最新大学经典卫星气象学课件3PPT课件.ppt

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1、进入夏天，少不了一个热字当头，电扇空调陆续登场，每逢此时，总会想起进入夏天，少不了一个热字当头，电扇空调陆续登场，每逢此时，总会想起那一把蒲扇。蒲扇，是记忆中的农村，夏季经常用的一件物品。记忆中的故那一把蒲扇。蒲扇，是记忆中的农村，夏季经常用的一件物品。记忆中的故乡，每逢进入夏天，集市上最常见的便是蒲扇、凉席，不论男女老少，个个手持乡，每逢进入夏天，集市上最常见的便是蒲扇、凉席，不论男女老少，个个手持一把，忽闪忽闪个不停，嘴里叨叨着一把，忽闪忽闪个不停，嘴里叨叨着“怎么这么热怎么这么热”，于是三五成群，聚在大树，于是三五成群，聚在大树下，或站着，或随即坐在石头上，手持那把扇子，边唠嗑边乘凉。孩

2、子们却在周下，或站着，或随即坐在石头上，手持那把扇子，边唠嗑边乘凉。孩子们却在周围跑跑跳跳，热得满头大汗，不时听到围跑跑跳跳，热得满头大汗，不时听到“强子，别跑了，快来我给你扇扇强子，别跑了，快来我给你扇扇”。孩。孩子们才不听这一套，跑个没完，直到累气喘吁吁，这才一跑一踮地围过了，这时子们才不听这一套，跑个没完，直到累气喘吁吁，这才一跑一踮地围过了，这时母亲总是，好似生气的样子，边扇边训，母亲总是，好似生气的样子，边扇边训，“你看热的，跑什么？你看热的，跑什么？”此时这把蒲扇，此时这把蒲扇，是那么凉快，那么的温馨幸福，有母亲的味道！蒲扇是中国传统工艺品，在是那么凉快，那么的温馨幸福，有母亲的味

3、道！蒲扇是中国传统工艺品，在我国已有三千年多年的历史。取材于棕榈树，制作简单，方便携带，且蒲扇的表我国已有三千年多年的历史。取材于棕榈树，制作简单，方便携带，且蒲扇的表面光滑，因而，古人常会在上面作画。古有棕扇、葵扇、蒲扇、蕉扇诸名，实即面光滑，因而，古人常会在上面作画。古有棕扇、葵扇、蒲扇、蕉扇诸名，实即今日的蒲扇，江浙称之为芭蕉扇。六七十年代，人们最常用的就是这种，似圆非今日的蒲扇，江浙称之为芭蕉扇。六七十年代，人们最常用的就是这种，似圆非圆，轻巧又便宜的蒲扇。蒲扇流传至今，我的记忆中，它跨越了半个世纪，圆，轻巧又便宜的蒲扇。蒲扇流传至今，我的记忆中，它跨越了半个世纪，也走过了我们的半个人

4、生的轨迹，携带着特有的念想，一年年，一天天，流向长也走过了我们的半个人生的轨迹，携带着特有的念想，一年年，一天天，流向长长的时间隧道，袅长的时间隧道，袅大学经典卫星气象学课件3第一节第一节 电磁波谱电磁波谱包括宇宙射线、太阳辐射、热辐射、无线电波等。电磁波谱包括宇宙射线、太阳辐射、热辐射、无线电波等。电磁波段的划分电磁波段的划分电子跃迁可见光宇宙射线 r射线紫外线X 射 线 可见光红 外线亚毫米波毫米波厘米波分米波微 波超短波短波中波长波无 线 电 波迟缓电振荡光 谱 区1nm 1 m 1cm 1m波 长3 1022 3 1020 3 1018 3 1016 3 1014 3 1012 3 1

5、010 3 108 3 106 3 104 3 102频 率(Hz)近 红 外中红外远 红 外1.5 15 750 m 紫 蓝 青 绿 黄 橙 红0.40 0.43 0.45 0.50 0.57 0.60 0.63 0.76微米微米分子振动转动电 离电磁振荡太阳辐射地球大气 辐射产 生机 制紫 蓝 青 绿黄橙红u水汽图水汽图：卫星接收到的辐射决定于水汽含量，大气中水汽含量越多，发：卫星接收到的辐射决定于水汽含量，大气中水汽含量越多，发射的辐射越小；水汽含量越少，大气低层的辐射越可以透过水汽到达卫星，射的辐射越小；水汽含量越少，大气低层的辐射越可以透过水汽到达卫星，则卫星接收的辐射越大。则卫星接

6、收的辐射越大。在水汽图上，色调越白，辐射越小，水汽越多；在水汽图上，色调越白，辐射越小，水汽越多；否则越少。否则越少。u选用波段：选用波段：以以 6-7m6-7m水汽吸收谱段接收大气中水汽发射的辐射，并以图水汽吸收谱段接收大气中水汽发射的辐射，并以图象表示便得到水汽图。在这一波段，水汽一面接收来自下面的辐射，又以象表示便得到水汽图。在这一波段，水汽一面接收来自下面的辐射，又以自身较低的温度发射红外辐射。自身较低的温度发射红外辐射。在气象卫星遥感测量中，主要采用可可见见光光、红红外外和和微微波波波波段段，电磁波谱的各分谱段的划分常没有严格界线，在两谱段之间的边界是渐变的，可根据使用目的而分，例如

7、把0.38-3.00.38-3.0微微米米称称为为反反射射波波段段,这这一一波波段段的的辐辐射射源源主主要要是是太太阳阳，卫卫星星接接受受到到的的是是地地(云云)面面的的反反射射太太阳阳辐辐射射。按吸收气体分为水汽吸收谱段，二氧化碳吸收谱段等。由于各个谱段的电磁波辐射特性不一样，所以遥感用的探测仪器也不一样。可见光波段采用照相方法观测物体，在红外波段以热敏电阻为探测器的辐射计，不同波段内使用不同的传感器。在在被被动动式式气气象象卫卫星星遥遥感感系系统统中中，主主要要辐辐射射源源是是太太阳阳和和地地球球大大气气系系统统，其其能能量量光光谱谱分分布布几几乎乎遍遍及及整整个个电电磁磁波波谱谱范范围围

8、。辐辐射射源源发发射射的的辐辐射射与与地地表表、大大气气等等目目标标物物相相互互作作用用，其其辐辐射射被被目目标标物物反反射射、透透射射或或吸吸收收，强强度度和和光光谱谱分分布布都都会会发发生生变变化化，从从而而产产生生目目标标物物的的各各种种信信息息。为为此此要要清清楚楚认认识识遥遥感感波波段段、遥遥感感信信息息、太太阳阳和和地地球球大大气气系系统统辐射，及其光谱特征。辐射，及其光谱特征。一、太阳辐射及其光谱特征一、太阳辐射及其光谱特征 u太阳：太阳：6000K6000K火球，直径火球，直径139.14139.14万公里，是地球的万公里，是地球的104104倍；日地平倍；日地平均距离均距离d

9、 d0 0=1.49510=1.495108 8公里。公里。u太阳辐射用太阳常数、太阳光谱太阳辐射用太阳常数、太阳光谱(在大气顶处、在地面处）描述。在大气顶处、在地面处）描述。第二节第二节 太阳和地球太阳和地球-大气系统辐射大气系统辐射1、太阳常数：、太阳常数：指在不考虑大气作用，在平均日指在不考虑大气作用，在平均日-地距离处，垂直地距离处，垂直于太阳入射的表面上接收到太阳的辐照度于太阳入射的表面上接收到太阳的辐照度。根据高空气球、飞机、。根据高空气球、飞机、卫星测量到的太阳常数数值为卫星测量到的太阳常数数值为13531353瓦瓦/平方米，其估计误差为平方米，其估计误差为2121瓦瓦/平方米。

10、太阳常数的变化与太阳黑子数有关。由太阳常平方米。太阳常数的变化与太阳黑子数有关。由太阳常数可以计算单位时间内太阳辐射的总能量为数可以计算单位时间内太阳辐射的总能量为式中式中d d0 0是日地平均距离，是日地平均距离，S S0 0是太阳常数。是太阳常数。Q Q单位为瓦。单位为瓦。能量平衡：到达地球大气顶的太阳辐射通过大气时，大约能量平衡：到达地球大气顶的太阳辐射通过大气时，大约 35%被地球、大气、云层反射被地球、大气、云层反射 17%被大气吸收被大气吸收 47%到达地面、被地表吸收到达地面、被地表吸收 太阳光谱：太阳光谱：太阳辐射能主要集中在太阳辐射能主要集中在0.3-3.00.3-3.0微米

11、，微米，辐射最大值位于辐射最大值位于0.470.47微米微米,色温度色温度T Tc c 。1/4 1/4能量在波长能量在波长 0.470.47微米的谱段内，微米的谱段内，46%46%的能量在的能量在0.400.760.400.76mm的可见光波段。的可见光波段。假设太阳是理想的黑体，则可由假设太阳是理想的黑体，则可由斯蒂芬斯蒂芬-波尔兹曼定律和波尔兹曼定律和维恩位移公式计算出太阳的有效温度维恩位移公式计算出太阳的有效温度T Te e:二、太阳吸收光谱（如图）：该光谱与二、太阳吸收光谱（如图）：该光谱与6000K6000K的黑体辐的黑体辐射光谱有明显差异，存在许多由大气中的臭氧、氧、水汽、射光谱

12、有明显差异，存在许多由大气中的臭氧、氧、水汽、二氧化碳及尘埃等物质选择性吸收作用造成的吸收线和吸收二氧化碳及尘埃等物质选择性吸收作用造成的吸收线和吸收带。带。uO3吸收：主要位于紫外光吸收：主要位于紫外光0.2-0.3m；0.32-0.36 m；可见光可见光0.6-4.75 m。uO2吸收：紫外、可见光。吸收：紫外、可见光。uH2O吸收：吸收：0.7 m；0.7-0.8 muCO2吸收：吸收：3.5 m成成分分体积混合比体积混合比（%）混合比混合比特征特征强吸收位置强吸收位置（m）次强吸收位置次强吸收位置（m）氧和氮氧和氮99常数常数不吸收不吸收不吸收不吸收H2O1.00.01可变可变1.4，

13、1.9，2.7，6.3，13.00.9，1.1CO20.033常数常数2.7，4.3，14.71.4，1.6，2.0，5.0，9.4，10.4O310-6可变可变4.7，9.6，14.13.3，3.6，5.7N2O2.43.010-5可变可变4.5，7.83.9，4.1，9.6，17.0CH41.41.610-4可变可变3.3，3.8，7.7CO1.31.910-5可变可变4.72.3大气气体的吸收谱带大气气体的吸收谱带地面及其覆盖物对太阳辐射的反射太阳光通过大气被吸收和散射后，到达地面的辐射一部分太阳光通过大气被吸收和散射后，到达地面的辐射一部分被地面吸收，部分又被反射到空间。地表面反射的强

14、弱与物体被地面吸收，部分又被反射到空间。地表面反射的强弱与物体的反照率和太阳高度角有关，反照率随波长、地面颜色、干湿的反照率和太阳高度角有关，反照率随波长、地面颜色、干湿度、粗糙度和太阳高度角而变。度、粗糙度和太阳高度角而变。1.1.地面土壤粒子结构、土壤水分对反照率的影响：地面土壤粒子结构、土壤水分对反照率的影响：通常土壤颗粒越小，颗粒间的空隙越小，吸收越少反射越通常土壤颗粒越小，颗粒间的空隙越小，吸收越少反射越大。干燥的砂质土具有较高的反照率，随土壤湿度加大，大。干燥的砂质土具有较高的反照率，随土壤湿度加大，反照率明显减小。土壤湿度增大到一定值时，反照率将缓反照率明显减小。土壤湿度增大到一

15、定值时，反照率将缓慢减小，当土壤达到吸湿极限时，反照率将几乎不变。慢减小，当土壤达到吸湿极限时，反照率将几乎不变。三种不同含水量砂土的光谱反射曲线三种不同含水量砂土的光谱反射曲线反射率%波长 m m04%512%2232%不同土壤湿度下含沙壤土的反射率不同土壤湿度下含沙壤土的反射率2、植被的反照率、植被的反照率：（1 1）有植被覆盖的地表反照率）有植被覆盖的地表反照率有植被覆盖的地表，其反照率与植物的种类、地面覆盖度、作物生有植被覆盖的地表，其反照率与植物的种类、地面覆盖度、作物生长发育和颜色有关。绿色植物的反照率决定于体内叶绿素和水的吸长发育和颜色有关。绿色植物的反照率决定于体内叶绿素和水的

16、吸收，叶绿素在收，叶绿素在0.450.45、0.670.67微米附近有强吸收，水在微米附近有强吸收，水在1.41.4微米和微米和1.91.9微微米处有强吸收，所以绿色植物在米处有强吸收，所以绿色植物在0.550.55微米和近红外微米和近红外(0.761.10(0.761.10微微米）处有强反射和低吸收。米）处有强反射和低吸收。可见光可见光-中红外小麦叶子的反射光谱中红外小麦叶子的反射光谱作物在生长和衰老期间光谱变化作物在生长和衰老期间光谱变化 衰老期小麦叶子反射光谱衰老期小麦叶子反射光谱波长 m m叶子反射率、水吸收率%叶子反射率水吸收率 0.5 1.3 1.9 2.5叶子反射率、水吸收率的反

17、相关系叶子反射率、水吸收率的反相关系（2）不同生长期作物反照率）不同生长期作物反照率（3）土壤对植物光谱的影响）土壤对植物光谱的影响（a）不同种类作物和裸地的反照率）不同种类作物和裸地的反照率（b）作物覆盖率和生物量对反照率的影响）作物覆盖率和生物量对反照率的影响（4）不同种类的作物及状况对反照率的影响）不同种类的作物及状况对反照率的影响3、冰雪的反照率、冰雪的反照率：雪的反照率在小于雪的反照率在小于0.80.8微米波段几乎接近微米波段几乎接近100100，在大于，在大于0.80.8微米波段随波长的增微米波段随波长的增加而减小。新雪和陈雪之间也有明显的差异。在可见光波段，两者的反照率较加而减小

18、。新雪和陈雪之间也有明显的差异。在可见光波段，两者的反照率较高，相差很小，但近红外波段，其反照率明显下降，陈雪的反照率减小得更快，高，相差很小，但近红外波段，其反照率明显下降，陈雪的反照率减小得更快，在在1.81.8或或2.22.2微米的反射峰明显减弱。在微米的反射峰明显减弱。在0.5-1.10.5-1.1微米波段，云和雪的反照率都很微米波段，云和雪的反照率都很高，差异很小，在中红外波段，高，差异很小，在中红外波段，1.55-1.751.55-1.75微米和微米和2.10-2.352.10-2.35微米，云层有很高微米，云层有很高的反照率，雪的反照率很低。的反照率，雪的反照率很低。用中红外波段

19、可以将云与雪区分开；冬季雪融化时，用中红外波段可以将云与雪区分开；冬季雪融化时，可以利用红外波段识别积雪。可以利用红外波段识别积雪。0.6 1.4 2.0 2.4波长 m m反射率%雪的反射特性曲线雪的反射特性曲线新雪（冷）陈雪（融化或解冻）盆地积雪区较山盆地积雪区较山地积雪均匀地积雪均匀；东北和蒙古地区东北和蒙古地区的积雪、华北地的积雪、华北地区（区（S S）和中原地）和中原地区（区（N N）、渤海湾）、渤海湾（B B）四周陆地有）四周陆地有积雪区；积雪区；弧型分布的喜马拉雅山地积雪弧型分布的喜马拉雅山地积雪u冰雪覆盖区在冰雪覆盖区在可见光云图可见光云图上表现为灰白到白色不等，上表现为灰白到

20、白色不等，冰雪厚度越厚，色调越白。在卫星云图上积雪深度超冰雪厚度越厚，色调越白。在卫星云图上积雪深度超过过3 3厘米才能清楚地表现出来。厘米才能清楚地表现出来。u在在红外云图红外云图上，有雪覆盖的地区色调比四周地区更上，有雪覆盖的地区色调比四周地区更白。积雪区的亮度决定于积雪区内是否有植被、植被白。积雪区的亮度决定于积雪区内是否有植被、植被的种类以及有多少植被为积雪所覆盖。的种类以及有多少植被为积雪所覆盖。u如果积雪很浅，在如果积雪很浅，在可见光云图可见光云图上容易看出，在上容易看出，在红外红外云图云图上不容易看出，这因为雪面与四周地表的色调相上不容易看出，这因为雪面与四周地表的色调相差很小，

21、而雪面的差很小，而雪面的反照率反照率比无雪的地表要大许多。比无雪的地表要大许多。4、水体的反射特性、水体的反射特性:水的反照率与水的混浊度，含盐量和叶绿素的浓度有关。利用水的反照率与水的混浊度，含盐量和叶绿素的浓度有关。利用它们这些关系可以探测水中泥沙量，叶绿素等。它们这些关系可以探测水中泥沙量，叶绿素等。在在可可见见光光波波段段水水体体的的吸吸收收最最小小，即即透透过过率率最最大大在在0.480.48微微米米左左右右；在在0.5-0.60.5-0.6微微米米内内,对对清清洁洁水水的的穿穿透透深深度度约约为为1010米米,0.6-0.7,0.6-0.7微微米米波波段段约约为为3 3米米,0.7

22、-0.80.7-0.8微微米米波波段段为为1 1米米，而而在在0.8-1.10.8-1.1微微米米波波段段只能达到只能达到1010厘米。厘米。清水的吸收系数清水的吸收系数混混浊浊水水体体的的反反照照率率：悬悬浮浮泥泥沙沙是是影影响响水水体体光光谱谱响响应应的的主主要要因因素素之之一一。浊浊水水的的反反照照率率比比清清水水高高得得多多，浊浊水水的的反反射射峰峰值值出出现现在在更更长长的的波波长长上上。在在0.60.70.60.7微微米米波波段段内内的的反反照照率率与与水水体体的的混混浊浊度度是是呈呈线线性性相相关关的的，由由此此可可推推算算水水中中的的泥沙量泥沙量。叶叶绿绿素素对对水水体体反反照

23、照率率的的影影响响:水水体体中中叶叶绿绿素素浓浓度度增增加加时时，可可见见光光波波段段蓝蓝光光部部分分的的反反照照率率显显著著下下降降，但但绿绿光光部部分分的的反反照照率率则则上上升升。叶叶绿绿素素浓浓度度值值是是衡衡量量水水体体初初级级生生产产力力和和富富营营养养化化作作用用的的有有用用指标指标。不同叶绿素浓度的海水返照率不同叶绿素浓度的海水返照率0.51.0微米波段天然清水和混水的反照率微米波段天然清水和混水的反照率不同覆盖物的反照率随波长的变化不同覆盖物的反照率随波长的变化 5、反照率随波长的变化：、反照率随波长的变化：反照率是波长的函数，各种物体的反照率随波长的变化不一反照率是波长的函

24、数，各种物体的反照率随波长的变化不一样，样，选择波段，可将某些物体区别开来选择波段，可将某些物体区别开来。从可见光到近红外。从可见光到近红外波段，干燥土壤的反照率随波长增大而增大，潮湿土壤则增波段，干燥土壤的反照率随波长增大而增大，潮湿土壤则增加较小，水体的反照率随波长加大而减小。加较小，水体的反照率随波长加大而减小。6、云层的反照率：、云层的反照率：云的反照率与云的厚度、云的种类和组成有关云的反照率与云的厚度、云的种类和组成有关。云层愈厚，反照率。云层愈厚，反照率愈大，积雨云反照率最大，水滴组成的云比冰晶组成的云愈大，积雨云反照率最大，水滴组成的云比冰晶组成的云(同厚度）同厚度）的反照率要大

25、。云层增多，反照率增加。第一层云的透过率是第二的反照率要大。云层增多，反照率增加。第一层云的透过率是第二层云的层云的2 2倍，第二层云的透过率是第三层云的倍，第二层云的透过率是第三层云的2 2倍。倍。多层云的反照率多层云的反照率较高。较高。入射辐射LR1=L/2T1=L/2T2=L/4R2=L/4T3=L/8R1+T3=5L/8R3=L/8 多层云对太阳辐射的反射多层云对太阳辐射的反射云层反照率、吸收率和透过率的关系云层反照率、吸收率和透过率的关系反射、透射、吸收%反射透过吸收云厚（米）100806040200010 100 1000 10000云厚（米）透过率（）60050040030020

26、01000010 20 30 40 50 60 70 80 90 高层云 层云（）（）（）（）三、三、大气窗和大气吸收带大气窗和大气吸收带通通过过大大气气的的太太阳阳辐辐射射或或地地球球大大气气辐辐射射将将被被大大气气中中某某些些气气体体所所吸吸收收，这这些些吸吸收收随随波波长长的的变变化化很很大大，在在某某些些波波段段的的吸吸收收很很强强，而而在在另另一一些些波波段段的的吸吸收收则则很很弱弱，在在这这些些吸吸收收最最弱弱的的波波段段，太太阳阳辐辐射射和和地地球球大大气气辐辐射射可可以以象象光光通通过过窗窗户户那那样样透透过过大大气气，这这些些波波段段称称做做大大气气窗窗。大大气气窗主要出现在

27、强吸收带或线之间。窗主要出现在强吸收带或线之间。谱谱段段紫外与可紫外与可见（见（m）近近红红外外（m）红外红外（m）远红外远红外（m）微微波波（mm）波波长长0.30-0.750.77-0.911.0-1.121.19-1.341.55-1.752.05-2.463.5-4.14.5-5.08.0-9.110.2-12.417.0-22.02.06-2.223.0-3.757.5-11.520-30大气窗区各波段大气窗区各波段 太阳或地球太阳或地球-大气的辐射在大气中传输时被大气大气的辐射在大气中传输时被大气中的中的某种气体某种气体所吸收。吸收随所吸收。吸收随波长变化很大，在一些波波长变化很大

28、，在一些波段吸收很强，在另一些波段吸收很强，在另一些波段吸收很弱或没有吸收。段吸收很弱或没有吸收。对辐射吸收很强的波段就对辐射吸收很强的波段就称为该气体的称为该气体的吸收带吸收带。大气吸收带 辐射与大气和地表之间的相互作用表现为辐射的发射、辐射与大气和地表之间的相互作用表现为辐射的发射、吸收和反射，这为卫星遥感地表和大气提供了大量的信息。吸收和反射，这为卫星遥感地表和大气提供了大量的信息。例如卫星在大气窗区波段可以测量地面、云层反射或发射的例如卫星在大气窗区波段可以测量地面、云层反射或发射的辐射，从而可以得到地表、云面的反射特性或温度分布；卫辐射，从而可以得到地表、云面的反射特性或温度分布；卫

29、星在吸收带测量，可以得到大气温度和成分。星在吸收带测量，可以得到大气温度和成分。根据测量的目的，卫星选择不同的波长间隔进行测量，根据测量的目的，卫星选择不同的波长间隔进行测量，这种波长间隔称做通道。为更多地获取地面、云层和大气信这种波长间隔称做通道。为更多地获取地面、云层和大气信息，目前卫星测量使用的通道很多。息，目前卫星测量使用的通道很多。四.大气窗和大气吸收带在遥感中的应用卫星测量使用的波段卫星测量使用的波段通道（波段）通道（波段）（m）光谱名称光谱名称用用途途0.2-4反射太阳辐射反射太阳辐射99%，太阳辐射总量，太阳辐射总量5-30可测量地球可测量地球大气系统发射到宇宙空间的长波辐射，

30、约为长波辐射的大气系统发射到宇宙空间的长波辐射，约为长波辐射的85。配合。配合024微米的测量，可估算地球微米的测量，可估算地球大气系统的辐射收支。大气系统的辐射收支。0.475-0.575蓝、绿蓝、绿地表、地下水特征，干燥、岩石、土壤地表、地下水特征，干燥、岩石、土壤0.58-0.68黄、红黄、红白天云分布，植物生长、水污染、地形等白天云分布，植物生长、水污染、地形等0.6-0.7橙橙透射水体，水混浊度海洋泥沙流大河悬浮陆地冰川沙漠地植物生长透射水体，水混浊度海洋泥沙流大河悬浮陆地冰川沙漠地植物生长0.7-0.8红红该波段对水体和湿地反映较清楚，故用于研究植被和土壤湿度。水体在该波段对辐该波

31、段对水体和湿地反映较清楚，故用于研究植被和土壤湿度。水体在该波段对辐射有强烈吸收，反照率甚低，在图片上呈黑色，对于潮湿的地表具有较深的色调。射有强烈吸收，反照率甚低，在图片上呈黑色，对于潮湿的地表具有较深的色调。0.725-1.10近红外近红外白天云分布，水陆边界，水体分布，土壤湿度，植物生长白天云分布，水陆边界，水体分布，土壤湿度，植物生长3.4-4.2短波红外短波红外十分透明对温度灵敏，测量海面测温，云分布；白天由于太阳辐射干扰，测量的辐十分透明对温度灵敏，测量海面测温，云分布；白天由于太阳辐射干扰，测量的辐射不能直接计算海面温度，须消除太阳辐射干扰后进行海温计算。射不能直接计算海面温度，

32、须消除太阳辐射干扰后进行海温计算。5.7-7.1水吸收带水吸收带是水汽强吸收带，可用来计算对流层中上部水汽含量和分布。是水汽强吸收带，可用来计算对流层中上部水汽含量和分布。10.5-12.5大气窗大气窗红外云图，云参数，海面温度和降水红外云图，云参数，海面温度和降水13-15CO2吸收带吸收带大气温度垂直分布大气温度垂直分布第三节 卫星云图观测原理卫星云图观测原理 卫卫星星云云图图是是气气象象卫卫星星最最易易也也是是最最早早进进行行的的观观测测项项目目之之一一。早早期期的的气气象象卫卫星星采采用用电电视视摄摄像像机机对对地地球球-大大气气系系统统进进行行观观测测，得得到到的的是是电电视视云云图

33、图，七七十十年年代代以以后后气气象象卫卫星星系系统统，采采用用了了扫扫描描辐辐射射仪仪，选选择择多多个个光光谱谱通通道道对对地地球球大大气气系系统统观观测测，可可得得到到可可见见光光云云图图、昼昼夜夜的的红红外外云图和其它种类的云图。云图和其它种类的云图。观观测测仪仪器器应应满满足足的的条条件件是是：选选用用大大气气窗窗区区避避开开气气体体吸吸收收和和散散射射的的波波段段；仪仪器器通通道道波波长长间间隔隔要要有有一一定定宽宽度度，通通道道尽尽量量选选在在太太阳阳辐辐射射或或地地球球大大气气辐辐射射较较大大的的地地方方以以获获取取更更多多的的能能量量；仪仪器器通通道道选选在最能区分所要探测目标物

34、的谱段。在最能区分所要探测目标物的谱段。通道：通道：0.520.730.520.73 m大气窗大气窗 在大气窗区在大气窗区 (日日）=(s(s）1 1，太，太阳辐亮度阳辐亮度B B（T T日日)，可看做常数，可看做常数，因此因此卫星观测到的辐射卫星观测到的辐射L L(s(s）与物体反照率）与物体反照率r rss和太阳天顶角和太阳天顶角日日有关有关。在一定的太阳天顶角在一定的太阳天顶角日下，日下，物体反照率物体反照率r rss越大，卫星观测到的辐射越大，卫星观测到的辐射L L(s(s）就越大，在云图上色调就越亮；）就越大，在云图上色调就越亮；而而r rss越小，越小，L L(s(s）就越小，）就

35、越小，卫星云图色调就越暗。（辐射大用白色表示；辐射小用黑色表示）卫星云图色调就越暗。（辐射大用白色表示；辐射小用黑色表示）在反照率在反照率r rss相同的条件下，太阳天顶角相同的条件下，太阳天顶角日日越大，卫星观测到的辐射越大，卫星观测到的辐射L L(s(s）就越大，卫星云图的色调就越亮；）就越大，卫星云图的色调就越亮；日日越小，越小，L L(s(s）就越小，）就越小，卫星云图的色调就越暗。卫星云图的色调就越暗。1 1、可见光云图观测原理、可见光云图观测原理 从可见光云图上的色调可以估计反照率的大小，从而来区分各从可见光云图上的色调可以估计反照率的大小，从而来区分各种物体。云与地表间的反照率差

36、异很大，所以在可见光云图上很容种物体。云与地表间的反照率差异很大，所以在可见光云图上很容易将云和地表区别开。易将云和地表区别开。在可见光云图上，各点相对于太阳高度角不同，即使是反照率在可见光云图上，各点相对于太阳高度角不同，即使是反照率相同的物体，其色调也不一样。太阳天顶角对色调的作用是以余弦相同的物体，其色调也不一样。太阳天顶角对色调的作用是以余弦函数形式出现的。天顶角越小卫星接收的辐射就越大。函数形式出现的。天顶角越小卫星接收的辐射就越大。物体反照率随波长而变，物体反照率随波长而变，所以同一物体在不同波段可见光云图所以同一物体在不同波段可见光云图上的色调也不同，根据这种色调差异，能更有效地

37、区别各种物体。上的色调也不同，根据这种色调差异，能更有效地区别各种物体。2、红外云图观测原理、红外云图观测原理卫星云图在红外波段选用卫星云图在红外波段选用通道有通道有3.55-3.933.55-3.93微米和微米和10.5-12.510.5-12.5微米。微米。把前者称短波红外云图，而把后者称长波红外云图。把前者称短波红外云图，而把后者称长波红外云图。（1）长波红外云图长波红外云图:卫星在卫星在10.5-12.510.5-12.5微米红外波段接收的辐射是微米红外波段接收的辐射是地面和云面发射的长波红外辐射，太阳辐射完全忽略。略去大气辐地面和云面发射的长波红外辐射，太阳辐射完全忽略。略去大气辐射

38、和地面云面对向下大气辐射的反射辐射，得到卫星在这一波段观射和地面云面对向下大气辐射的反射辐射，得到卫星在这一波段观测到地气系统发射的辐射为测到地气系统发射的辐射为:式中式中ss是表面比辐射率在红外是表面比辐射率在红外10.5-12.510.5-12.5微米波段，微米波段，ss 1 1，且对大气窗区且对大气窗区(s s)1)1，所以上式又进一步简化为，所以上式又进一步简化为:可见，可见，在一定条件下，卫星在在一定条件下，卫星在10.5-12.510.5-12.5微米通道接收的辐射仅与微米通道接收的辐射仅与物体的温度有关。物体的温度有关。被测物体温度越高，卫星接收的辐射越大，温度越低，辐射越被测物

39、体温度越高，卫星接收的辐射越大，温度越低，辐射越小。将这种辐射转换成图象，辐射大温度高用黑色表示，辐射小温小。将这种辐射转换成图象，辐射大温度高用黑色表示，辐射小温度低用白色表示。即为一张黑白色红外云图。度低用白色表示。即为一张黑白色红外云图。由于大气温度随高度递减的，所以根据色调深浅能判断云的种由于大气温度随高度递减的，所以根据色调深浅能判断云的种类。高云类。高云(卷云卷云)一般呈白色，而低云呈暗色。把地一般呈白色，而低云呈暗色。把地(云云)面看成是黑面看成是黑体，实际上并非如此，因此由卫星测得的辐射推算的表面温度比实体，实际上并非如此，因此由卫星测得的辐射推算的表面温度比实际的低，由此求出

40、的云顶高度偏高。实际测到的辐射低于表面温度际的低，由此求出的云顶高度偏高。实际测到的辐射低于表面温度的黑体辐射，计算出的云顶高度比实际的低的黑体辐射，计算出的云顶高度比实际的低1 1公里。公里。所以严格地说，所以严格地说，红外云图是一张物体的亮度温度分布图，而不红外云图是一张物体的亮度温度分布图，而不是实际的温度分布图。是实际的温度分布图。（2）短波红外云图）短波红外云图 由由于于3.55-3.933.55-3.93微微米米大大气气窗窗通通道道位位于于太太阳阳辐辐射射光光谱谱曲曲线线与与地地球球大大气气辐辐射射光光谱谱曲曲线线相相交交重重迭迭处处，所所以以在在白白天天这这一一通通道道测测得得的

41、的辐辐射射不不仅仅包包含含有有地地面面云云面面自自身身发发射射的的辐辐射射，而而且且含含有有地地面面云云面面反反射射的的太太阳阳辐射，因此辐射，因此 L(L(s s)=L)=Lr r(反射太阳辐射反射太阳辐射)+L)+L(物体发射辐射物体发射辐射)通通常常在在把把这这一一通通道道测测到到的的辐辐射射转转换换成成图图象象时时，其其辐辐射射大大转转换换成成黑黑色色，辐辐射射小小转转换换成成白白色色。在在短短波波红红外外云云图图上上，由由于于在在白白天天包包含含有有上上述述两两种种辐辐射射，使使得得物物象象间间色色调调的的相相对对变变化化显显得得十十分分复复杂杂，给给图图象象的识别带来了困难。的识别

42、带来了困难。1 1短波红外云图的测温精度较长波红外云图高。短波红外云图的测温精度较长波红外云图高。根据普朗根据普朗克公式，测温误差克公式，测温误差 T，与辐射误差的关系为波长越短其，与辐射误差的关系为波长越短其 T越小。越小。2 2短波红外通道的大气衰减小。短波红外通道的大气衰减小。在这一波段，大气透过率在这一波段，大气透过率近似为近似为0.90，其大气辐射与地面辐射之比为，其大气辐射与地面辐射之比为10，另外，另外这一波段吸收气体主要是一些混合比近于常定的这一波段吸收气体主要是一些混合比近于常定的CO2，N2和和N2O气体，所以大气透过率随季节、地理位置变化较气体，所以大气透过率随季节、地理

43、位置变化较小，这对提高测温精度有利。小，这对提高测温精度有利。3 3短波红外通道在白天有太阳辐射污染。短波红外通道在白天有太阳辐射污染。尽管能精确测量尽管能精确测量表面温度，但白天太阳辐射污染，给测温造成困难。表面温度，但白天太阳辐射污染，给测温造成困难。到达卫星的辐射第一项是地面到达卫星的辐射第一项是地面(云面云面)发出的，第二发出的，第二项是大气中水汽发出的辐射，到达卫星的辐射与水汽透过率的垂项是大气中水汽发出的辐射，到达卫星的辐射与水汽透过率的垂直梯度有关。如果地面和低云的高度低于直梯度有关。如果地面和低云的高度低于800hPa800hPa的高度，则因水的高度，则因水汽吸收，地面和低云的

44、辐射就不能到达卫星，表面辐射可以忽略，汽吸收，地面和低云的辐射就不能到达卫星，表面辐射可以忽略，这时卫星接收的辐射完全是由大气水汽发出的，卫星在水汽通道这时卫星接收的辐射完全是由大气水汽发出的，卫星在水汽通道测量的辐射决定于水汽含量，水汽含量愈大，则透过率愈小，卫测量的辐射决定于水汽含量，水汽含量愈大，则透过率愈小，卫星接收的辐射越小。因此根据卫星测量辐射可以推算大气中水汽星接收的辐射越小。因此根据卫星测量辐射可以推算大气中水汽分布。分布。通道：通道：5.77.35.77.3 m水水汽强汽强吸收带吸收带，吸收带吸收带中中心为心为6.7 m。三、水汽图观测原理三、水汽图观测原理u气象卫星水汽通道

45、：大约气象卫星水汽通道：大约8080的辐射能来自的辐射能来自620-240620-240hPa气层，而气层，而最大辐射贡献大约在最大辐射贡献大约在400hPa高高度处。对一定的温度廓线，大气的透度处。对一定的温度廓线，大气的透过率随水汽含量增加而减小，当大气中水汽含量大时，卫星测得辐过率随水汽含量增加而减小，当大气中水汽含量大时，卫星测得辐射来自大气上层，而大气水汽含量较少时，卫星测得辐射来自较低射来自大气上层，而大气水汽含量较少时，卫星测得辐射来自较低高度的大气层。高度的大气层。u卫星在吸收带测得的辐射主要是大气中水汽发出的。大气中水汽卫星在吸收带测得的辐射主要是大气中水汽发出的。大气中水汽

46、含量越大，对其下发出的辐射吸收就越强，到达卫星的辐射就越小。含量越大，对其下发出的辐射吸收就越强，到达卫星的辐射就越小。将卫星测得的辐射转换成图象就得到水汽图，将卫星测得的辐射转换成图象就得到水汽图，通常在水汽图上色调通常在水汽图上色调愈白，表示水汽越多，色调越黑，水汽越少。愈白，表示水汽越多，色调越黑，水汽越少。四、卫星云图观测仪器卫卫星星观观测测地地球球大大气气系系统统可可以以是是主主动动式式；或或是是被被动动式式。但但是是由由于于主主动动式式仪仪器器体体积积大大，重重量量重重及及能能源源消消耗耗多多，所所以以卫卫星星主主要要采采用用体体积积小小重重量量轻轻和和耗耗能能少少的的被被动动式式

47、观观测测仪仪器器，可可分分为为摄摄象象机机和和辐辐射射计计两两类类，第第二二代代开开始始都都使使用用辐辐射射计计进进行行观观测测。辐辐射射计计分分为为扫扫描描式式和和非非扫扫描描式式，扫扫描描式式辐辐射射计计可可以以取取得得较较大大范范围围资资料料，而而非非扫扫描描式式辐辐射射计计常常只只能能对对卫星星下点部分观测。按卫星获得资料产品分，可分为卫星星下点部分观测。按卫星获得资料产品分，可分为:1成象型辐射计：有成象型辐射计：有较高地面分辨率和较高地面分辨率和大观测范围，测得大观测范围，测得的值常用来转换成的值常用来转换成图象，卫星云图都图象，卫星云图都是由这种辐射计取是由这种辐射计取得的。得的

48、。3成象和非成象混合成象和非成象混合型辐射计：近年来型辐射计：近年来静止卫星上使用的静止卫星上使用的仪器。这种辐射计仪器。这种辐射计光谱通道较多，一光谱通道较多，一些用于获取云图，些用于获取云图，另一些用于测量大另一些用于测量大气温度垂直分布。气温度垂直分布。2非成象型辐射计：非成象型辐射计：地面分辨率较低，地面分辨率较低，有扫描型或非扫描有扫描型或非扫描型，光谱通道较多，型，光谱通道较多，每个通道波长间隔每个通道波长间隔很窄，光谱分辨率很窄，光谱分辨率高。主要用于测量高。主要用于测量大气温度垂直分布大气温度垂直分布和大气成分。和大气成分。五、卫星云图的增强处理五、卫星云图的增强处理 卫卫星星

49、云云图图的的增增强强处处理理是是对对灰灰度度或或辐辐射射值值进进行行处处理理，通通过过灰灰度度的的变变换换，将将人人眼眼不不能能发发现现的的细细节节结结构构清清楚楚地地表表示示出出来来。例例如如积积雨雨云云团团，在在一一般般云云图图上上只只表表现现为为白白亮亮的的一一片片，增增强强后后可可将将云云顶顶的的结结构构显显示示出出来，进一步判断积雨云的活动状况。图象的增强分为：来，进一步判断积雨云的活动状况。图象的增强分为：1、反差增强、反差增强 反差增强又称对比度增强，它是使两个原来灰度差异很小的象素，扩大其灰度范围，也就是突出象点间的灰度差异，使黑的更黑，白的更白，从而区别它们。灰度的反差增强有

50、灰度的线性扩展、灰度的对数扩展、指数扩展和非线性扩展几种方式。2、分层增强、分层增强(或称密度分割或称密度分割)分层增强是将图象上的各灰度值，按需要将其进行合并或分解成若干灰度间隔(等级)，每一间隔赋于一个灰度值，这样每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。3、增强红外云图、增强红外云图 增强红外云图已广泛地应用于卫星云图分析业务中，它是一种半定量的资料，大大提高了卫星云图的使用价值，尤其在强雷暴，暴雨和台风的分析中更是显示了它的优越性守为了提高云图的增强效果，通常将反差增强与分层增强这两者结合一起同时进行。2007年年7月月17日重庆西部的区域特大暴雨增强红外云图日重庆西部的