第二篇 卫星图象的分析基础
第一章 卫星图象的基本特征
卫星云图是气象卫星最易最早进行的观测项目之一，也是最早直接在气象业务中发挥作用最大的卫星资料。早期气象卫星采用电视摄像机对地球大气系统进行观测，得到反映云分布的电视云图，但是用这种仪器得到的云图只限于白天，无法得到夜间的云图，到上世纪七十年代，美国第二代业务气象卫星姿态为三轴定向稳定，观测仪器采用扫描辐射仪，可以根据需要选择二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它类型的云图。卫星云图主要表示地面、云面的特性，所以卫星观测仪器在选取波长时应选取 （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，观测对象与其它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。
卫星资料有两大类，一类的图象资料，如卫星云图、水汽图等，它是由成象类辐射计获取，这类资料成图迅速，时、空分辨率高，直观形象，水平分布连续，使用方便，必须对图象进行二次处理才能进行定量分析应用；另一类是探测资料，为定量数字资料，光谱分辨率高，用于大气温度和成份的探测。
卫星云图可以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、小尺度等灾害性天气现象；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。随着卫星探测技术的高速发展，卫星观测通道越来越多，图象的种类大增加，经处理后定量的卫星资料也越来越多，卫星云图的应用表现出广阔的前景。
对天气预报来说，卫星云图分析的主要内容有：
（1）区分不同通道的云图，即这是一张可见光云图还是红外云图？对于分裂窗的红外云图又是那个通道的等等；
（2）把云和地表区别开来，尤其是将云和雪区别开来；
（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？它们之间有那些相同之处？有那些不同的地方？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）从卫星云图估计气象要素，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，为天气预报提供依据。
卫星携带的成象仪在不同谱段测量的辐射转换成不同色调的图象就得到卫星图象，当前卫星图象有二种，一种是卫星云图，它主要反映大气中云系分布；另一种是水汽图，其主要表示大气中水汽分布。
在分析卫星云图时，仅停留在云系的识别和天气系统的分析是很不够的，应进一步弄清楚分布于云图上各地局地云系，天气尺度云系任一处的云，这些云系为什么是这样分布的，卫星云图上云系形成和分布及演变的物理原因，只有对卫星云图上的云系的形成、演变的物理原因了解清楚，才能更好地用于天气预报。
卫星云图资料谱段多，时间空间分辨率高，要用好卫星资料必须对每一时刻的云图仔细分析，每日的卫星资料数量多，提供的信息比任何一种资料要多很多，仅根据常规气象资料是难以对快速变化的灾害性天气作出预报的。
第一节 可见光和近红外云图基本特点
一、可见光云图的特点
可见光云图是卫星扫描辐射仪在可见光谱段，如AVHRR仪器的CH1(0.68 ~ 0.725微米）通道或静止卫星上VISSR仪器的(0.52~ 0.75微米)，测量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太阳辐射转换为图象，如果卫星接收到的辐射越大，用越白的色调表示；而对接收到的辐射越小，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，物象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，在可见光云图上物象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（1.2）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，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，物体的反照率愈大，它的色调愈白；反照率愈小，色调愈暗；表2.1给出了各种云和地面目标物的反照率，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。表2.2给出了各类地面目标物在可见光云图上的色调。
表2.1 一些主要云和地面目标物的反照率
云和地面目标物 主要特征 1积雨云 2积雨云 3卷层云 4积云，层积云 大而厚 小，云顶在六公里左右 反照率 云和地面目标物 主要特征 92 86 10层云 11卷云 12卷层云 13晴天积云 薄,洋面上 薄,单独出在陆地上. 单独在陆地上, 陆地上云量, 云量?80% 5层积云 陆地上，云量?80% 68 14中云(高层高积云) 6层云 厚，出现在洋面上，云厚约0.5公里 7沙漠 8层积云 9积雪 白砂 洋面成片 旧雪,已有3-7天,大部分在森林地区 新雪 80 海洋,湖泊,河流 9(7) 60 60 59 15沙地和矮树林 16植被 针叶林 17 18 12 64 14沙地 谷地、平原、坡地， 77 中等厚度 68 反照率 42 36 32 29 厚，下面有中低云和降水 74 陆地上，云量?80% 69 表2.2 可见光云图上主要目标物的色调 色 调 1黑 色 2深灰色 3灰 色 4灰白色 5白 色 6浓白色 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 反过来，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、物象的反照率和双向反射率。
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，太阳高度角愈大，光照条件愈好，卫星接收到的反射太阳辐射也愈大，否则愈小。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，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，物象间的反差明显，图片明亮。
图2.1是FY-2C上午10：00（北京时）可见光卫星云图，从图中可见到：（1）云与地表的反照率有很大的差异，云表现为较白的色调，陆面L表现为灰色，海洋S表现为黑色；（2） 对于反照率大的厚云A表现为很白的色调，反照率低的薄云B表现浅灰色，云的类型不同，厚度不同，色调也不同；（3）由于太阳高度角的原因，在这张图上的东南方向上云的色调要比西北侧的云的色调要亮。
图2.1 可见光云图 2006.12.18.10:00，FY-2C
二、0.87微米近红外云图的特点
TIROS-N/NOAA系列卫星的第二通道波长范围为0.725~1.10微米，中心波长为0.87微米,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之近红外云图。在这一波段卫星观测的也是来自地面和云面反射的太阳辐射，但是由于这一通道物象的反照率与AVHRR的第一通道不同，卫星测量的辐射也不同，反映在云图上一些物象的色调不同。图1.10 和图1.12 表示了几类主要地面目标物的反照率随波长的变化，从图中可见，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，这样在近红外波段，水面与陆面间反照率差异加大；对于植被，在可见光区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；对于积雪，在可见光谱段的反射率很高，随波长增大，反射率下降。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。
三、1.6微米近红外通道云图特点
在NOAA K-L卫星上的AVHRR/3增加了一个1.6微米近红外通道，增加这一观测通道的目的有：（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 0.86 ?m 1.64 ?m 2.13 ?m 3.75 ?m
(a) 层状云
1.6微米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1.6微米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；（2）区分云的相态，是由冰晶还是水滴组成的云；（3）与可见光通道结合，获取气溶胶的光学厚度。 0.86 ?m 1.64 ?m 2.13 ?m 3.75 ?m
(a) 对流云
如图2.2给出了近红外波段
图2.2 近红外到短波红外不同波段对流云与层状云色调的变化
和短波红外波段0.86?m 、
1.64?m、2.13?m、3.75 ?m的色调。图2.2(a)为层状云的色调变化，可以看到，随波长的增加，层状云的色调越来越暗，其中3.75 ?m波段的云色调最暗；图2.2(b)为对流云色调的变化，与图2.2(a)比较，色调随波长改变两者是相似的，不同的是0.86?m波段对流云较层状云色调更亮一些，而在3.75 ?m波段对流云的色调较层状云更暗些。
第二节 红外云图的基本特点 一、红外云图的基本特点
如上所述，在红外云图上的色调分布反映的是地面或云面的红外辐射或亮度温度分布，在这种云图上，色调愈暗，温度愈高，卫星接收到的红外辐射愈大；色调愈浅，温度愈低，辐射愈小。根据卫星云图上的色调差异可以估计地面、云面的温度分布。由于地表和大气的温度随季节和纬度而变，所以红外云图上的色调表现有以下几个特点： 1）红外云图上地面、云面色调随纬度和季度而变化
在红外云图上，从赤道到极地，色调愈来愈变白，这是由于地面和云面的温度向高纬度地区递减的缘故。同一高度上的云，愈往高纬度，云顶温度降低，其低云比中高云尤为明显。这就造成了在高纬度地区，低云和地表面的色调同中高云的色调很相近，这种现象在冬季最明显，而且尤其是在夜间，最不容易区分出冷的地表面上空的云。在冬季热带和副热带地区，地表面和高云的温度差达100C以上，在云图上有明显的反差；但是大陆极地区域，这种温度差不到20C，这就是说在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。
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，因此海面的色调比陆面要暗。但是到夏季，陆面的温度要高于海面温度，特别是在我国北方沿海地区，还不到夏季白天陆地增温较快， 如山东半岛地区就表现为较暗的色调。
如果陆地与水面的温度相近，则它们的色调相近，水陆界线也不清楚。在白天的陆地上，干燥地表的温度变化较大，其色调变化也大；潮湿或有植被覆盖的地区，温度变化较干燥的地区小，其色调变化也较小。
0
0
图 2.3 a、b分别显示冬季（12月4日夜间）夏季（7月10日中午）的两张红外云图的实例，从图2.3 a上看到：（1）冬季高纬地区N地表面温度很低，色调较浅，从南向北，色调由暗变浅；（2）青藏高原地势高、地表面的温度较四周温度低，呈浅的色调；（3）海面B温度较高，呈暗黑的色调，陆地温度低，色调较海洋浅；（4）云顶高、温度低的云C呈浅白色调，云顶低、温度较高的云D呈暗灰的色调。图2.3 b看到：（1）夏季陆地表面温度升高，特别的西北沙漠地区B呈现暗黑的色调，海面S呈较浅的色调，表示温度较陆地低；（2）青藏高原Q多对流性云系，呈现出多起伏的特点；（3）夏季红外云图的色调南北方向的差异较小；（4）海面温度相对陆地温度低，海洋呈现出灰的色调。
图2.3 冬、夏季节红外云图的比较 二、使用红外云图的注意点
利用红外云图可以估算地面或云顶表面的温度，但是由于云体分布差、卫星视线、卫星观测的分辨率和大气存在有吸收等原因，造成在卫星云图上云的识别和云顶温度估算误差。主要有： 1、在夜间很难观测到低云和雾，这是因为低云和雾的温度与地表温度十分相近；
2、对于超过几百米厚而密实的云层，可以看成是黑体，卫星测量辐射主要来自云顶表面，由此可以直接估算云顶温度或高度。但是对于薄云或未能充满视场的云单体，卫星测量的辐射是云体与地表面发射辐射的总和。由此辐射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。图2.4表示了不同云单体稀密情况、卫星视场大小、视角下对由卫星测量到的辐射估算云顶温度的影响，从图可以看出，卫星估算的云顶温度与实际云顶温度间的误差决定于瞬时视场内：（1）云层中各云单体的大小（或云区中晴空区大小）；（2）总云量的多寡；（3）仪器对云区视角的大小；（4）云层的厚度，即是云的透过特性。在图中，水平粗线A、B、C、D代表两种不同云分布和不同视角所测量到的云顶高度，在左边和右边云分布相同，只是卫星的视场（或视角）不同。在图上面部分表示云的单体分布比较稠密；若卫星以垂直向下观测（天顶角等于0）时，则卫星测量的辐射同时来自云顶和地表面，这时得到的云顶高度A就比实际的低一些，但是如果卫星的视角是倾斜的（右上图），则卫星观测不到来自地面的辐射，这时云顶高度就表现比较高一些B。在图的下面部分表示云单体分布比较稀疏的情况，这时卫星观测到的辐射大部分来自地面，估计的云顶温度就较暖，相应的云顶高度C和D就比较低。这些在红外云图上表现为：当云顶高度较高时，其色调较白，而云顶高度较低时，色调较深。