[科普中國(guó)]-衛(wèi)星云圖

簡(jiǎn)介

人造衛(wèi)星對(duì)地球的觀測(cè)已經(jīng)成為當(dāng)今世界不可或缺的信息來(lái)源。氣象衛(wèi)星從太空不同的位置對(duì)地球表面進(jìn)行拍攝，大量的觀測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)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(jiàn)光云圖也可通過(guò)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(guò)計(jì)算機(jī)處理、編輯而成的假彩色動(dòng)態(tài)云圖畫面。1

衛(wèi)星云圖是地面接受到的來(lái)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(duì)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(diǎn)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(jiàn)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(duì)地球大氣進(jìn)行掃描探測(cè)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(duì)太陽(yáng)輻射的反射率強(qiáng)弱，白色表示反射率最強(qiáng)，黑色表示反射率最弱。掃描輻射儀探測(cè)到的衛(wèi)星云圖又分兩種：①用輻射儀測(cè)量云和不同性質(zhì)地表面對(duì)太陽(yáng)輻射可見(jiàn)光的某一波段（如0.52～0.73微米）的反射輻射強(qiáng)度時(shí)，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(jiàn)光云圖。②用輻射儀測(cè)量在大氣窗區(qū)波段（8.5 ～11微米）來(lái)自云頂或地表面放射的紅外輻射。這種觀測(cè)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(lái)測(cè)量云層之溫度。其中，溫度低的云層會(huì)以亮白色來(lái)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?yàn)樵浇咏孛娴脑茖訙囟仍礁?。?jiǎn)單而言，即以云頂?shù)牟煌瑴囟葋?lái)判斷云層的高度。

紅外云圖，是氣象衛(wèi)星上的掃描輻射計(jì)利用紅外輻射通道感測(cè)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?，因而也反映了云頂?shù)母叨?。一般溫度越低，高度越高的云層，圖上的色調(diào)過(guò)白，反之色調(diào)越黑。由于紅外遙感可以晝夜感測(cè)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(jiàn)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(jiàn)光云圖。實(shí)際上要把兩者結(jié)合起來(lái)使用，互相取長(zhǎng)補(bǔ)短，從而獲得了廣泛的應(yīng)用。

可見(jiàn)光衛(wèi)星云圖可見(jiàn)光衛(wèi)星云圖利用云頂反射太陽(yáng)光的原理制成，故僅能于白晝進(jìn)行攝影?？梢?jiàn)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(qiáng)，在可見(jiàn)光衛(wèi)星云圖上，會(huì)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(lái)，做出更準(zhǔn)確的分析。

可見(jiàn)光云圖，是氣象衛(wèi)星上的掃描輻射計(jì)（早期用的是電視攝象機(jī)）用可見(jiàn)光通道感測(cè)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(qiáng)弱?？梢?jiàn)光云圖在研究云團(tuán)、云系等的移動(dòng)和發(fā)展方面，在監(jiān)測(cè)臺(tái)風(fēng)和其他天氣系統(tǒng)的發(fā)生、發(fā)展及移動(dòng)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(jiàn)光波段所拍，其亮度和色調(diào)取決于云的性質(zhì)和太陽(yáng)高度角，同肘夜間又拍不到，故受到一定的限制。

色調(diào)強(qiáng)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(duì)對(duì)流云所設(shè)計(jì)，主要目的為突顯對(duì)流現(xiàn)象。對(duì)流越強(qiáng)，云頂發(fā)展越高，云頂溫度越冷（詳細(xì)請(qǐng)參考資料來(lái)源所提供之連結(jié)）。

可見(jiàn)光和紅外云圖還同時(shí)提供了大量無(wú)云覆蓋區(qū)的地面信息?？梢?jiàn)光云圖可反映地表裸地、巖石、森林、作物、草場(chǎng)、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(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的許多方面，如作物產(chǎn)量預(yù)報(bào)，森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)，海洋漁區(qū)的確定等。 2

識(shí)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(cè)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(qiáng)，天氣越晴好。當(dāng)某地上空為云、雨覆蓋，衛(wèi)星觀測(cè)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(qiáng)度也就很大。晴空區(qū)與云雨區(qū)之間的過(guò)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(wú)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(jiàn)光云圖是利用云滴和冰晶等對(duì)陽(yáng)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(yáng)光反射強(qiáng)，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(jiàn)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(gè)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(jiàn)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(lái)使用。1

應(yīng)用由氣象衛(wèi)星自上而下觀測(cè)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(shí)別不同的天氣系統(tǒng)，確定它們的位置，估計(jì)其強(qiáng)度和發(fā)展趨勢(shì)，為天氣分析和天氣預(yù)報(bào)提供依據(jù)。通過(guò)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(shí)別云的種、屬及降水狀況。可以識(shí)別大范圍的云系，如螺旋狀、帶狀、逗點(diǎn)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(wú)云的區(qū)域，推斷反氣旋和高空高壓脊的位置。也可以識(shí)別局地強(qiáng)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(cè)次數(shù)(如隔30分鐘一次)，可以監(jiān)測(cè)局地強(qiáng)風(fēng)暴的活動(dòng)，用以制作即時(shí)天氣預(yù)報(bào)和警報(bào)。對(duì)于氣象臺(tái)站稀少的廣闊洋面、高原、荒漠和極地地區(qū)來(lái)說(shuō)，衛(wèi)星云圖是很珍貴的探測(cè)資料，這對(duì)提高預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率起了重要作用。在氣象臺(tái)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(cè)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(gè)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(cè)的瞬時(shí)視場(chǎng)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(lái)。第三代業(yè)務(wù)衛(wèi)星的可見(jiàn)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(jiàn)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(shí)在衛(wèi)星紅外云圖分析時(shí)需要知道云頂?shù)臏囟?，例如，在估?jì)對(duì)流云的降水量分布時(shí)，需要知道低溫的云區(qū)范圍。衛(wèi)星云圖的增強(qiáng)顯示裝置，可以將紅外云圖顯示成7～9個(gè)不同黑白色調(diào)的圖像，其中每一色調(diào)表示一個(gè)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(shí)為了某種特殊需要，也可使用此裝置將某一個(gè)或某幾個(gè)溫度范圍的區(qū)域顯著地突出出來(lái)。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(jiàn)的云型。其中臺(tái)風(fēng)的渦旋云系 由一條條從臺(tái)風(fēng)外向臺(tái)風(fēng)中心旋入的螺旋云帶組成。對(duì)強(qiáng)度較大的臺(tái)風(fēng)，其臺(tái)風(fēng)眼在衛(wèi)星云圖上表現(xiàn)為一黑色小圓點(diǎn)。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(zhǎng)，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(diǎn)符號(hào)逗點(diǎn)“，”的形狀，這種云型稱作逗點(diǎn)云系。當(dāng)強(qiáng)寒潮南下到洋面時(shí)，在鋒面云帶的后面會(huì)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(diǎn)處有更強(qiáng)烈的對(duì)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(qiáng)度的關(guān)系來(lái)識(shí)別天氣系統(tǒng)，確定其位置，估計(jì)它們的強(qiáng)度，并判斷它們未來(lái)的移動(dòng)、演變趨勢(shì)。

研究發(fā)展自20世紀(jì)60年代發(fā)展起來(lái)的氣象衛(wèi)星遙感是氣象探測(cè)技術(shù)的重大突破。它所提供的氣象衛(wèi)星云圖資料在時(shí)間和空間上的連續(xù)性是以往任何探測(cè)手段所不能比擬的。氣象衛(wèi)星云圖在天氣預(yù)報(bào)的制作和大氣環(huán)境的監(jiān)測(cè)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(shí)也有礙于天氣預(yù)報(bào)制作的科學(xué)化、自動(dòng)化與定量化的發(fā)展趨勢(shì)。因此；氣象衛(wèi)星云圖中的氣象信息(如云的分類識(shí)別及臺(tái)風(fēng)的分割和定位)的自動(dòng)提取和定量判別及其計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)是當(dāng)今世界氣象衛(wèi)星云圖信息處理的主流。我國(guó)在2004年10月升空的FY-2C衛(wèi)星(中國(guó)第一顆業(yè)務(wù)型靜止軌道氣象衛(wèi)星)從觀測(cè)中國(guó)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(guó)產(chǎn)的FY-2C氣象衛(wèi)星云圖進(jìn)行云的分類識(shí)別及臺(tái)風(fēng)的分割和定位的探索一直是人們關(guān)注的熱點(diǎn)。4