[科普中国]-红外云图

简介

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。

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。

背景知识自世纪年代第一颗气象卫星成功发射以来, 气象卫星探测技术得到了迅猛发展,世界上已经建立了全球气象卫星探测体系。气象卫星探测技术大大地丰富了气象观测的内容和范围, 特别是对一些难以进行气象观测的地区, 现在都可以通过气象卫星进行观测。气象卫星的出现极大地促进了大气科学的发展, 它在探测理论和技术、灾害性天气监测、天气预报等方面发挥了重要作用。卫星资料有两大类,一类是图像资料, 另一类是探测资料。将卫星携带的成像仪在不同谱段测得的辐射转换为不同色调的图像就形成了卫星图像目前的气象卫星图像有两种一种是卫星云图, 主要反映大气中云系的分布另一种是水汽图, 主要反映大气中水汽的分布卫星云图中的红外云图是卫星通过探测地表和云顶的红外辐射获取的, 主要反映的是地表和云顶的温度特征, 所以红外云图在昼间、夜间均可获得。图像的灰度取决于地表或云顶的温度, 温度越低, 灰度值就越大, 色调越白温度越高, 灰度值就越小, 色调越暗水汽图则是卫星通过接收以卿为中心的水汽吸收带的红外辐射而得出的图像, 其中包含着大量的大气水汽信息水汽图上色调越白, 即卫星接收到的红外辐射越少, 被水汽吸收的红外辐射就越多, 表示大气中的水汽含量越多反之, 水汽图上色调越暗, 大气中的水汽含量就越少。1

基本特点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：黑赤道到极地白。

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；

（2）红外云图上水面与陆地色调的变化：

a.中高纬度地区：冬季:暗海面，陆面亮（海温>陆温）；夏季:亮海面，陆面暗(陆温>海温)。若陆温等于或相近水温，水陆界线不清楚；

b.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小，其色调变化也较小。

使用使用红外云图的注意点

1、由于云顶温度随高度递减，在IR图像中不同高度云的层次分明，并且透明的卷云清晰可见，这些都优于VIS云图。另外，陆表和海表温差强烈处，海岸线清晰可见，但是云的纹理结构VIS图像中更清晰。

2、在IR图像解释中也存在一些问题。如夜间在IR图像上很难辨别出低云和雾（它们的温度与地表温度太相近）。另外，在IR资料定量应用中，如由云顶温度估算云顶高度，必须考虑以下四点：

（1）在将地表或云发射的辐射转换成温度时作了云为黑体的假定，这仅对厚度超过几百米的低云和非常厚的高云才是对的。

（2）当存在薄云或有未充满卫星视场小云块时，其下面地表的辐射能到达卫星，这样云就会显得比真实情况更暖，估计出的云高也将过低。

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：

· 云层中各云单体的大小(或云区中晴空区大小)；

· 总云量的多寡；

· 仪器对云区视角的大小；

· 云层的厚度，即云的透过特性。

（3）必须对大气中水汽含量的吸收和发射作订正，否则测量到的温度比真实的低；另外，图像边缘或“临边”附近误差也很大，因为那里的辐射是斜射到卫星的。这两种情况合在一起，中纬度地区的误差可达2～3℃，热带地区可以达到10℃。

这种现象在三种情况下特别明显：

· 在红外云图的两边部分较明显。（辐射路径较长，吸收气体含量加大，吸收增加）

· 热带地区水汽含量大，吸收也强，对估算云顶温度和地面温度的影响较大；

· 大气中的水汽主要集中于低层，低空的水汽吸收较大气高层要大得多，对卫星估计低云面温度影响较大。

（4）由卫星的IR辐射作出的“地面温度”估计是地表上的温度，与天气学意义上的“地面大气温度”（百叶箱）有几度偏差。

这四条也是分析云图中应当十分注意的。

识别方法红外云图的色调决定于物体的温度，反映了地面和云面的红外辐射或温度的分布。

浅色调表示红外辐射小，温度低；暗色调表示红外辐射大，温度高。所以云顶高度越高，其温度越低，云的色调越白。红外云图的优点是可区分不同层次的云。缺点是因为温度相近的关系，不能区分地面和低云。

由于大气有吸收及物体发射率不完全为1，卫星接收到的红外辐射要比实际表面温度发射的黑体辐射要小，故严格地说，红外云图是一张亮度温度分布图。地面的温度一般较高，呈现较暗的色调；由于大气的温度随高度是递减的，故云顶高而厚的云，其温度低呈白的色调。低云的云顶温度较高，与地面相近，故在红外云图上不容易识别。

由于各类云的云顶温度的差异较大，在红外云图上可以识别各种高度的云。此外，地表的温度随季节、纬度、海陆分布及其本身的热惯量而不同，所以在红外云图上的色调亦不同。在电视显示的红外云图上，地表以绿色表示，以与云相区分开。

类型红外分裂窗云图红外分裂窗(10.3～11.3μm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，必须消除影响。为此将卫星红外观测通道10.5～12.5μm分裂为：10.3～11.3μm和11.5～12.5μm两个通道，称为红外分裂窗通道。在这两窗区通道中，主要是水汽对红外辐射的吸收，且两者是不同的，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。

3.7μm 短波红外云图3.7μm 短波红外云图特点

3.7μm谱段是电磁波谱的中红外波段，它相对于l0μm谱段，波长要短，所以常称之为短波红外云图（或中红外、热红外图）。

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(800K)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。但是在白天观测在这一通道测量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，这两种不同辐射源的辐射对于识别物像造成困难。当然短波红外云图在监测低云和卷云等方面有它独有的功能。

基本原理：3.55～3.93μm通道位于太阳光谱曲线与地[球大]气辐射光谱曲线相交重叠的地方，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，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(暗)，反之则越小(亮)。

红外云图与可见光云图的区别亮度在可见光波段，卫星的观测仪器感应地面或云面对太阳光的反射差异。这种差异在图片上表现为黑白差异。黑白差异（或称亮度）表示地面或云面的反照率大小，白色表示反照率大，黑色表示反照率小。一般云层越厚，其亮度较亮。如果太阳的照明条件一样，对于同样厚度的云，水滴云比冰晶云亮。按照云面和地面反照率的强弱，亮度可分为六种层次（跟据这种亮度层次，可以分辨云面或地面的特征和类别。

在红外波段，红外感应器测量来自云顶、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。在红外云图上，云层顶部、陆地表面和水面表现为不同的色调。 最黑的地区代表最暖的表面， 最白的地区代表最冷的表面。因此，红外云图实际上是一张地表面和云系的温度分布图。根据云图上色调的差异可以判定云顶的高低：色调白，温度就低，表示云顶高度高；色调黑，温度就高，表示云顶高度低。

色调可见光云图的色调亮度取决于物体对太阳光的反照率的大小，红外云图的色调取决于物体表面温度的高低。比较两种云图可以看到有许多云和地面特征是相似的，有一些却差异很大。

红外云图与水汽图的融合目前应用分析气象卫星图像时主要应用云图, 而水汽图用得很少, 水汽图资料没有被有效地利用起来但在决定大气运动规律的几个关键性因素中, 水汽的作用仅次于大气能量。红外云图和水汽图从不同的角度反映大气的特性,尤其是对夏季强对流天气如暴雨、雷暴、冰雹等的识别中, 单独使用云图或单独使用水汽图都有不足, 最好将两者结合起来使用。为了提高识别强对流天气的能力, 余远东提出利用像素级图像融合技术将红外云图和水汽图融合成一幅图像, 然后再进行强对流云团的识别。余远东在研究中只是利用小波变换融合方法对红外云图和水汽图的融合进行了初步研究, 没有采用其他多分辨率融合方法和新型的多尺度几何分析融合方法。

多分辨率分析融合方法和多尺度几何分析融合方法运用到一气象卫星红外云图和水汽图的融合中。融合实验结果表明, 融合图像取得了良好的视觉效果。融合图像包含了水汽图的边缘信息, 纹理细致, 云体层次感和图像的对比度都得到了提高。从平均互信息和一指标看, 带状波融合算法和非下采样融合算法算法的融合效果较其它方法更好。融合结果有助于红外云图和水汽图的匹配和分析, 便于进行强云团的识别和其他感兴趣目标的检测等进一步的工作。1