云图识别

对天气预报来说，卫星云图分析的主要 内容：
• ①区分不同通道的云图，判别是可见光云图还 • 是红外云图?对于分裂窗的红外云图又是哪个通道
的等等；
• ②区别地表和云，尤其是将云和雪区别开来；
• ③识别不同种类的云，中云还是高云? 积雨云 • 还是层状云等? 相同之处与不同之处?识别不同 • 类型的地表，是陆地还是水体?如果是积雪，是新
• ③根据卫星观测的目标特性确定观测波段
卫星资料的类型：
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①图像资料，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 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 次处理才能进行定量分析应用；
• ②探测资料，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。
也大；
• 潮湿或有植被覆盖的地区温度变化小，
其色调变化也较小。
3．使用红外云图的注意点
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由于云顶温度随高度递减，在IR图像中 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VIS云图。另外，陆表 和海表温差强烈处，海岸线清晰可见，但是 云的纹理结构VIS图像中更清晰。 在IR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 与地表温度太相近）。另外，在IR资料定量 应用中，如由云顶温度估算云顶高度，必须 考虑以下四点：
可见光云图与红外云图的比较
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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；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。IR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IR上，越往南，温度越高，色调越 暗；而在VIS上，越往东南，太阳高度角 越大，云色调越白。
• 卫星图像种类： • （1）卫星云图，它主要反映大气中云系 • 分布； • （2）水汽图，其主要表示大气中水汽分 • 布。
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
• 可见光云图是卫星扫描辐射仪在可见光 • 谱段（0.40～0.76μm）测量来自地面和云 • 面反射的太阳辐射。 • 如AVHRR仪器的CH1(0.68～0.725μm ) • 通道静止卫星的0.52～0.75μm通道。 • • • •
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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 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。 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 出的温度，考虑到温度高低和视角的大小 需加5～10K的订正，计算的云顶高度比实 际的高1km。实际的表面温度与亮度温度 间的关系为：
• 入射至目标物的太阳辐射又与太阳高度角 • 有关。因此，在可见光云图上物像的色调与其 • 本身的反照率和太阳高度角有关。
1、可见光云图特点
• (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，物体的反照率越大，
它的色调越白；反照率越小，色调越暗。
(2)太阳高度角对可见光云图上色调的 影响
路径增长和水汽对云顶温度的影响
• （4）由卫星的IR辐射作出的“地面温
度”估计是地表上的温度，与天气学意 义上的“地面大气温度”（百叶箱）有 几度偏差。 • 这四条也是分析云图中应当十分注意 • 的。
三、可见光云图与红外云图的比较
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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 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。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 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 判别是不够的。
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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， 物像间的反差明显，图片明亮。
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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。 （辐射路径较长，吸收气体含量加大，吸收 增加） 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； 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 低云面温度影响较大。
2008年7月22日7时46分可见光云图
2008年7月21日12时46分可见光Hale Waihona Puke Baidu图
2008年7月22日19时16分可见光云图
雪还是陈雪?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； • • • •
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。
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三是薄云问题，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 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 沙漠之上的薄云看起来非常厚而亮，造成 错觉。
二、红外云图的基本特点
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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 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 。即在10.5～12.5μm红外谱段，卫星接 收到的辐射仅与温度有关，物体的温度越 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 用暗的色调表示，辐射越小，色调越白。 这样就得到红外云图。
第五章 卫星图像的分析基础
第一节卫星图像的基本特征
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卫星云图是气象卫星最易最早进行的观测 之一。早期气象卫星采用电视摄像机对地[ 球大]气系统进行观测，但是用这种仪器得 到的云图只限于白天，到1970年代，美国 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2 个或以上的波长间隔(通道)对地[球大]气 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。
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(2)红外云图上水面与陆地色调的变化
• 中高纬度地区： • 冬季:暗 海面 陆面 亮（海温>陆温） • 夏季:亮 海面 陆面 暗 (陆温>海温) • 如山东半岛地区就表现为较暗的色调。 • 若陆温=或相近水温水陆界线不清楚。
• 在白天的陆地上： • 干燥地表的温度变化较大，其色调变化
实际云顶温度间的误差决定于瞬时视场 内：
• 云层中各云单体的大小(或云区中晴空区 • 大小)； • 总云量的多寡； • 仪器对云区视角的大小； • 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 • 射作订正，否则测量到的温度比真实的 • 低；另外，图像边缘或“临边”附近误
差 • 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 • 的误差可达2～3℃，热带地区可以达到 • 10℃。
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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： ①减少大气对观测的影响：选用透明的大 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；
• ②根据观测对象确定选用的波段：根据目 • 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；
• 决定卫星中观测仪器识别云和地面物体
的 • 能力（分辨率）的主要因子： • （1）卫星的高度 • （2）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 • 对差异大小 • （4）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
射 • 转换成不同色调的图像就得到卫星图像。
VIS图像中分析中需特别注意：
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一是云与地面雪盖的区分，采取方法 是运用VIS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 糊来判断有云存在。 二是小对流云块问题，当卫星视场中 充满小而碎的积云（Cu）时，辐射一般来 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 一般情况下所看到的对流云块。
• （1）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 • 百米的低云和非常厚的高云才是对的。
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（2）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 云就会显得比真实情况更暖，估计出的云高 也将过低。
• 从图可以看出，卫星估算的云顶温度与
卫星云图的主要应用范围
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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 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 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。
• 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 • 有重要作用。
• 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。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。
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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。
若卫星接收到地面目标物反射的太阳辐 射转换为图像，卫星接收到的辐射越大，就 用越白的色调表示；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。
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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 下列决定： （1）入射到目标物上的太阳辐射； （2）目标物的反照率。