卫星遥感
4.1 卫星云图的分析基础
4.1.1 卫星图像的基本特征
卫星云图是气象卫星最易最早进行观测的内容之一，也是最早在气象业务发挥作用的卫星资料。早期气象卫星采用电视摄像机对地气系统进行观测，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。70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，可以根据需要选择2个或以上的波长间隔(通道)对地气系统进行观测，除能得到白天的可见光云图外，还可以得到红外或其它类型的云图。
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，选择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，一类是图像资料，如卫星云图、水汽图等，它由成像辐射仪获取，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；另一类是探测资料，是定量数字资料，光谱分辨率高，用于大气温度和大气成分的探测。
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、人烟稀少的高原和山区及沙漠地区的气象资料。由于卫星云图的时空分辨率高，对监测海洋、地理、农作物生长和森林火灾等均有重要作用。
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，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，是中云还是高云，是积雨云还是层状云等；它们有哪些相同与不同之处；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、高度及光学特性)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。
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；另一种是水汽图，它主要反映大气中水汽分布。
4.1.1.1 可见光云图基本特点
可见光云图是卫星扫描辐射仪在可见光谱段测量的来自地面和云面反射的太阳辐射，辐射越大，色调越白，辐射越小，色调越暗。在可见光云图上，物像的色调决定于其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和目标物的反照率，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自身的反照率以及当时的太阳高度角有关。
（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。表4.1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) 水面的反照率最小，厚的积雨云最大；
2) 云与积雪的反照率十分接近，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，也不易在可见光云图上区别它们。
（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，太阳高度角越高，光照条件越好，卫星接收到的反射太阳辐射也越大，反之越小。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，如在北半球冬季的中高纬度地区，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时，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。根据这一特点可以较好地判断云图的观测时刻，是否是可见光云图。对于静止、极轨卫星中午的云图，整个观测区的光照条件较好，物像间的反差明显，图片明亮（见表4.2）。
4.1.1.2 0.87 μm近红外云图的特点
卫星于近红外谱段观测到的云图称为近红外云图，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，但这一通道物像的反照率与可见光谱段不同，所以在云图上物像的色调也不同。由图4.1可见，从可见光波段到近红外波段，水面的反照率随波长的增加明显减小，而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的反照率差异加大；对植被，在可见光的红波段是叶绿素的吸收带，植被长势越好反照率越小，到了近红外波段植被反照率显著增加。可综合利用该通道和可见光通道监测植被生长状况、水陆界面、土壤湿度、冰雪融化情况、大气污染等。
4.1.1.3 1.6 μm近红外云图的特点
这一通道的作用在于：(1)区分雪和云，此通道雪的反照率明显高于由水滴组成的低云反照率；(2)观测云的相态；(3)观测气溶胶的光学厚度。由图4.2可见，层状云和对流云的色调均随波长增加变暗，不同的是在0.86 μm波段对流云较层状云色调暗，而在3.75 μm波段恰好相反。
4.1.1.4 红外云图的基本特点
在10.5～12. 5 μm红外谱段，卫星接收到的辐射仅与物体温度有关，温度越高，辐射越大，色调越暗；温度越低，辐射越小，色调越白亮。因此，红外云图上的色调反映了物体的亮度温度分布，根据红外云图上的色调差异可以推算云面温度、地面温度的分布。
推算过程中假设云和地表面为黑体，而实际上目标物不是真正的黑体（发射率为1），它们的发射率都小于1，同时大气对地表（云）辐射还有吸收，因此由卫星接收到的辐射推算的温度比实际要低，而由此估算的云顶高度偏高。我们把将卫星观测到的辐射看成是黑体辐射而算出的温度称为亮度温度Tbb 。
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两方面特点：
(1) 红外云图上地面、云面色调随纬度和季节而变化：从赤道到极地色调越来越白；冬季，热带和副热带地区云面和地面温差大，易区分，但是大陆极地区域二者温差小，难以区别云和冷的地表，云的类型也难以区别；
(2) 水面与陆地色调的变化：冬季中高纬地区，海温高于陆地温度，海面色调比陆面要暗，夏季则相反；白天干燥地表温度变化较大，其色调变化也较大，而潮湿或有植被覆盖的地区温度变化较干燥地表小，其色调变化也较小。
在使用红外云图时要注意因云体分布差异、卫星视线、卫星观测的分辨率（图4.3）和大气吸收等原因造成的云顶温度估算及云的识别误差：
1）夜间低云和雾与地表温度接近，难以观测；
2）对薄云或未能充满视场的云单体，由辐射推算的云顶温度比实际高，估算的云顶高度比实际低；
3）大气吸收使卫星测得的辐射比实际小，尤其是在红外云图的两边部分、水汽含量大的热带地区、水汽相对较多的大气低层。
另外，为精确推算表面温度，消除水汽的影响，将红外通道10.5～12.5 μm分类为：10.3～11.3 μm和11.5～12.5 μm两个通道，称为红外分裂窗通道。在这两个窗区通道中，主要是利用水汽对红外辐射的吸收差异来估算大气中的水汽含量，从而估算海面温度（见图4.4）。
4.1.1.5 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。表4.3给出了这两种云图上云和地表色调的特征比较。该表中各物像所对应的色调，只是概念性的，不能仅按表中所示的色调进行判别。
4.1.1.6 3.7 μm短波红外云图特点
3.7 μm谱段是电磁波谱的中红外波段，它相对于l0 μm谱段，波长要短，所以常称之为短波红外云图（或称中红外、热红外云图）。在该谱段大气透明度很高，大气吸收的影响小，能较精确地测量表面温度，最初用于探测海面温度，而后发现这一波段处在森林火温(800 K)的最大辐射波长处，所以用它监测森林火灾很有效。此外它对于监测夜间的雾区特别有用，在监测低云和卷云等方面也有其独有的功能。
白天这一通道测量的辐射有地面和云面反射的太阳辐射及地面和云面发射的红外辐射，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，这两种不同辐射源的辐射对于识别物像造成困难。温度越高、反照率和发射率越大，卫星接收的辐射越大，色调越暗；反之卫星接收的辐射越小，色调越亮，它与可见光云图正好相反。
在白天3.7 μm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 μm波段处水滴和冰晶的光谱特性与云滴的有效半径有关，较大的粒子有强的吸收，反射较小，特别是大于1 0 μm的大水滴和冰晶组成的积雨云，都呈较白的色调，而对于粒子半径较小的雾，吸收小反射大，呈较暗的色调。
图4.5给出了短波红外、近红外和红外云图的比较，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，为低云；B处在短波红外图上呈白色，近红外图上呈黑色，红外图上呈白色，为一片卷云区。
(1) 短波红外云图的主要特点有：
1）海洋、湖泊和河流等水面对太阳辐射的反射小，卫星在3.55～3.93 μm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，由于东半面的太阳辐射较西半面大，所以图像东半面的色调比西半面的要暗；
4）积雪、海冰都表现为暗黑色；
5） 在白天短波红外图上的景象丰富，海陆界线清楚。
（2）短波红外云图的主要优点是：
1） 测温准确度高；
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，这对提高测温准确度是有利的。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） 3.7 μm的短波红外通道，地面的发射率近似为1，云的发射率小于l，即使是很厚的云，其发射率也只有0.9，相同的温度低云比地表发出的辐射要小，低云的色调比地面浅，通过采用增强方法，提高暖端分辨率，就能识别夜间层云和雾；
4）监测卷云：3.9 μm云图上卷云较透明，呈暗色，11.2 μm云图上卷云呈白色，两者的差异明显，易区分(见图4.6）；
5） 区别白天积雪面上的低云：白天可见光云图上低云与积雪的色调十分相近，都较白，很难区分。但在短波红外云图上，低云的反照率明显高于积雪，低云呈现很暗的色调，积雪呈较浅的色调。
4.1.1.7 水汽图的基本特点
以6.7 μm为中心的吸收带是水汽强吸收带，在这一带内，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，由卫星测量这一吸收带的辐射就能推测大气中水汽含量。在绝大多数情况下，水汽图上的灰度及其分布型可以提供关于水汽区及其相对垂直结构的有用信息：
(1) 灰度很浅至近白（灰度小于10﹪）：很可能是积雨云或厚的卷云，常可以通过纹理形状和对于周围（灰度稍暗的环境）相对清晰的边缘来识别。近白的均匀分布型式和不清晰的边缘往往表明是卷云顶，其上有水汽；非常寒冷的冬季大陆空气偶尔也会呈现出此色调；
(2) 灰度浅至很浅（10-25﹪灰度）：对流层中上部存在大量水汽，对流层中下部和下部可能很干燥；非常寒冷的冬季大陆空气也常常呈此色调；
(3) 中等灰度（25-60﹪灰度）：多种水汽条件和云的组合都可呈现出这种灰度，譬如一个位于对流层上部能大量透过辐射的潮湿层能产生与位于对流层中下部的潮湿层或潮湿层顶一样的灰度，因此这种情况下不能只根据灰度估计水汽的垂直位置，但是以下方法可以帮助我们进行判断：某种可识别的、可以使相对高度被估计出的分布型可能与这种灰度相联系；水汽分布型可能从一些可以识别的源地伸展而来，譬如从一云区或雷暴云砧向下游伸展，或者是已消散的云（根据其它图像识别）的残余；利用移动方向与速度，根据已知和估计的风向垂直差异来估算垂直位置；利用过去的探空报，追踪与过去有同样水汽分布型的图像。
(4) 灰度很暗至近黑（灰度高于60﹪）：对流层中上部空气很干。干空气可能向下伸展到700 hPa，也许接近地面。如果暗区变得越来越暗或者范围扩大，那很可能有深厚的干的大气条件；如果暗区边界清晰，很干的大气条件很可能伸展到接近边界的最低高度；如果暗区范围减小或随时间变得不太暗，可能存在薄的上部湿层；
大约80％的辐射能来自620～240 hPa气层，而最大辐射贡献大约在400 hPa高度处。对一定的温度廓线，大气透过率随水汽含量增加而减小。因此当大气中水汽含量大时，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。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 hPa)，其发射的辐射常被大气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，一般与上升运动相联系；黑区是大气中的干区，对应大气中的下沉运动。
图4.7为同时刻的红外云图和水汽图，显示了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，可见水汽图上水汽的连续分布型式，这与红外云图有明显的不同；在水汽图上看不到低云，但可以清楚地看到卷云和积雨云，从水汽图上可以清晰地观测到大气波动和高层流场分布。