芮
不 对 称 的 热 带 风 暴
• 风云二号静止气象卫星上的 • 可见光波段通道是0.55-0.90微米 • 星下点分辨率1.25公里
• 北纬50度2公里
• 高反照率的云具有的特点： 云的厚度大；云水(冰)含量高； 云滴的平均尺度小。 • 低反照率的云具有的特点： 云的厚度小；云水(冰)含量低； 云滴的平均尺度大。
冷 锋 入 海 的 经 典 图 象
通道2、3 窗区红外图象
什么窗？
亮度温度Tb 如果物体发射的辐射亮度（辐射 强度）与温度为Tb的黑体辐射亮 度相等
黑体的温度Tb 叫做该物体的亮度温度
辐射能
100
卫星
辐射能
100
亮度温度
实际温度
100
黑体
100
物体
120
亮度温度比实际温度低
–风云二号静止气象卫星红外波段通道 是： –10.3-11.3微米和11.5-12.5微米。
• • • •
可见光图象上各目标的色调 色 调 目 标 物 黑 色 海洋、湖泊、大的河流 深灰色 陆地上大面积森林覆盖区、牧场、 草地、耕地 • 灰 色 陆地上的晴天积云、塔里木沙漠、陆 地上单独出现的卷云 • 灰白色 大陆上薄的中高云 • 白 色 积雪、冰冻湖泊和海洋、中等厚度云 • 浓白色 大块厚云、积雨云团、多层云
气象卫星图象的
解译和判读
一个探测原理
两种地球卫星 五通道卫星图象 六条识别云的判据
卫星图象是通过辐射计测量太阳、 地球和大气所发射的散布在空间 的电磁辐射而得到的。所有的固 体、液体和气体都发射电磁辐射。 辐射源越热，其发射辐射的强度 就越大。按照普朗克函数，辐射 源的温度可以根据其发射辐射的 强度来计算。 这一点是卫星遥感的基本原理。
可 见 光 图 象
红 外 图 象
3 7 通 道 .
夜间的3.7 μm 通道 卫星收到的辐射 是云和地球大气系统 发射的辐射
白 色 雾
黑 色 雾
夜间用3.7 μm 图象判别雾 在IR图象上，雾顶与周围地表温度 相近，则不能被识别 在3.7 μm 通道，地面的发射相当 于黑体，而云（雾）不是黑体， 发射率0.9
–气象卫星在10.5-12.5微米红外波段接 收的辐射是 –地面和云面发射的长波红外辐射 –太阳辐射完全忽略
–物体温度越高，气象卫星接收到的辐 射越大 –温度越低，辐射越小
–如果将这辐射转换成黑白图象 –辐射大（物体温度高）用黑色表示 –辐射小（物体温度低）用白色表示
静止气象卫星红外图象 星下点分辨率
吸收带——复杂
通道1 可见光通道图象
– 在可见光通道探测到的辐射与
–物体反照率 –太阳天顶角（或高度角） –有关。
–反照率的定义是 –自某物体返回空间的太阳 总辐射能 –与投射到该物体的总的辐 射能之比。
在可见光图象上 反照率越大，色调越白亮 反照率越小，色调越暗
云是白的
• 地表或云 主要特征 反照率 • 积雨云 大而厚 92 • 层积云 陆地上，云量>80% 68 • 沙漠 白砂 60 • 湖泊、海洋 7
5公里
北纬50度8公里
对 流 云 团
暴 雨 云 团
暴 雨 云 团
3：00 图 4：00 雨量
红外(IR)图象提供有关云纹理 结构信息的能力
比可见光(VIS)图象差， 因为它是基于观测发射辐射 而非散射辐射的
在可见光图象上识别各种云的 相对高度是不容易的，
在红外图象上可以根据云的色 调差异，识别云的相对高度，
可见光与红外图象色调的比较
红 外 图 上 黑 灰 都 可 以 是 无 云
通道4 红外水汽吸收带图象
水汽图象 6.7µm波长 属红外波段 水汽强吸收带
•辐射强度 •与发射辐射的物体或 物质的温度 •有关
•如果在物体与卫星之间 •存在水汽 •这些水汽会吸收 •一部分向上的辐射 •并会再辐射
• 因为水汽通常冷于从下向上发出辐射的 地面与云顶，水汽的再辐射通常发生在 较小的能量水平上 • 到达卫星的辐射路径上存在水汽的影响 会减弱卫星观测到的净辐射强度 • 由于水汽的存在，卫星测得的温度要比 实际低 • 就是根据这个道理，卫星可以探测悬浮 在大气中的水汽
白天用3.7 μm 图象判别 冰晶和大水滴
大于10 μm水滴和冰晶对来自太阳 的3.7 μm辐射有强烈的吸收， 反照率低 卫星收到的辐射能少
云在白天的可见光和3.7 μm图象中的表现
可见光图象 云呈灰或白色 多次散射云很亮 反照率取决于云厚和含水量 透过高层薄云能看到低层云 3.7 μm通道图象 云可从黑到白的任何色调 无多次散射云呈黑色 反照率取决于云滴的大小 透过高层薄云不能看到低层云