[科普中國]-衛(wèi)星云圖

簡介

人造衛(wèi)星對地球的觀測已經(jīng)成為當(dāng)今世界不可或缺的信息來源。氣象衛(wèi)星從太空不同的位置對地球表面進(jìn)行拍攝，大量的觀測數(shù)據(jù)通過衛(wèi)星傳回地面工作站；再合成精美的云圖照片。人們既可以接收可見光云圖也可通過使用合適的感光儀器接收到其它波段的衛(wèi)星照片如紅外云圖。目前，電視節(jié)目中通常使用的云圖，就是紅外云圖通過計算機(jī)處理、編輯而成的假彩色動態(tài)云圖畫面。1

衛(wèi)星云圖是地面接受到的來自氣象衛(wèi)星的云況圖片。按氣象衛(wèi)星飛行的軌道，可分為極地軌道氣象衛(wèi)星云圖和對地靜止軌道氣象衛(wèi)星云圖兩種。前者連續(xù)的圖片是不同地點上的云況；后者連續(xù)的圖片代表衛(wèi)星下方同一范圍云的連續(xù)情況。按氣象衛(wèi)星取得云況的儀器不同，可分為可見光衛(wèi)星云圖和紅外衛(wèi)星云圖。

分類根據(jù)衛(wèi)星上儀器裝置的不同，衛(wèi)星云圖可以分成兩類:一類是由衛(wèi)星上電視照相機(jī)所拍攝的云圖,即電視云圖；另一類是由輻射儀對地球大氣進(jìn)行掃描探測得到的云圖。在電視云圖上，圖像的黑白程度表示地表面和各類云對太陽輻射的反射率強弱，白色表示反射率最強，黑色表示反射率最弱。掃描輻射儀探測到的衛(wèi)星云圖又分兩種：①用輻射儀測量云和不同性質(zhì)地表面對太陽輻射可見光的某一波段（如0.52～0.73微米）的反射輻射強度時，由于不同種類的云和不同的地表的反射能力不同，可以得到一張與電視云圖相似的云圖。這種云圖和電視云圖一起，統(tǒng)稱作可見光云圖。②用輻射儀測量在大氣窗區(qū)波段（8.5 ～11微米）來自云頂或地表面放射的紅外輻射。這種觀測值可以轉(zhuǎn)換成云頂或地表面的輻射溫度，用黑白層次表示溫度的高低，由此得到一張由云和不同性質(zhì)地表面的分布圖像。這種圖像稱作紅外云圖。

紅外線衛(wèi)星云圖紅外線衛(wèi)星云圖利用衛(wèi)星上之紅外線儀器，來測量云層之溫度。其中，溫度低的云層會以亮白色來顯示，也就是此處的云層較高，而暗灰色的部分則代表云層高度較低，因為越接近地面的云層溫度越高。簡單而言，即以云頂?shù)牟煌瑴囟葋砼袛嘣茖拥母叨取?/p>

紅外云圖，是氣象衛(wèi)星上的掃描輻射計利用紅外輻射通道感測并向地面站發(fā)送的云圖，其亮度大致反映了云層頂?shù)臏囟龋蚨卜从沉嗽祈數(shù)母叨?。一般溫度越低，高度越高的云層，圖上的色調(diào)過白，反之色調(diào)越黑。由于紅外遙感可以晝夜感測并向地面站發(fā)送云圖，并可分析高云和云頂溫度，提供了可見光云圖不能提供的大量信息，但紅外云圖的分辨率低于可見光云圖。實際上要把兩者結(jié)合起來使用，互相取長補短，從而獲得了廣泛的應(yīng)用。

可見光衛(wèi)星云圖可見光衛(wèi)星云圖利用云頂反射太陽光的原理制成，故僅能于白晝進(jìn)行攝影。可見光衛(wèi)星云圖可顯示云層覆蓋的面和厚度，比較厚的云層反射能力強，在可見光衛(wèi)星云圖上，會顯示出亮白色，云層較薄則顯示暗灰色，還可與紅外線衛(wèi)星云圖結(jié)合起來，做出更準(zhǔn)確的分析。

可見光云圖，是氣象衛(wèi)星上的掃描輻射計（早期用的是電視攝象機(jī)）用可見光通道感測并向地面站發(fā)送的衛(wèi)星云圖，圖上亮度明暗反映了云的反照率的強弱?？梢姽庠茍D在研究云團(tuán)、云系等的移動和發(fā)展方面，在監(jiān)測臺風(fēng)和其他天氣系統(tǒng)的發(fā)生、發(fā)展及移動方面，均獲得廣泛應(yīng)用，并取得較好成效。但由于云圖是利用可見光波段所拍，其亮度和色調(diào)取決于云的性質(zhì)和太陽高度角，同肘夜間又拍不到，故受到一定的限制。

色調(diào)強化衛(wèi)星云圖 亦是屬于紅外線衛(wèi)星云圖的一種，其為針對對流云所設(shè)計，主要目的為突顯對流現(xiàn)象。對流越強，云頂發(fā)展越高，云頂溫度越冷（詳細(xì)請參考資料來源所提供之連結(jié)）。

可見光和紅外云圖還同時提供了大量無云覆蓋區(qū)的地面信息?？梢姽庠茍D可反映地表裸地、巖石、森林、作物、草場、湖泊等不同覆蓋物的反照車特性，而紅外則可反映地表和海洋表面的熱力學(xué)溫度。因此云圖也被廣泛應(yīng)用于社會經(jīng)濟(jì)活動的許多方面，如作物產(chǎn)量預(yù)報，森林火災(zāi)監(jiān)測，海洋漁區(qū)的確定等。 2

識別方法在黑白紅外衛(wèi)星云圖照片中，我們看到有些地方呈白色，有些地方呈黑色，而另一些地方卻呈灰色等等。那么這些顏色都有些什么含義呢? 我們知道，如果地球表面是一片晴空區(qū)，衛(wèi)星觀測到的是從地面發(fā)射到太空的紅外輻射信息，衛(wèi)星云圖上表現(xiàn)為綠色。綠色越深，表示地面輻射越強，天氣越晴好。當(dāng)某地上空為云、雨覆蓋，衛(wèi)星觀測到的則是從云頂發(fā)向太空的紅外輻射，表現(xiàn)為白色或灰白色。白色表示地面輻射很弱，氣溫很低，云系

很厚密，降雨強度也就很大。晴空區(qū)與云雨區(qū)之間的過渡帶通常為深灰、灰、淺灰色云系覆蓋，表示有不同厚度的云而無明顯降水。在電視顯示的衛(wèi)星云圖上，地表和海洋常用綠色和藍(lán)色表示。

由氣象衛(wèi)星從太空攝得的可見光云圖是利用云滴和冰晶等對陽光的粗粒散射而產(chǎn)生的散射光拍攝而成。云圖上白色表示太陽光反射強，灰黑的地方表示反射較弱。由于陸地的反射能力比海洋高，所以可見光云圖上的陸地表現(xiàn)為灰色，海洋表現(xiàn)為黑色，而冰雪和深厚云系覆蓋的地區(qū)一般呈白色。

使用紅外云圖的一個好處是它能不分晝夜地提供云蓋和氣團(tuán)溫度信息，而可見光云圖只有白天的資料可用。

當(dāng)然，要準(zhǔn)確地解釋衛(wèi)星云圖包含的信息，最好是兩種云圖結(jié)合起來使用。1

應(yīng)用由氣象衛(wèi)星自上而下觀測到的地球上的云層覆蓋和地表面特征的圖像。各種不同尺度天氣系統(tǒng)的云區(qū)和各種不同的地表特征，在這種圖像上都有其特定的色調(diào)、范圍大小和分布形式。利用衛(wèi)星云圖可以識別不同的天氣系統(tǒng)，確定它們的位置，估計其強度和發(fā)展趨勢，為天氣分析和天氣預(yù)報提供依據(jù)。通過衛(wèi)星云圖圖象的形態(tài)、結(jié)構(gòu)、亮度和紋理等特征，可以識別云的種、屬及降水狀況?？梢宰R別大范圍的云系，如螺旋狀、帶狀、逗點狀、波狀、細(xì)胞狀等，并用以推斷鋒面、溫帶氣旋、熱帶風(fēng)暴，高空急流等大尺度天氣系統(tǒng)的位置和特征。根據(jù)晴空無云的區(qū)域，推斷反氣旋和高空高壓脊的位置。也可以識別局地強風(fēng)暴，如雷暴、颮線等中小尺度天氣系統(tǒng)，若指令衛(wèi)星加密探測次數(shù)(如隔30分鐘一次)，可以監(jiān)測局地強風(fēng)暴的活動，用以制作即時天氣預(yù)報和警報。對于氣象臺站稀少的廣闊洋面、高原、荒漠和極地地區(qū)來說，衛(wèi)星云圖是很珍貴的探測資料，這對提高預(yù)報準(zhǔn)確率起了重要作用。在氣象臺站較密的地區(qū)，所給出的圖象也較為完整系統(tǒng)，為其它觀測方法所不能替代。從衛(wèi)星云圖上發(fā)現(xiàn)了一些新的云系；如細(xì)胞狀云系、云街、熱帶云團(tuán)等。3

分辨率圖像資料的分辨率高低是衡量衛(wèi)星云圖質(zhì)量高低的一個重要指標(biāo)。按照衛(wèi)星上電視照相機(jī)的精度和掃描輻射儀觀測的瞬時視場大小，分成低分辨率和高分辨率云圖兩種。分辨率高，云中細(xì)小結(jié)構(gòu)能表示出來。第三代業(yè)務(wù)衛(wèi)星的可見光和紅外掃描輻射儀的分辨率都是 1.1公里。在1972年以前極軌氣象衛(wèi)星分辨率低，可見光和紅外通道的分辨率分別是4公里和8公里。

圖像處理有時在衛(wèi)星紅外云圖分析時需要知道云頂?shù)臏囟?，例如，在估計對流云的降水量分布時，需要知道低溫的云區(qū)范圍。衛(wèi)星云圖的增強顯示裝置，可以將紅外云圖顯示成7～9個不同黑白色調(diào)的圖像，其中每一色調(diào)表示一個確定的溫度范圍，由此可以看出云頂溫度（或云頂高度）的分布。有時為了某種特殊需要，也可使用此裝置將某一個或某幾個溫度范圍的區(qū)域顯著地突出出來。如果將這種裝置的黑白顯示器改為彩色顯示器，就可以得到不同顏色表示不同溫度范圍的彩色云圖，叫做偽彩色云圖。

圖像分析在衛(wèi)星云圖上，不同的天氣系統(tǒng)表現(xiàn)為不同特征的云型。鋒面的云型呈氣旋性彎曲的分布，這類云型稱作鋒面云帶。高空急流的云型呈帶狀,它是由卷云組成的,極地一側(cè)光滑清晰,并呈反氣旋性彎曲的云帶,稱作急流云帶。急流軸位于云系的極地一側(cè)光滑的邊界處。渦旋云系是另一類在衛(wèi)星云圖上常見的云型。其中臺風(fēng)的渦旋云系 由一條條從臺風(fēng)外向臺風(fēng)中心旋入的螺旋云帶組成。對強度較大的臺風(fēng)，其臺風(fēng)眼在衛(wèi)星云圖上表現(xiàn)為一黑色小圓點。高空切斷低壓的云型表現(xiàn)為一條上百公里寬，幾千公里長，氣旋式旋向中心的渦旋云型。在中高緯度洋面上高空槽的云系表現(xiàn)成標(biāo)點符號逗點“，”的形狀，這種云型稱作逗點云系。當(dāng)強寒潮南下到洋面時，在鋒面云帶的后面會出現(xiàn)由積云組成的環(huán)狀、半環(huán)狀和白球狀的大片云系，這種云型分別叫做開口細(xì)胞狀云系和閉口細(xì)胞狀云系。在細(xì)胞狀云系后面是許多短的細(xì)積云線，它們都排列成西北—東南走向或南北走向，這種云型稱作云街。云街的走向和低空（地面至5公里）風(fēng)的鉛直切變方向一致。在衛(wèi)星云圖上雷暴高壓的外圍表現(xiàn)成一條弧狀的云線，這種云型稱作弧狀云線。一條弧狀云線與另一條云線或云帶相交的交點處有更強烈的對流發(fā)展。 氣象人員可根據(jù)這些云型特征，以及它們同某些氣象要素、天氣系統(tǒng)的位置和強度的關(guān)系來識別天氣系統(tǒng)，確定其位置，估計它們的強度，并判斷它們未來的移動、演變趨勢。

研究發(fā)展自20世紀(jì)60年代發(fā)展起來的氣象衛(wèi)星遙感是氣象探測技術(shù)的重大突破。它所提供的氣象衛(wèi)星云圖資料在時間和空間上的連續(xù)性是以往任何探測手段所不能比擬的。氣象衛(wèi)星云圖在天氣預(yù)報的制作和大氣環(huán)境的監(jiān)測中，更是發(fā)揮了極其重要的作用。但是；傳統(tǒng)的人工目視判讀仍是氣象衛(wèi)星云圖分析的主要方式之一。這既包含一定程度的主觀因素，又不利于衛(wèi)星云圖的豐富信息的充分提取和最大利用，同時也有礙于天氣預(yù)報制作的科學(xué)化、自動化與定量化的發(fā)展趨勢。因此；氣象衛(wèi)星云圖中的氣象信息(如云的分類識別及臺風(fēng)的分割和定位)的自動提取和定量判別及其計算機(jī)實現(xiàn)是當(dāng)今世界氣象衛(wèi)星云圖信息處理的主流。我國在2004年10月升空的FY-2C衛(wèi)星(中國第一顆業(yè)務(wù)型靜止軌道氣象衛(wèi)星)從觀測中國大陸、海區(qū)的最佳的靜止衛(wèi)星軌道(東經(jīng)105°赤道上空)發(fā)回的云圖提供了大范圍、全天候的云的生消聚散的信息。因此；利用國產(chǎn)的FY-2C氣象衛(wèi)星云圖進(jìn)行云的分類識別及臺風(fēng)的分割和定位的探索一直是人們關(guān)注的熱點。4