第五章 卫星图像的分析基础 (NXPowerLite)

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；
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；
由于地表和大气温度随季节和温度而变，所以红外云图的 色调有以下几个特点：
1） 红外云图上地面、云面的色调随纬度和季度而变化
从赤道到极地，色调越来越（白 ）；在冬季热带和副热 带地区，地表面和高云的温度差可达100˚C以上，所以在 云图上有明显的反差，但在大陆极地区域，地表面和高云 的温度差不到20˚C，在红外云图上只有很小的色调反差， 不易将云和冷地表区别开，云的类型也难以区分。
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。
2、红外云图的基本特点
在红外波段10.5-12.5μm范围内，卫星接收到的辐射仅 与温度有关，物体的温度越高，卫星接收的辐射就越 大；温度越低，辐射越小。在红外云图中，辐射大的 用暗的色调表示，辐射越小，色调越白。从严格意义 上说，红外云图是一幅亮度温度分布图，即将卫星观 测到的辐射看成是普朗克黑体辐射，并据此算出温度 （发T射bb率--为-亮0度.75温左度右），。由根卫据星卫观星测观值测按表普明朗，克大公多式数算云出的 的温度在考虑到温度高低和视角的大小后需加5-10K 的订正，计算的云顶高度比实际的高1km左右。即实 际式的中表Ts 面是温实度际与的亮表度面温温度度间，的ΔT关是系大为气订Ts 正= 温Tb度b +。ΔT ，
a）在红外云图的两边部分较明显，因为辐射路径的 增长使得吸收气体含量加大，从而吸收增加；
b）在热带地Hale Waihona Puke Baidu大气水汽含量大，吸收也强；
第五章 卫星图像的分析基础
一、卫星云图的基本特征
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。
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？ 2) 把地和云区别开来，尤其是将云和雪区别开来；
反照率越大，它的色调越白；反照率越小，色调越暗。 ；
表5．1给出了各种云和地面目标物体的反照率，从表中 可以看出：
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。
(2)太阳高度角对可见光云图上色调的影响
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：
L
L ()
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。
可见光云图是卫星扫描辐射仪在可见光谱段，测来自
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；而接收到的辐射越小，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
（3）大气吸收对估算云顶温度和地面温度的影响。
在10.5-12.5μm大气窗通道内，存在有少量的CO2 和H2O对地面、云面发射的红外辐射的少量吸收，它们又 以自身的温度再发射红外辐射，但这些发射体的温度比 原先发射的红外辐射的物体温度要低，从而使得卫星观 测到的辐射比实际的要小，尤其在以下三种情况：
大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，在可见光云图上物像的色调与其本身的反照率和太阳 高度角有关。下面对此进一步说明。
(1)反照率对可见光云图上色调的影响
从上式可以看到，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（P99-100，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
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。
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。
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。
1、可见光云图的基本特点
2） 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 面色调比陆地要（暗），但在夏季，尤其在白天，陆地温 度高于海面温度，因此海面色调比陆地要（白）。如果陆 地与水面的温度相近，则它们的色调相近，水陆界线不分 明。
3) 使用红外云图需要注意的事项
(1)在夜间很难观测到低云和雾，因为低云和雾的 温度与地表温度十分接近； (2) 对于超过几百米厚而密实的云层，卫星测量的辐 射主要来自云面，由此可以直接估算云顶温度或高 度。但对薄云或未能充满视场的云单体，卫星测量 的辐射是云体和地表发射辐射的总和，由此推算的 云顶温度比实际的要暖，估算的云顶高度比实际的 要低。（例子：P203图5-3）