民用航空气象地面观测规范第15章 卫星云图的基本知识

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第十五章 卫星云图的基本知识

第十五章 卫星云图的基本知识

第一节 极地轨道气象卫星与静止气象卫星

一、气象卫星的概况

按照气象卫星的轨道倾角可以将卫星轨道分为前进轨道、后退轨道、赤道轨道和极地轨道四种。

极地轨道气象卫星是指太阳同步极地轨道气象卫星，卫星的轨道平面与太阳始终保持固定的取向。它绕地球极地轨道运行而与太阳同步，运行高度一般在1000千米左右，运行周期约两小时。由于太阳同步卫星的轨道近于圆形，轨道的预告、资料的接收定位处理十分方便；太阳同步轨道卫星可以观测全球，尤其是可以观测到极地地区；在观测时有合适的照明，可以得到稳定的太阳能，保障卫星正常工作。虽然太阳同步卫星可以获取全球资料，但是时间分辨率低；相临两条轨道的观测资料不是同一时刻的，需要进行同化。

静止气象卫星是指地球同步轨道气象卫星。它在地球赤道上空静止轨道运行，与地球处于相对静止状态。静止气象卫星的高度高，视野广阔，运行高度约35860千米，每隔30分钟或1小时，就可对大气层完成一次近1亿7千万平方千米面积的观测；可以监视天气云系的连续变化，特别是生命史短、变化快的中小尺度灾害性天气系统。静止气象卫星的缺点是不能观测南北极区，同时对卫星观测仪器的要求高。

1988年9月7日我国发射了第一颗近极地太阳同步轨道气象卫星，命名为FY-1A。2002年5月15日发射了第四颗近极地太阳同步轨道卫星，命名为FY-1D。1997年6月10日我国发射了第一颗静止气象卫星，命名为FY-2A。2004年10月19日，我国成功发射了第三颗静止气象卫星，命名为FY-2C。 二、卫星探测的特点

（一）气象卫星在固定轨道上对地球大气进行观测

气象卫星一旦进入轨道，便只能在固定的轨道上观测地球大气。当卫星选用一定的轨道，则观测范围和区域就一定，所以对于一定的观测目的，轨道的选择是十分重要的。

（二）气象卫星可实现全球和大范围观测

气象卫星在离地面几百千米到几万千米的宇宙空间，它不受国界和地理条件的限制，可对地球大气进行大范围的观测。如地球静止气象卫星一般位于3.6万千米高空对某一固定区域进行观测，观测面积可达地球面积的1/3。海洋、沙漠和

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高原地区都可以从卫星探测获取气象资料，从而深入了解全球大气活动；

（三）在空间自上而下观测

气象卫星在空间自上而下观测地球大气，这与地面观测是不同的。如对云的观测，卫星观测到的是云顶的特征。在有几层云时，卫星首先观测到的是高云；若高云很薄，则可透过高云看到中低云；如果高云很厚就无法看到中低云。

（四）气象卫星采用遥感探测方式

气象卫星采用遥感的方法获取大气和地面目标物的特性。遥感探测具有观测速度快、项目多、信息量大和测量系统不干扰被测目标物，以及资料代表性好等优点。

（五）有利于新技术的发展和推广应用

第二节 卫星观测的基本原理

一、可见光云图的基本原理

可见光云图（图15-1）是卫星接受地面和云区反射的太阳辐射转化而得到的图像。可见光图上的色调决定于反射太阳辐射的强度（与物体的反照率和太阳高度角有关）。反照率越大，色调越白；反照率越小，色调越暗。太阳高度角越大，光照条件越好，卫星接受到的反射太阳辐射也越大，否则越小。云区越厚，色调越白。但是可见光云图只有在白天才能收到。



图15－1 2002年8月4日16：30（北京时）可见光云图

二、红外云图的基本原理

卫星接受云区和地面本身的红外辐射总量，用图像表示出来，即为红外云图（例图15-2）。它反映了地面和云面的红外辐射或亮度温度分布。在红外云图上，色调越暗，温度越高，卫星接收到的红外辐射越大；色调越浅，温度越低，辐射越小。

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图15－2 2002年8月4日16：30（北京时）红外云图

三、水汽云图的基本原理

卫星接收以6.7微米为中心的水汽强吸收带发出的辐射，用图像表示出来，即为水汽云图（例图15-3）。水汽图中，色调越白，水汽含量越高；色调越暗，水汽含量越低。



图15－3 2002年8月4日16：30（北京时）水汽云图

四、可见光云图和红外云图的比较

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,所以这两种云图,有一些外貌上相差很大,但也有些十分相似。表15-1给出了这两种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，由于决定物像的因素很多，所以如仅仅按照表中的色调判别是不够的。

表15－1 可见光云图与红外云图的比较图表

红 外

黑 太阳耀斑

夏季沙漠（白）

干土壤 暖湿地 暖海洋

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云 深 图 灰

层灰 （厚）

雾（厚） 淡高层云（厚） 灰 浓积云

密卷云，多层云 白

积雨云，卷云砧 高山积雪，极地冰雪

白

层 云积

云

沙漠（白） 晴天积云

沙漠（夜间）

晴天积云 卷层云（薄）

纤维状卷云

湿土壤

青藏高原 高山森

林 冷海洋

纤维状卷云 高层高层云

（薄）

单独厚卷云 卷云 卷层云

云砧

淡灰

灰

深灰

单独薄卷宇宙空

间



黑

消失中的卷云

可 见 光 云 图

第三节 云图的识别

一、识别云图的基本判据

在卫星云图上，云的识别可根据以下六个基本特征来判别：结构型式、范围大小、边界形状、色调、暗影和纹理。

（一）结构型式

结构型式是指卫星云图上不同明暗程度的物像点的分布样式。这些物像点或是散乱分布，或是有组织分布，组成一定的形状。在云图上云的结构型式有带状、涡旋状、块状、细胞状和波状等。例如：气旋和台风云系是涡旋状结构；锋面、急流云系常表现为带状；孤立的对流云常表现为豆状或块状。

（二）范围大小

卫星云图上云的类型不同，范围也不同。如气旋、锋面云系和急流云系往往有几千公里，而一般的对流单体仅仅有十几到几十公里。因此云图中云区的范围大小可用来区分云单体、不同尺度云系，结合型式可推断云形成的物理过程；根据云区的大小，可识别出孤立的单体和云系。

（三）边界形状

云图上云的边界有的呈直线形、圆形、扇形；有的呈气旋性弯曲、也有呈反气旋性弯曲；有的云（如层云和雾）的边界十分整齐光滑，有的云（积云和浓积云）的边界则很不整齐。不同云的边界有不同的特征，所以云的边界形状是识别云的重要依据之一。

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（四）色调

色调有时也称亮度或灰度，它是指云图上的物像的明暗程度。可见光图上的色调与物体的反照率及太阳高度角有关。云的厚度越厚，反照率越大，色调越白。

在红外云图上，色调表示辐射面温度的高低。根据色调，可分析地表温度的高低和高、中、低云的分布状况。色调越白，云顶就越高；反之温度越高色调越暗，云顶越低。

（五）暗影

暗影只在可见光图上出现，它是在一定太阳高度角下，高的目标物在低的目标物上的投影。根据暗影可以识别物体的相对高度及云的类别。云越厚、云顶越高，暗影越宽；暗影的宽度与太阳高度角有关，太阳高度角越低，迎太阳一侧云的色调越明亮，背太阳光一侧出现暗影。在分析暗影时要将云的裂缝与暗影分开。

（六）纹理

纹理表示了云顶表面的光滑程度。云的种类和厚度不同，云顶表面光滑度不同。如果云的纹理光滑均匀，说明云的云顶高度和厚度相差小，如层云和雾；如果云的纹理多皱纹和斑点，说明云顶高度不一，多起伏，这是积状云的特征；而纤维状是卷状云的特征。 二、几种云的简单识别

（一）卷状云

一般卷状云高度较高，温度低，较厚（薄）的卷云在红外图上通常为白（灰白）色，纹理均匀，边界多为纤维状。由冰晶组成，由于反照率低，对可见光具有透明性。所以可见光图中为深灰到浅白色，云体较薄时，可见光图中无显示。水汽图上呈白色。

在卫星云图上，卷云分为：卷层云、纤维状卷云、卷云砧和密卷云。 （二）积雨云

积雨云在卫星云图上常呈团状结构，称为云团；色调在红外、可见光或水汽云图中均为最白；初生时边界整齐光滑，发展和成熟阶段时下风方出现卷云羽；纹理在红外云图及水汽图上比较均匀，可见光图上呈多皱纹和斑点；积雨云云顶高，有暗影，但是积雨云在夏季最活跃，这时除早晚时刻，太阳高度角大，暗影并不是时时都明显。在增强红外图上，可以看到明显的回波核，此处对流强度最大。

（三）中云（高层、高积云）

在卫星云图上，由于高积云单体远小于卫星仪器的分辨率，无法将高积云与高层云区别开来，只能将高积云和高层云统称为中云。

中云在卫星云图上表现为一大片，其型式可以是涡旋状、带状、线状和逗点状；大多数中云出现在卷云下面，如果卷云下面有中云，则其色调更白一些；在

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红外云图上，中云的色调介于高云和低云之间的中等程度灰色，对于较厚的中云色调呈浅灰色。

（四）积云、浓积云

海洋面上积云和浓积云常表现为线状、开口细胞状等结构型式；陆地丘陵山地积云和浓积云呈离散分布型式。积云浓积云无论在可见光云图还是在红外云图上，表现为多斑点、皱纹，为不均匀的纹理；边界不整齐不光滑；在可见光云图上呈白色，在红外云图上由于积云浓积云的高度参差不齐，云顶温度有差异，色调也不一致。

（五）低云

在冬季洋面冷锋后或副热带高压的东南象限，层积云常表现为球状的闭合细胞状云系；在海洋上，水汽丰富，层积云一般密蔽天空，云顶均匀，在可见光云图上呈白色，在陆地，层积云反照率低，呈断裂的、稀疏分布，表现为灰色。在红外云图上，层积云表现为深灰到灰色，可与中云区分开来。

卫星云图上层云和雾特征相似，纹理均匀，边界清晰；由于接近地面，温度相对较高，红外图中为暗灰色，而可见光中为白色。

在可见光云图上，雨层云从白到灰白不等，当太阳高度角较低时，可以在雨层云中见到纹线，通常雨层云出现于锋面云系中，在热带季风云系中也可以见到。在红外云图上雨层云表现为均匀的灰色到白色。

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