第二篇-卫星图象的分析基础.doc

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1、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

2、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

3、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

4、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

5、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

6、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

7、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 主要特征反照率云和地面目标物 主要特征反照率1积雨云大而厚9210层云薄,洋面上422积雨云小，云顶在六公里左右86

8、11卷云薄,单独出在陆地上.363卷层云厚，下面有中低云和降水7412卷层云单独在陆地上, 324积云，层积云陆地上，云量80%6913晴天积云陆地上云量, 云量80%295层积云陆地上，云量80%6814中云(高层高积云)中等厚度686层云厚，出现在洋面上，云厚约0.5公里6414沙地谷地、平原、坡地，777沙漠白砂6015沙地和矮树林178层积云洋面成片6016植被189积雪旧雪,已有3-7天,大部分在森林地区59针叶林12新雪80海洋,湖泊,河流9(7) 表2.2 可见光云图上主要目标物的色调色 调 目 标 物 1黑 色海洋、湖泊、大的河流2深灰色陆地上大面积森林覆盖区、牧场、草地、耕地

9、 3灰 色陆地上晴天积云、塔里木沙漠、陆地上单独出现的卷云4灰白色大陆上的中高云 5白 色积雪、冰冻的湖泊和海洋、中等厚度的云（中云、积云和层积云）6浓白色大块厚云、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

10、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

11、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0.7251.10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

12、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。 0.86 mm 1.64 mm 2.13 mm 3.75 mm (a) 对流云图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 0.86 mm 1.64 mm 2.13 mm

13、3.75 mm (a) 层状云 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。如图2.2给出了近红外波段和短波红外波段0.86mm 、1.64mm、2.13mm、3.75 mm的色调。图2

14、.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 mm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0.86mm波段对流云较层状云色调更亮一些，而在3.75 mm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

15、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1000C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200C，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，

16、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。 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

17、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

18、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

19、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

20、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。 图2.4 空间分辨率对卫星观测云的影响3、大气吸收对估算云顶温度和地面温度的影响 在10.512.5微米的大气窗通道内，存在有少量的二氧化碳和水汽对红外辐射的少量吸收，这些气体吸收了地面、云面发射的辐射后，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，这使得卫星测到的辐射比实际的要小，这种现象在下面三种情况下特别明显：（1）在红外云图的两边部分较明显，因为该处辐射路径较长，所包含的吸收气体

21、含量就加大，大气吸收增加；（2）在热带地区大气中水汽含量大，吸收也强，对估算云顶温度和地面温度的影响较大；（3）从垂直方向而言，大气中的水汽主要集中于底层，低空的水汽吸收较大气高层要大得多，对卫星估计云面温度要大。 图2.5说明水汽吸收对卫星观测云顶温度的误差。图中两条曲线分别代表热带和中纬度的情况，当卫星向下正视、云高在300百帕高度或以上时，卫星测量到的云顶高度就没有什么误差，但 图2.5 辐射路径增长和水汽对仪器观测云顶温度的影响但在同样正视条件下，若云顶高度只有1000百帕时，在中纬度地区卫星测量到的温度要比实际温度低40C，而热带低60C，且卫星的视角愈大，这种误差愈大。 4、红外分

22、裂窗（10.311.3和11.512.5微米）云图特点 从上面分析知，大气中的水汽是影响卫星推算表面温度的最重要的因子，要精确推算表面温度，必须消除大气中水汽和影响。为此将卫星红外观测通道10.512.5微米分裂为：10.311.3和11.512.5微米两个通道，称之为红外分裂窗通道。在这两窗区通道中，主要是水汽对红外辐射的吸收，且是不同的，利用这种差异可以估算大气中的水汽含量。从而用于估算海面温度。同时图2.6 表示对于各种云类10.311.3和11.512.5微米两个通道发射辐射的比较，图中向上实箭头表示红外通道1（10.311.3mm）向上辐射的大小，虚箭头是红外通道 2（11.512.

23、5mm）向上辐射大小，可以看出：对于低云、厚云、厚的高云在这两个通道的向上辐射几乎是相同的，但是对于湿云（水）和干云（冰）不一样，对于湿云，由于红外通道 2受水汽的吸收要比红外通道 1大，红外通道 2发出的辐射比红外通道 1的要小。 图2.6 红外1（10.311.3微米）和红外2 （11.512.5微米）两个通道辐射的比较 三、可见光云图与红外云图的比较可见光云图上物象的色调决定于其反照率和太阳高度角，红外云图上物象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。表2.3 给出了这两种云图上云和地表色调的特征比较。该表中各物象所对应的色调，只是慨念性的，

24、由于决定物象的因素很多，所以如仅按表中所示的色调判别是不够的。表2.3 可见光云图与红外云图的比较红外云图黑太阳耀斑夏季沙漠(白)干土壤暖湿地暖海洋深灰层积云沙漠(白)晴天积云沙漠(夜间)湿土壤灰层云(厚)雾(厚)晴天积云卷层云(薄)纤维状卷云青藏高原高山森林淡灰高层云(厚)浓积云纤维状卷云高层高积云(薄)冷海洋白密卷云,多层云积雨云,卷云砧高山积雪,极地冰雪单独厚卷云卷层云卷云消失中的卷云砧单独薄卷云宇宙空间白淡灰灰深灰黑 可 见 光 云 图 图2.7给出了同时刻的可见光与红外云图，可见到陆地L在可见光图上呈灰色，红外图上呈深灰色；西北沙漠地区K-E可见光图上呈浅灰色，红外图上呈暗黑色；卷云

25、R处在红外和可见上都呈白色，但卷云R前方的卷云羽在可见上呈灰色，低云S-D在可见光图上白色，红外上呈灰色黄海在可见光上呈黑色、红外上呈浅灰色；青藏高原地表Q在可见光上呈浅灰色，红外上呈黑色。 图2.7 可见光云图与红外云图的比较之一 图 2.8 显示早晨的可见光与红外图的比较，由于太阳高度角的原因新疆地区W和高原西部地区可见光上呈黑色、红外上云系和地表有清楚的表现，中云A-B在可见光图上较白、红外图上呈中等程度灰色，积雨云C在红外上呈白色，可见光上由于太阳高度角低、光线弱呈灰色。 图2.8 可见光云图与红外云图的比较之二 第三节 3.7微米短波红外云图特点 对于3.7微米谱段是电磁波谱的中红外

26、波段，它相对于10微米谱段，波长要短，所常称之为短波红外云图（或称中红外云图）。在这一谱段，由于大气的透明度很高，大气吸收对卫星估算表面温度的影响小，能较精确地测量表面温度，所以其最初目的是用于探测海面温度，而后发现这一波段处在森林火温（8000C）的最大辐射波长处，所以用它监测森林火灾很有用。此外用它对于监测夜间的雾区特别有用。但是，在白天，这一通道接收到的辐射有地面和云面反射太阳辐射及地面云面发射的短波红外辐射，由于来自这两种不同辐射源的辐射分别反映物体的反照率和发射辐射特性，对于识别物象造成困难，但是短波红外云图在监测低云和卷云等方面有它独有的功能。 1、基本原理 3.553.93微米通

27、道位于太阳光谱曲线与地球大气辐射光谱曲线相交重迭的地方，所以在白天由这一通道测量的辐射既有地（云）面发射的辐射，还有地（云）面反射的太阳辐射，略去大气的作用，卫星接收到的辐射写为 Lsat (0;m,f) =El()m0dl+ (2.1)式中右边第一项是地（云）面反射的太阳辐射，第二项是地（云）面自身发射的辐射。从上式可见卫星白天接收的辐射决定于地（云）面反照率及其发射率和温度，温度越高、反照率和发射率越大，卫星接收的辐射越大，反之则越小。图2.9表示3.7微米和11微米、12微米通道相对于太阳辐射的地球辐射的谱段位置，可以看到，3.7微米通道位于太阳和地球辐射曲线相交处，而11微米、 12微

28、米通道主要是由地球发射的辐射。 图2.9 3.7微米和11微米、 12微米通道位置 2、短波红外云图特点1）白天3.7微米短波红外云图特点在白天，卫星在3.553.93微米通道测量的辐射包含有物体自身发射的短波红外辐射和反射的短波红外太阳辐射，将辐射转换成云图时，一般按红外通道的方法，辐射越大，色调越暗，辐射越小，色调越浅，与可见光云图相反，所以将3.7微米短波红外云图与可见光云图作比较时，出现反常现象，3.7微米短波红外云图比可见光云图要复杂得多，它的特点主要有： （1）海洋、湖泊和河流等水面对太阳辐射的反射小， 3.553.93微米通道云图上呈现较白的色调;而岩石、沙漠和干燥的土壤地区反射

29、太阳辐射较大,呈现较暗的色调；（2）层云（雾）、层积云等反照率较大的中低云表现为较暗的色调，比陆面的色调还要暗；（3）对于上午的短波红外云图，由于东半面扫射太阳辐射较西半面大，所以图象东半面的色调要比西半面的要暗。（4）积雪、海冰都有表现为暗黑色；（5）在白天短波红外图上的景象丰富，海陆界线清楚。在白天3.7微米的短波红外通道云图上，云的色调变化范围可以从黑到白色，这是由于在3.7微米波段处水滴和冰晶的光谱特性与云滴的有效半径有关，对于较大的粒子有强的吸收，反射较小，特别是大于10微米的云滴组成的积雨云，都呈较白的色调，而对于象粒子半径较小的雾，吸收小反射大，呈较暗的色调。短波红外通道的主要优

30、点是：（1）测温精度高，由普朗克公式可得 DT = (2.2)从（2.2）式可看出，对于一定的DB，波数越大（波长越短），其DTs越小。 图2.10 给出短波红外云图与红外图的比较，可见积雨云A和C在短波红外和可见光云图上都呈白色；中低云B在短波红外上呈黑色和灰色，陆地L在短波红外呈灰色，红外上呈黑色，海洋S、W在短波红外上呈浅灰色，红外上呈深灰；卷云E在两图上呈类似特征。 （a） 短波红外云图 （b）红外云图 图2.10 短波红外与红外图的比较 图2.11 给出短波红外、可见光和红外云图的比较，可以看到：D处在短波红外图上呈暗黑色、近红外图上呈白色，红外图上呈灰色，是低云；B处在短工外图上呈

31、白色、近红外上呈黑色、红外上呈白色，是一片卷云区， （a） 短波红外云图 （b）可见光云图 （c）红外云图 图2.11 短波红外、近红外和红外云图的比较 （2）在短波红外通道，大气的透过率近似为0.90，大气辐射与地面辐射之比为10%。另外在这一通道的吸收气体是些混合比为常数的CO2、N2和N2O等气体，这些气体随季节、地理位置的变化较小，这对提高测温精度是有利的。而长波红外通道内的吸收气体主要是可变的H2O，这不利于因湿度对测温的订正。 3、利用短波红外图识别夜间雾和层云 与红外云图一样，卫星在3.553.93微米（中心波长3.7微米）通道测得的辐射愈大，色调愈暗，辐射愈小，色调愈浅，所以在

32、夜间的短波红外云图特征与长波红外云图是一样的。但是如果采用增强方法，提高暖端的分辨率，就能识别低云（层云和雾），实现红外云图难以完成的工作。 图2.12 说明夜间3.7和11微米两通道接收辐射的相对大小，可以看到晴空地表的辐射两者差异不大，但是由于11微米位于地球温度辐射峰值波长处，而3.7微米则远离地球温度辐射峰值波长，因此对于水云（雾）11微米比3.7微米通道要大很多。 图 2.12 红外和短波红外发射辐射的概念图 在中心波长3.7微米的短波红外通道，地面的发射率近似为1，可以当作黑体，而对于云的发射率小于1，即使是很厚的云，其发射率也只有0.9，因此云不能作为黑体。如果地面与低云具有相同

33、的温度，卫星接收的低云发射的辐射比地面发出的辐射要小，这样可以把低云与地表区别开。由此算出低云的温度比地面要低好几度。在云图上低云的色调比地面浅。如图2.13(a)是夜间短波红外云图，图中S处是北美洲西海岸处的雾或层状云；图2.13(b)是夜间长波红外云图，图中C处是呈白色的卷云，相应短波红外图上的层状云S在红外图上呈较暗的色调，这说明层云在短波红外图上的色调比红外图上更亮些，也就是更易识别。如果在云图作直线A-B，则得该直线的亮度分布如图2.13(c)所示，在层云区，3.9mm的亮度较11.2mm要亮，能较好地监测夜间的层云和雾区。11.2mm3.9mm 层云 晴空 卷云1 8 15 22

34、29 35 42 49 56 63 70 (c)A-B直线上3.9mm与11.2mm的亮度计数值 图2.13 3.9mm与11.2mm低云与卷云的比较(a) 1991年2月4日09时GOES-7 3.9 微米 (b) 1991年2月4日09时GOES-7 11微米A BSC 4、利用短波红外云图监测卷云 如图2.13(a)(b)(c)，比较3.9mm与11.2mm云图，卷云在3.9mm云图上较透明，呈暗色，11.2mm云图上呈白色，两者的差异明显，容易区分。 5、利用短波红外云图区别白天积雪面上的低云 在白天的可见光云图上，低云的色调与积雪的色调十分相近，都呈较白的色调，很难区分它们。但在短波

35、红外云图上，低云的反照度明显高于积雪，低云呈现很暗的色调，积雪呈较浅的色调。如图2.14中，LC是低云区，可以看到，低云LC在短波图上呈现黑色，与色调较白的积雪有明显的反差；可见光图上呈较白的色调，与积雪区的色调相近。 低云 低云卷云积雪区积雪区(a) 19990年2月21日UTC1830 3.9微米短波红外 (b) 19990年2月21日UTC1830 0.5微米可见光 图2.14 可见光与短波红外图上积雪与低云的区别LCLC 图 2.15 表示3.8和11微米的发射率随云的厚度的变化，两者都随云厚增加，但是两者的发射率的明显的差异，当云厚增大到600米时，11微米的发射率近似于1，但3.8

36、微米的还不到0.7。 图 2.15 3.8和11微米的发射率随云的厚度的变化 第四节 水汽图的基本特点以6.7微米为中心的吸收带是水汽强吸收带，在这一带内，卫星接收的是水汽发出的辐射，水汽一面吸收来自下面的辐射，同时又以自身温度发射红外辐射。如果大气中水汽含量愈多，吸收来自下面的红外辐射愈多，到达卫星的辐射就愈少。所以由卫星测量这一吸收带的辐射就能推测大气中水汽含量。由这一吸收带得出的图象称水汽图。图 2.16说明大气中的水汽发出的向上辐射过程，图中垂直线的宽度表示不同高度水汽辐射到达卫星的量值，图中a表示地面辐射由于水汽的吸收，到达卫星的辐射很小；b表示低层水汽发出向上的辐射由于水汽吸收到达

37、卫星辐射的减小，要比地面发出的大；c表示中层大气水汽发射向上的辐射最大；d表示由于大气上层水汽减小，水汽发出的向上辐射比中层的要小。 图2.16 大气中的水汽辐射 图2.17表示了5.77.3微米通道水汽的透过率、权重函数和贡献函数。从图中可见，大约80%的辐射能来自620240百帕气层，而最大辐射贡献大约在400百帕高度处。同时，从图中可见，对一定的温度廓线，大气透过率随水汽含量增加而提高。因此当大气中水汽含量大量，卫星测量的辐射来自大气上层；而大气水汽含量较少时，卫星测量的辐射来自大气低层。 图2.17 水汽通道的透过率、权重函数和贡献函数在水汽图上，色调愈白表示大气中水汽含量愈多，反之就

38、愈少。 比较水汽图和红外云图，发现水汽图有以下特点： 1、在水汽图上，积雨云和卷云的表现十分清楚，其特征与红外云图类同; 2、难以在水汽图上见到地表和低云（低于850百帕），其发射的辐射被大气全部吸收而不能到达卫星； 3、 在水汽图上的水汽表现远比红外图上的云区要宽广，因为在没有云的地方仍然有水汽存在；因此在水汽图上水汽区比云区要连续完整； 4、在水汽图上色调浅白的地区是对流层上部的湿区，一般与上升运动相联系；色调为黑色的区域是大气中的干区，相应大气中的下沉运动。 图2.18 显示从东亚经北太平洋到北美上空的水汽分布和红外云图上的云分布，可以看到水汽图上水汽的连续分布型式，这与红外图有明显的不

39、同；在水汽图上见不到低云，但可以清楚地见到卷云和积雨云,从水汽图上可以清楚地观测到大气波动和高层流场分布。 图 2.18 红外图与水汽图的比较 在使用水汽图时特别要注意，水汽图反映的是高层水汽布，它只能反映大气上层的大气运动规律，特别在暴雨强对流应用中要注意。 第五节 增强红外图和多谱段合成卫星云图 一、增强红外云图 卫星云图的增强处理是对灰度或辐射值进行处理，通过灰度变换，将人眼不能发现的目标物细节结构清楚地表示出来。例如对于积雨云团，在一般的云图上只表现为白亮的一片，通过增强处理后可将云顶的结构显示出来，从而进一步判断积雨云的活动状况。分层增强是将图象上的各灰度值，按其需要将其合并或分解为

40、若干等级间隔，对每一间隔赋于一个灰度值，这样每一个象素的灰度由其本身落入那个间隔所给定的灰度值来确定。如图2.19中，积雨云C和E在红外和可见光图上白色 图 2.19 增强红外云图一片，但通过增强处理可以分析云区内的温度层次，云顶高度，云内的冷云区（白色）是云顶最高的地方，通常也是对流最活跃的地方。 二、可见光与红外合成云图 卫星在红外波段测量的是地表和云发射的红外辐射，红外云图表示的是物体的亮度温度分布图，在这种图上卷云和积雨云很容易识别，低云顶温度与地表相近，不容易区别它们；可见光图上卷云反照率低，与地面反照率相近，不容易区别它们，而低云的反照率大，与地表有明显差异，很容易区分它们。如果取

41、它们的优点，把可见光与红外云图合成为一张图，就得合成图。如图2.20中， 图2.20 可见光红外合成云图 三、可见光VIS 1、近红外VIS 2和红外IR 4合成图 在可见光云图上很容易区分中、低云和积状云，近红外云图很容易区分陆地和水面，红外云图很易识别卷状云，如果将这三种云图合成，只需一张图可将这些物象识别出来，还便于对这些物象的分析和比较，图2.21 给出了可见光VIS 1、近红外VIS 2和红外IR 4合成图，可以很容易识别高、中低云和地表。 1998.10.19.15:20 图2.21 可见光VIS 1、近红外VIS 2和红外IR 4合成图 四、短波红外（SIR 3.7）+ 长波红外

42、分裂窗（IR 4 + IR 5）合成图 由于短波红外云图上低云表现清楚，高云不清楚；红外图上卷云很清楚图，低云不明显，因此如果把短波红外与长波红外合成，就可在同一张图上显示高中低云。图2.22 显示了短波红外（SIR 3.7）+ 长波红外分裂窗（IR 4 + IR 5）合成图，图中可以很易识别陆地、低云和高云。 图2.22 短波红外（SIR 3.7）+ 长波红外分裂窗（IR 4 + IR 5）合成图 五、MODIS 1(0.659mm)、3(0.470mm)、4(0.555mm) 三个通道可见光合成图，卫星在MODIS 3(0.470mm)接收的辐射与水色密切相关，入射太阳辐射的蓝色部分可以透

43、射清洁水（一类水）较深深度，其反射率低，由这一通道可以区别海洋水的类别；对于MODIS谱段4(0.555mm)，大气中的霾的反射率大于地表，可以很好地区分霾；对于MODIS谱段1(0.659mm)，可以区分水陆边界，将这三谱段的特性合成可以区分水体、陆水边界，大气中的霾。如图2.23中，A呈暗灰色，是笼罩华北地区的霾； N呈浅白色，是渤海湾沿岸的海冰；S呈白色，是山东半岛的积雪；C呈白色，是淮河域地区的雾；F呈深蓝色，是远离陆地的一类海水；E呈黄色，是苏北沿岸的混浊水。 图2.23 MODIS 1(0.659mm)、3(0.470mm)、4(0.555mm) 三个通道可见光合成图（2009.11.5