第六章 卫星云图识别(1)
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2008-10-16 第六章 云图识别(1) 13
2．深灰色 3．灰色 4．灰白色 5．白 色
6．浓白色
一些主要云和地面目标物的反照率
云和地面目标物 1．积雨云 2．积雨云 3．卷层云 4．积云，层积云 5．层积云 6．层云 7．沙漠 8．层积云 主要特征 大而厚 小，云顶在6km左右 厚，下面有中低云和 降水 陆地上，云量>80％ 陆地上，云量>80％ 厚，出现在洋面上， 云厚约0.5km 白沙 洋面上成片 陈雪，已有3～7天， 大部分在森林地区 新雪 2008-10-16 反照率 92 86 74 69 68 64 60 60 59 80 云和地面目标物 10．层云 11．卷云 12．卷层云 13．晴天积云 14．中云(高层、 高积云) 15．沙地 16．沙地和矮树 林 17．植被 针叶林 9．积雪 18．海洋，湖泊, 河流 14 主要 特 征 反照率 42 36 32 29 68 77 17 18 12 9(7)
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第六章 云图识别(1)
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该波段卫星观测的也是来自地面和云面反 射的太阳辐射，但该通道物像的反照率与 AVHRR第一通道不同，卫星测量的辐射也 不同，反映在云图上物像的色调也不同。 主要地面目标反照率随波长的变化如图： （1）从可见光波段到近红外波段，对于 水面的反照率随波长的增加明显减小；对 于陆地或干燥的土壤的反照率，随波长的 增加而增加，所以在近红外波段，水面与 陆面间反照率差异加大；
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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 新雪还是陈雪?等等；
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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： 大气
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第六章 云图识别(1)
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VIS图像中分析中需特别注意： 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。
16
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。
2008年7月19日06时32分可见光
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第六章 云图识ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ(1)
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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。
第六章 云图识别(1)
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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。 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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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。
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2、0.87μm近红外云图的特点 TIROS N／NOAA系列卫星的第二通道波长 范围为0.725～1.10μm，中心波长为 0.87μm，其波长范围主要处于近红外谱 段，有很小部分处在可见光谱段，卫星于 这一谱段观测到的云图称为近红外云图。
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3．1．6μm 近红外通道云图特点 在NOAA-K～L卫星上的AVHRR-3增加了一个 1.6μm近红外通道，增加这一观测通道的 目的在于： ①可用于区分雪和云，由于在可见光谱段 雪和云的反照率相近一般很难区别，而 1.6μm近红外通道与可见光通道相比较， 两者间有明显的差别，雪在1.6μm近红外 通道上的反照率明显高于由水滴组成的低 云反照率，因此利用这一通道可以区分积 雪和云；
第六章
云图识别
（1）
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第六章 云图识别(1)
1
第一节 卫星图像的基本特征 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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卫星云图的主要应用范围 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。
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地表反照率随波长的变化
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第六章 云图识别(1)
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对于植被，在可见光的红波段是叶绿素吸 收带，植被长势越好，反照率越小；到近 红外波段，植被的反照率显著增加。 因此利用该通道与第一通道综合应用 可以监测植被生长状况、水陆界面、土壤 湿度、冰雪融化情况、大气污染等。
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不同波段对流云与层状云色调的变化
层状云
对流云
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二、红外云图的基本特点 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。
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第六章 云图识别(1)
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卫星资料的类型： 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。
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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。
实际的表面温度
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订正
2．红外云图的基本特点 (1)红外云图上地面、云面色调随纬度和 季度而变化 黒 赤道到极地 白 原因：地面和云面温度向高纬度地区递减 结果：高纬度地区地表和云之间的温度差 很小，所以在红外云图上只有很小的色调 反差，不容易将云与冷地表区别开，云的 类型也难以区别。
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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。
色 1．黑 调 色 目 标 物 海洋、湖泊、大的河流 陆地上大面积森林覆盖区、牧场、草地、耕地 陆地上晴天积云、塔里木沙漠、陆地上单独出现的卷云 大陆上的中高云 积雪、冰冻的湖泊和海洋、中等厚度的云(中云、积云和层积云) 大块厚云、积雨云团 可见光云图上主要目标物的色调
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风云二号卫星图像仪的观测通道
通道 可见光 窗区红外 分裂窗 热红外 水汽 观测波段 应用目标 0.55-0.90 白天云图 10.3-11.3 昼夜云图 11.5-12.5 海表水温 3.5-4.5 6.3-7.6 火、云滴大小 对流层上部水汽
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(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。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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第六章 云图识别(1)
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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。 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。
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②可观测云的相态； ③可观测气溶胶的光学厚度。 下图给出了近红外波段和短波红外波段 0.86、1.64、2.13和3.75μm的色调。 图a为层状云的色调变化：随波长增加， 层状云色调越暗，3.75μm段色调最暗； 图b为对流云色调变化，色调随波长改变 与图a相似，但0.86μm波段对流云较层状 云色调更亮一些，而在3.75μm波段对流 云的色调较层状云更暗些。
薄，洋面上 薄，单独出在陆地上 单独在陆地上 陆地上，云量>80％ 中等厚度 谷地、平原、坡地
第六章 云图识别(1)
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。 反过来，也可以根据卫星云图上的色 调估算入射到地表面的太阳辐射、物像的 反照率和双向反射率。
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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
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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。 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。
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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； ③根据卫星观测的目标特性确定观测波段
2．深灰色 3．灰色 4．灰白色 5．白 色
6．浓白色
一些主要云和地面目标物的反照率
云和地面目标物 1．积雨云 2．积雨云 3．卷层云 4．积云，层积云 5．层积云 6．层云 7．沙漠 8．层积云 主要特征 大而厚 小，云顶在6km左右 厚，下面有中低云和 降水 陆地上，云量>80％ 陆地上，云量>80％ 厚，出现在洋面上， 云厚约0.5km 白沙 洋面上成片 陈雪，已有3～7天， 大部分在森林地区 新雪 2008-10-16 反照率 92 86 74 69 68 64 60 60 59 80 云和地面目标物 10．层云 11．卷云 12．卷层云 13．晴天积云 14．中云(高层、 高积云) 15．沙地 16．沙地和矮树 林 17．植被 针叶林 9．积雪 18．海洋，湖泊, 河流 14 主要 特 征 反照率 42 36 32 29 68 77 17 18 12 9(7)
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该波段卫星观测的也是来自地面和云面反 射的太阳辐射，但该通道物像的反照率与 AVHRR第一通道不同，卫星测量的辐射也 不同，反映在云图上物像的色调也不同。 主要地面目标反照率随波长的变化如图： （1）从可见光波段到近红外波段，对于 水面的反照率随波长的增加明显减小；对 于陆地或干燥的土壤的反照率，随波长的 增加而增加，所以在近红外波段，水面与 陆面间反照率差异加大；
2008-10-16 第六章 云图识别(1) 5
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 新雪还是陈雪?等等；
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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： 大气
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VIS图像中分析中需特别注意： 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。
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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。
2008年7月19日06时32分可见光
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第六章 云图识ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ(1)
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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。
第六章 云图识别(1)
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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。 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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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。
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2、0.87μm近红外云图的特点 TIROS N／NOAA系列卫星的第二通道波长 范围为0.725～1.10μm，中心波长为 0.87μm，其波长范围主要处于近红外谱 段，有很小部分处在可见光谱段，卫星于 这一谱段观测到的云图称为近红外云图。
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3．1．6μm 近红外通道云图特点 在NOAA-K～L卫星上的AVHRR-3增加了一个 1.6μm近红外通道，增加这一观测通道的 目的在于： ①可用于区分雪和云，由于在可见光谱段 雪和云的反照率相近一般很难区别，而 1.6μm近红外通道与可见光通道相比较， 两者间有明显的差别，雪在1.6μm近红外 通道上的反照率明显高于由水滴组成的低 云反照率，因此利用这一通道可以区分积 雪和云；
第六章
云图识别
（1）
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1
第一节 卫星图像的基本特征 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。
2008-10-16 第六章 云图识别(1) 4
卫星云图的主要应用范围 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。
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地表反照率随波长的变化
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对于植被，在可见光的红波段是叶绿素吸 收带，植被长势越好，反照率越小；到近 红外波段，植被的反照率显著增加。 因此利用该通道与第一通道综合应用 可以监测植被生长状况、水陆界面、土壤 湿度、冰雪融化情况、大气污染等。
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不同波段对流云与层状云色调的变化
层状云
对流云
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二、红外云图的基本特点 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。
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卫星资料的类型： 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。
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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。
实际的表面温度
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2．红外云图的基本特点 (1)红外云图上地面、云面色调随纬度和 季度而变化 黒 赤道到极地 白 原因：地面和云面温度向高纬度地区递减 结果：高纬度地区地表和云之间的温度差 很小，所以在红外云图上只有很小的色调 反差，不容易将云与冷地表区别开，云的 类型也难以区别。
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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。
色 1．黑 调 色 目 标 物 海洋、湖泊、大的河流 陆地上大面积森林覆盖区、牧场、草地、耕地 陆地上晴天积云、塔里木沙漠、陆地上单独出现的卷云 大陆上的中高云 积雪、冰冻的湖泊和海洋、中等厚度的云(中云、积云和层积云) 大块厚云、积雨云团 可见光云图上主要目标物的色调
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风云二号卫星图像仪的观测通道
通道 可见光 窗区红外 分裂窗 热红外 水汽 观测波段 应用目标 0.55-0.90 白天云图 10.3-11.3 昼夜云图 11.5-12.5 海表水温 3.5-4.5 6.3-7.6 火、云滴大小 对流层上部水汽
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(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。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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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。 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。
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②可观测云的相态； ③可观测气溶胶的光学厚度。 下图给出了近红外波段和短波红外波段 0.86、1.64、2.13和3.75μm的色调。 图a为层状云的色调变化：随波长增加， 层状云色调越暗，3.75μm段色调最暗； 图b为对流云色调变化，色调随波长改变 与图a相似，但0.86μm波段对流云较层状 云色调更亮一些，而在3.75μm波段对流 云的色调较层状云更暗些。
薄，洋面上 薄，单独出在陆地上 单独在陆地上 陆地上，云量>80％ 中等厚度 谷地、平原、坡地
第六章 云图识别(1)
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。 反过来，也可以根据卫星云图上的色 调估算入射到地表面的太阳辐射、物像的 反照率和双向反射率。
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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
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第六章 云图识别(1)
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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。 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。
2008-10-16 第六章 云图识别(1) 2
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； ③根据卫星观测的目标特性确定观测波段