卫星云图在天气预报中的应用2009

气象卫星图像及其在天气预报中的应用江燕如2020年7月31日星期五全球大气探测的现状–占全球面积70%以上的广阔的海洋、高原、沙漠和两极地区，常规大气探测严重缺乏;（在我国西部尤为突出）.–中、小尺度天气预报和研究，在目前常规探测资料较密集的地区，时空密度严重不足(大网捕小鱼).–特种观测资料（大气化学观测，如大气臭氧、二氧化硫等）严重缺乏.–利用卫星空基平台不受地域限制的优势进行全球大气探测，是最终解决全球环境和气候预报问题的关键.气象卫星和卫星气象学在卫星上携带有各种气象观测仪器，测量诸如大气温度、湿度、风、云和辐射等气象要素以及各种天气现象，这种专门用于气象目的的卫星称为气象卫星。它的出现极大地促进了大气科学的发展，在探测理论和技术、灾害性天气监测、天气分析预报等方面发挥了重要作用。从而促进了一门新的学科-----卫星气象学的形成。气象卫星分类按卫星轨道可以分为两类：（1）极地太阳同步轨道卫星，其卫星的轨道平面与太阳始终保持相对固定的取向，卫星几乎以同一地方时经过世界各地。（2）地球同步气象卫星，又称静止气象卫星。卫星相对某一区域是不动的。因而由静止气象卫星可连续监视某一固定区域的天气变化。风云1号气象卫星中国第一代极地太阳同步轨道气象卫星。卫星发射二颗，分别为FY-1A和FY-1B，于1988年9月7日和1990年9月3日用长征四号火箭发射，卫星三轴定向，每天绕地球为14圈。卫星携带多光谱可见光红外扫描辐射仪，它有五个通道，用于获取昼夜可见光、红外云图，冰雪覆盖、植被、海洋水色、海面温度等。风云2号气象卫星（系列）中国的静止气象卫星。卫星带有多通道扫描辐射仪，一个可见光，二个红外，其中一个是水汽通道，卫星观测时间分辨率为30分钟；空间分辨率：对可见光（0.55～0.75μm）为1.25公里（星下点附近）、红外（10.5～12.5μm）为5公里、水汽图为5公里。风云二号静止气象卫星作用:•获取白天可见光云图、昼夜红外云图和水气分布图;•进行天气图传真广播，供国内外气象资料利用站接收利用;•收集气象、水文和海洋等数据收集平台的气象监测数据;•监测太阳活动和卫星所处轨道的空间环境，为卫星工程和空间环境科学研究提供监测数据。风云二号卫星应用的亮点:•“双星观测、互为备份”；（1050E&86.50E）•双星组网运行观测（15分钟间隔），重叠区动画技术非常出色；E星（123.5°E），是C、D业务星的在轨备份星和接替星风云三号a星～中国第二代极轨气象卫星的首发星风云三号A星具备了全球、全天候、多光谱、三维、定量遥感探测，实现了中国气象卫星从单一遥感成像到地球环境综合探测、从光学遥感到微波遥感、从km级分辨率到百米级分辨率、从国内接收到极地接收的四大技术新突破，其卫星载荷技术性能已经接近并部分超过欧洲和美国极轨气象业务卫星的水平，同时也为中国气象业务发展，特别是数值预报业务发展提供重要的探测手段和科学数据。2008年5月29日11时58分广州卫星站成功接收风云三号a星首幅云图东北太平洋飓风HERNAN于北京时间2008.8.9晚上加强为三级飓风，中心附近最大风力有16级（54米/秒，相当于195公里/小时）HERNAN的台风眼清晰可见气象卫星和卫星气象学卫星气象学是指利用气象卫星探测各种气象要素，并将卫星探测到的资料如何应用于大气科学的一门学科。它与气象卫星是完全不同的概念。包括气象卫星探测原理、气象卫星探测资料处理方法、气象卫星资料解释应用以及相应的接收处理技术等4个主要方面的卫星气象学是大气科学的一个重要分支学科。气象卫星实现全球大范围在空间自上向下观测与地面观测完全不同。对云的观测，其观测到的是云顶特征。有几层云时，首先观测到的是高云；若高云很薄，则可透过高云看到中低云。气象卫星的大范围观测，使得占地球4/5的海洋、荒芜人烟的沙漠和高原都可从卫星探测获取气象资料，从而深入了解全球大气活动。1960年代初第一颗气象卫星成功发射以来，卫星探测在天气分析和大气科学研究中发挥了重大作用。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中发挥作用的卫星资料。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。同时，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。卫星探测的分辨率～卫星仪器能区分两个物体的最小距离。表示卫星探测分辨率通常有三个参数：①空间分辨率：卫星在某一瞬时观测到地球的最小面积，这最小面积又称象元（或象素）。从卫星到这最小面积间构成的空间立体角称瞬时视场。卫星的空间分辨率与卫星的高度有关，卫星高度越高，分辨率越低，而且与卫星视角有关，视角越倾斜，观测面积越大，分辨率就差。②灰度分辨率：在卫星云图上，如果两个邻接瞬时视场内目标物的反照率或温度相等，则其色调一样，无法区别它们。但是当这两个瞬时视场目标物的反照率或温度有差异，并达到一定数值时，这两个视场就可以被分辨，这个能分辨的最小温度差或反照率差异称做灰度分辨率。③时间分辨率：指卫星对某一观测区域进行一次观测的时间间隔。静止气象卫星对固定区域每隔半小时进行一次观测，具有很高的时间分辨率。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？2.把地表和云区别开来，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？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在一起，进行综合分析，为天气预报提供可靠的依据。随着卫星探测技术的高速发展，卫星观测通道越来越多，图象种类大大增加，经处理后定量的卫星资料也越来越多，卫星云图的应用前景广阔。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。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。可见光云图的特点可见光是波长从0.35～0.80μm很狭窄的波段。卫星在可见光谱段选用的波长间隔有：0.52～0.75μm和0.58～0.68μm。卫星上的扫描辐射仪接收来自地表和云表面对太阳辐射中可见光波段的反射，经过转换而得到图像。其色调决定于反射可见光辐射能的大小，若反射可见光辐射能大，色调就白（或称为亮），也称为地表或云表面的反照率强，反之就黑(暗)。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，卫星接收到的辐射仅决定于物体的反照率，物体的反照率越大，它的色调越白；反照率越小，色调越暗。比较各种云和地面目标物体的反照率，水面的反照率最低，厚的积雨云最大；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；薄卷云与晴天积云、沙地的反照率也很接近，不易区别。而水面，象湖泊、海洋的反照率很小，表现为黑色，陆地反照率比海洋略大，表现为灰色，而潮湿或森林覆盖的地区表现为灰暗的色调。可见光云图上主要目标物的色调太阳高度角对可见光云图上色调的影响色调除了与目标物的反照率大小有关，还决定可见光射入到目标物的辐射能大小，也就是与太阳高度角有关。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。因而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。太阳高度角对可见光云图上色调的影响对于同一图片上的各个点的太阳高度角也不同，若是上午的云图，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。同一物体中午时在云图上的亮度就比早晨或傍晚时亮，早晨或傍晚的可见光云图也会表现出半边亮半边暗。太阳高度角对可见光云图上色调的影响半边亮半边暗太阳高度角对可见光云图上色调的影响太阳高度角对可见光云图上色调的影响太阳高度角对可见光云图上色调的影响太阳高度角对可见光云图上色调的影响太阳高度角对可见光云图上色调的影响太阳高度角对可见光云图上色调的影响可见光云图的特点由于早晨或傍晚的太阳高度角低，当云顶高低不一时，也会表现出高的目标物在低的目标物上投的影子，暗影出现在目标物的背光一侧。暗影的宽度与太阳高度角和云顶高度差有关，当太阳高度角较低或云顶之间高度差大时，迎太阳一侧很明亮，而背光一侧出现暗影，而且暗影又宽又清楚。可见光云图的空间分辨率比红外云图高。可见光云图的特点水体反照率小在云图上呈黑色。但是，如果太阳光从水面单向反射到卫星仪器内，在可见光云图上会出现一片色调较浅的区域，或是小而明亮的区，这些区称做太阳耀斑区；它表明水面有微波或水面平静。所谓黑体是指入射的电磁波全部被吸收，既没有反射，也没有透射(当然黑体仍然要向外辐射)。红外云图的特点卫星上的扫描辐射仪感应接收地球和云表面(云顶)发射波长为10.5-12.5μm之间的红外辐射能，并将辐射能转换成目标物表面的等效黑体温度，并用图像把它们表示出来，构成红外云图。红外云图的特点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，色调越暗，温度越高，卫星接收到的红外辐射越大；色调越浅，温度越低，辐射越小。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。将红外谱段的云和地表面近似地作为黑体处理。实际上，云和地表不是真正的黑体，由于所有实际目标物的发射率都小于1，以及大气对地表（云）辐射的吸收，因此由卫星接收到的辐射推算出的温度比实际目标物的温度要小，由此估算的云顶高度偏高。红外分裂窗（10.5-11.3和11.5-12.5μm）云图特点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的影响.为此将红外观测通道10.5-12.5μm分裂为两个通道,称为红外分裂窗通道.在这两个窗区通道中,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.可见光云图与红外云图的比较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。3.7（3.55-3.93）微米红外云图的特点该谱段是电磁波谱的中红外波段，它相对于10微米的谱段，波长要短，所以常称之为短波红外云图或中红外云图．这1谱段大气的透明度很高，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，故其最初目的是用于探测海面温度。这1波段处在森林火温（800K）的最大辐射波长处，所以用来监测森林火灾很有用。此外用它监测夜间的雾区特别有用，但白天这1通道测量的辐射有地面和云面反射太阳辐射的“污染”。水汽图像的特点卫星测量以6.7μm为中心的水汽强烈吸收带的辐射能，在这吸收带内，水汽一面吸收来自下面的辐射，同时又以自身温度再发射6.7μm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，能到达卫星的红外辐射能就愈少，其亮温也就低，水汽图上色调愈白；相反，如果大气中水汽含量愈少，下面的6.7μm红外辐射可能透过很干的大气层到达卫星的红外辐射能就多，其亮温也就高，水汽图上色调愈黑。气象卫星测量6.7μm的红外辐射能主要受大气中水汽含量、水汽在垂直方向中的位置和水汽层的温度等三个因素影响。必须指出，水汽在普通浓度下对红外辐射是半透明，一般说到达卫星的水汽