[科普中国]-卫星云图

简介

人造卫星对地球的观测已经成为当今世界不可或缺的信息来源。气象卫星从太空不同的位置对地球表面进行拍摄，大量的观测数据通过卫星传回地面工作站；再合成精美的云图照片。人们既可以接收可见光云图也可通过使用合适的感光仪器接收到其它波段的卫星照片如红外云图。目前，电视节目中通常使用的云图，就是红外云图通过计算机处理、编辑而成的假彩色动态云图画面。1

卫星云图是地面接受到的来自气象卫星的云况图片。按气象卫星飞行的轨道，可分为极地轨道气象卫星云图和对地静止轨道气象卫星云图两种。前者连续的图片是不同地点上的云况；后者连续的图片代表卫星下方同一范围云的连续情况。按气象卫星取得云况的仪器不同，可分为可见光卫星云图和红外卫星云图。

分类根据卫星上仪器装置的不同，卫星云图可以分成两类:一类是由卫星上电视照相机所拍摄的云图,即电视云图；另一类是由辐射仪对地球大气进行扫描探测得到的云图。在电视云图上，图像的黑白程度表示地表面和各类云对太阳辐射的反射率强弱，白色表示反射率最强，黑色表示反射率最弱。扫描辐射仪探测到的卫星云图又分两种：①用辐射仪测量云和不同性质地表面对太阳辐射可见光的某一波段（如0.52～0.73微米）的反射辐射强度时，由于不同种类的云和不同的地表的反射能力不同，可以得到一张与电视云图相似的云图。这种云图和电视云图一起，统称作可见光云图。②用辐射仪测量在大气窗区波段（8.5 ～11微米）来自云顶或地表面放射的红外辐射。这种观测值可以转换成云顶或地表面的辐射温度，用黑白层次表示温度的高低，由此得到一张由云和不同性质地表面的分布图像。这种图像称作红外云图。

红外线卫星云图红外线卫星云图利用卫星上之红外线仪器，来测量云层之温度。其中，温度低的云层会以亮白色来显示，也就是此处的云层较高，而暗灰色的部分则代表云层高度较低，因为越接近地面的云层温度越高。简单而言，即以云顶的不同温度来判断云层的高度。

红外云图，是气象卫星上的扫描辐射计利用红外辐射通道感测并向地面站发送的云图，其亮度大致反映了云层顶的温度，因而也反映了云顶的高度。一般温度越低，高度越高的云层，图上的色调过白，反之色调越黑。由于红外遥感可以昼夜感测并向地面站发送云图，并可分析高云和云顶温度，提供了可见光云图不能提供的大量信息，但红外云图的分辨率低于可见光云图。实际上要把两者结合起来使用，互相取长补短，从而获得了广泛的应用。

可见光卫星云图可见光卫星云图利用云顶反射太阳光的原理制成，故仅能于白昼进行摄影。可见光卫星云图可显示云层覆盖的面和厚度，比较厚的云层反射能力强，在可见光卫星云图上，会显示出亮白色，云层较薄则显示暗灰色，还可与红外线卫星云图结合起来，做出更准确的分析。

可见光云图，是气象卫星上的扫描辐射计（早期用的是电视摄象机）用可见光通道感测并向地面站发送的卫星云图，图上亮度明暗反映了云的反照率的强弱。可见光云图在研究云团、云系等的移动和发展方面，在监测台风和其他天气系统的发生、发展及移动方面，均获得广泛应用，并取得较好成效。但由于云图是利用可见光波段所拍，其亮度和色调取决于云的性质和太阳高度角，同肘夜间又拍不到，故受到一定的限制。

色调强化卫星云图 亦是属于红外线卫星云图的一种，其为针对对流云所设计，主要目的为突显对流现象。对流越强，云顶发展越高，云顶温度越冷（详细请参考资料来源所提供之连结）。

可见光和红外云图还同时提供了大量无云覆盖区的地面信息。可见光云图可反映地表裸地、岩石、森林、作物、草场、湖泊等不同覆盖物的反照车特性，而红外则可反映地表和海洋表面的热力学温度。因此云图也被广泛应用于社会经济活动的许多方面，如作物产量预报，森林火灾监测，海洋渔区的确定等。 2

识别方法在黑白红外卫星云图照片中，我们看到有些地方呈白色，有些地方呈黑色，而另一些地方却呈灰色等等。那么这些颜色都有些什么含义呢? 我们知道，如果地球表面是一片晴空区，卫星观测到的是从地面发射到太空的红外辐射信息，卫星云图上表现为绿色。绿色越深，表示地面辐射越强，天气越晴好。当某地上空为云、雨覆盖，卫星观测到的则是从云顶发向太空的红外辐射，表现为白色或灰白色。白色表示地面辐射很弱，气温很低，云系

很厚密，降雨强度也就很大。晴空区与云雨区之间的过渡带通常为深灰、灰、浅灰色云系覆盖，表示有不同厚度的云而无明显降水。在电视显示的卫星云图上，地表和海洋常用绿色和蓝色表示。

由气象卫星从太空摄得的可见光云图是利用云滴和冰晶等对阳光的粗粒散射而产生的散射光拍摄而成。云图上白色表示太阳光反射强，灰黑的地方表示反射较弱。由于陆地的反射能力比海洋高，所以可见光云图上的陆地表现为灰色，海洋表现为黑色，而冰雪和深厚云系覆盖的地区一般呈白色。

使用红外云图的一个好处是它能不分昼夜地提供云盖和气团温度信息，而可见光云图只有白天的资料可用。

当然，要准确地解释卫星云图包含的信息，最好是两种云图结合起来使用。1

应用由气象卫星自上而下观测到的地球上的云层覆盖和地表面特征的图像。各种不同尺度天气系统的云区和各种不同的地表特征，在这种图像上都有其特定的色调、范围大小和分布形式。利用卫星云图可以识别不同的天气系统，确定它们的位置，估计其强度和发展趋势，为天气分析和天气预报提供依据。通过卫星云图图象的形态、结构、亮度和纹理等特征，可以识别云的种、属及降水状况。可以识别大范围的云系，如螺旋状、带状、逗点状、波状、细胞状等，并用以推断锋面、温带气旋、热带风暴，高空急流等大尺度天气系统的位置和特征。根据晴空无云的区域，推断反气旋和高空高压脊的位置。也可以识别局地强风暴，如雷暴、飑线等中小尺度天气系统，若指令卫星加密探测次数(如隔30分钟一次)，可以监测局地强风暴的活动，用以制作即时天气预报和警报。对于气象台站稀少的广阔洋面、高原、荒漠和极地地区来说，卫星云图是很珍贵的探测资料，这对提高预报准确率起了重要作用。在气象台站较密的地区，所给出的图象也较为完整系统，为其它观测方法所不能替代。从卫星云图上发现了一些新的云系；如细胞状云系、云街、热带云团等。3

分辨率图像资料的分辨率高低是衡量卫星云图质量高低的一个重要指标。按照卫星上电视照相机的精度和扫描辐射仪观测的瞬时视场大小，分成低分辨率和高分辨率云图两种。分辨率高，云中细小结构能表示出来。第三代业务卫星的可见光和红外扫描辐射仪的分辨率都是 1.1公里。在1972年以前极轨气象卫星分辨率低，可见光和红外通道的分辨率分别是4公里和8公里。

图像处理有时在卫星红外云图分析时需要知道云顶的温度，例如，在估计对流云的降水量分布时，需要知道低温的云区范围。卫星云图的增强显示装置，可以将红外云图显示成7～9个不同黑白色调的图像，其中每一色调表示一个确定的温度范围，由此可以看出云顶温度（或云顶高度）的分布。有时为了某种特殊需要，也可使用此装置将某一个或某几个温度范围的区域显著地突出出来。如果将这种装置的黑白显示器改为彩色显示器，就可以得到不同颜色表示不同温度范围的彩色云图，叫做伪彩色云图。

图像分析在卫星云图上，不同的天气系统表现为不同特征的云型。锋面的云型呈气旋性弯曲的分布，这类云型称作锋面云带。高空急流的云型呈带状,它是由卷云组成的,极地一侧光滑清晰,并呈反气旋性弯曲的云带,称作急流云带。急流轴位于云系的极地一侧光滑的边界处。涡旋云系是另一类在卫星云图上常见的云型。其中台风的涡旋云系 由一条条从台风外向台风中心旋入的螺旋云带组成。对强度较大的台风，其台风眼在卫星云图上表现为一黑色小圆点。高空切断低压的云型表现为一条上百公里宽，几千公里长，气旋式旋向中心的涡旋云型。在中高纬度洋面上高空槽的云系表现成标点符号逗点“，”的形状，这种云型称作逗点云系。当强寒潮南下到洋面时，在锋面云带的后面会出现由积云组成的环状、半环状和白球状的大片云系，这种云型分别叫做开口细胞状云系和闭口细胞状云系。在细胞状云系后面是许多短的细积云线，它们都排列成西北—东南走向或南北走向，这种云型称作云街。云街的走向和低空（地面至5公里）风的铅直切变方向一致。在卫星云图上雷暴高压的外围表现成一条弧状的云线，这种云型称作弧状云线。一条弧状云线与另一条云线或云带相交的交点处有更强烈的对流发展。 气象人员可根据这些云型特征，以及它们同某些气象要素、天气系统的位置和强度的关系来识别天气系统，确定其位置，估计它们的强度，并判断它们未来的移动、演变趋势。

研究发展自20世纪60年代发展起来的气象卫星遥感是气象探测技术的重大突破。它所提供的气象卫星云图资料在时间和空间上的连续性是以往任何探测手段所不能比拟的。气象卫星云图在天气预报的制作和大气环境的监测中，更是发挥了极其重要的作用。但是；传统的人工目视判读仍是气象卫星云图分析的主要方式之一。这既包含一定程度的主观因素，又不利于卫星云图的丰富信息的充分提取和最大利用，同时也有碍于天气预报制作的科学化、自动化与定量化的发展趋势。因此；气象卫星云图中的气象信息(如云的分类识别及台风的分割和定位)的自动提取和定量判别及其计算机实现是当今世界气象卫星云图信息处理的主流。我国在2004年10月升空的FY-2C卫星(中国第一颗业务型静止轨道气象卫星)从观测中国大陆、海区的最佳的静止卫星轨道(东经105°赤道上空)发回的云图提供了大范围、全天候的云的生消聚散的信息。因此；利用国产的FY-2C气象卫星云图进行云的分类识别及台风的分割和定位的探索一直是人们关注的热点。4