气象卫星

  在卫星上携带各种气象观测仪器测量诸如温度、湿度、云和辐射等气象要素以及各种天气现象,这种专门用于气象目的的卫星称作气象卫星。

  按卫星轨道分,气象卫星可以分为两类: 

风云1号气象卫星

  (1)极地太阳同步轨道卫星:其卫星的轨道平面与太阳始终保持相对固定的取向,卫星几乎以同一地方时经过世界各地。

  (2)地球同步气象卫星,又称静止气象卫星。卫星相对某一区域是不动的。因而由静止气象卫星可连续监视某一固定区域的天气变化。

  根据气象卫星的目的还分为试验卫星,主要对各种气象卫星遥感仪器、新的技术进行试验,待试验成功后转到业务气象卫星上使用业务卫星,这种卫星带有各种成熟的设备和技术,获取各种气象资料,为天气预报和大气科学研究服务。

风云1号气象卫星

飞行中的风云1号气象卫星

  这是中国第一代准极地太阳同步轨道气象卫星。卫星发射二颗,分别为FY-1A和FY -1B,于1988年9月7日和1990年9月3日用长征四号火箭发射,卫星本体是1.4×1.4× 1.2米的六面体,星体外侧对称安装六块太阳帆板,卫星总长度为8.6米,星重750千克,三轴定向稳定,卫星高900公里,倾角99°,周期10286分钟,每天卫星绕地球为14圈。卫星携带多光谱可见光红外扫描辐射仪,它有五个通道,用于获取昼夜可见光、红外云图,冰雪覆盖、植被、海洋水色、海面温度等。卫星资料发送方式有:甚高分辨率传输 (HRPT),低分辨率图象传送(APT)和延迟图象传输(DPT)。首颗 FY-1A卫星入轨后获取了大量高质量云图资料。由于姿态失控,卫星工作了39天;FY- 1B卫星的姿态控制系统比FY─1A有明显改善,但系统的可靠性有待进一步改进。

卫星探测的分辨率

  是指卫星仪器能区分两个物体的最小距离。表示卫星探测分辨率通常有三个参数: ①空间分辨率:这是指卫星在某一瞬时观测到地球的最小面积,这最小面积又称象元(或象素)。从卫星到这最小面积间构成的空间立体角称瞬时视场。卫星的空间分辨率与卫星的高度有关,卫星高度越高,分辨率越低,而且与卫星视角有关,视角越倾斜,观测面积越大,分辨率就差。

卫星探测的视场和分辨率

  (1) 灰度分辨率:在卫星云图上,如果两个邻接瞬时视场内目标物的反照率或温度相等,则其色调一样,无法区别它们。但是当这两个瞬时视场目标物的反照率或温度有差异,并达到一定数值时,这两个视场就可以被分辨,这个能分辨的最小温度差或反照率差异称做灰度分辨率。

  (2) 时间分辨率:指卫星对某一观测区域进行一次观测的时间间隔。静止气象卫星对固定区域每隔半小时进行一次观测,具有很高的时间分辨率。

可见光云图

可见光云图

  可见光是波长从0.35~0.80μm很狭窄的波段。卫星在可见光谱段测量来自地面云面反射的太阳辐射,将卫星接收的这种辐射转换为图象称为可见光云图。卫星在可见光谱段选用的波长间隔有:0.52~0.75μm和0.58~0.68μm。卫星在可见光波段接收辐射与物体的反照率和太阳的天顶角有关,若太阳天顶角越小,物体的反照率越大,则卫星接收到的辐射越大,反之则越小。在可见光云图上,辐射越大,色调越白;辐射越小,色调越暗。通常云层越厚,反照率越大,色调也越白,而水面,象湖泊、海洋的反照率很小,表现为黑色,陆地反照率比海洋略大,表现为灰色,而潮湿或森林覆盖的地区表现为灰暗的色调。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。

红外云图

红外云图

  卫星在10.5~12.5微米测量地表和云面发射的红外辐射,将这种辐射以图象表示就是红外云图。在红外云图上物体的色调决定其自身的温度,物体温度越高,发射的辐射越大,色调越暗,红外云图是一张温度分布图。由于大气有吸收及物体发射率不完全为1,卫星接收到的红外辐射要比实际表面温度发射的黑体辐射要小,故严格地说,红外云图是一张亮度温度分布图。地面的温度一般较高,呈现较暗的色调;由于大气的温度随高度是递减的,故云顶高而厚的云,其温度低呈白的色调。低云的云顶温度较高,与地面相近,故在红外云图上不容易识别。由于各类云的云顶温度的差异较大,在红外云图上可以识别各种高度的云。此外,地表的温度随季节、纬度、海陆分布及其本身的热惯量而不同,所以在红外云图上的色调亦不同。在电视显示的红外云图上,地表以绿色表示,以与云相区分开。

水汽图

水汽图

  卫星选用6-7μm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,又以自身较低的温度发射红外辐射。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,则卫星接收的辐射越大。在水汽图上,色调越白,辐射越小,水汽越多;否则越少。对于6-7μm水汽带,卫星测得的辐射来自对流层中上层,故水汽图反映大气上层水汽的空间分布。

 

 

增强红外云图

  这是对灰度或辐射值进行变换处理,将人眼不能发现的细节结构清楚地显示出来,如积雨云在云图上表现为一片白色,通过增强处理后可将云顶结构显示出来,能准确地确定积雨云的强度,强对流中心位置。红外云图的增强处理是将图象上的灰度值,按需要进行合并或分解为若干灰度间隔(等级),每一间隔赋予一个灰度值。

被动微波遥感

  微波辐射通常指1毫米到30厘米波长范围的辐射。自然界里许多物体都能发射和吸收微波辐射。气象卫星携带的微波探测器测量地表或大气发射的微波辐射,由此推测物体的各种特性的技术称被动微波遥感。在大气中,水汽在波长λ=13.5毫米(22.235千兆赫)、1.6毫米(183.34千兆赫);氧在波长λ=5毫米(50~70千兆赫)、2.3 毫米(118.7千兆赫)处有强烈吸收和发射微波辐射。

  微波辐射具有穿透云雾、降水的 能力,可以测定云下物体发射的辐射,具有全天候、全天时的工作能力。由微波辐射计 接收大气中水汽、氧等气体发射的微波辐射,并经反演处理能得到大气中温度、湿度、 降水等气象要素。

卫星云图识别云的判据

  在卫星云图上识别云的判据有六个:

可见光云图上各类云特征

  (1) 结构型式:是指不同明暗程度物象点的分布式样,如高层高积云常表现为带状、涡旋状等,开口细胞状云系是由积云浓积云组成等。
  (2) 范围大小:是指云系的分布尺度,由云系尺度可以推断形成云的物理过程,尺度小的云系常与中小尺度天气系统相关;尺度大的则与大尺度的天气系统联系。
  (3) 边界形状:不同类型的云,边界不尽相同,如积云浓积云边界不整齐,层云(雾)边界较整齐。
  (4) 色调:是指物象的亮度。可见光云图上云的色调与云厚和云的成分有关,红外云图上则与云顶温度相关。
  (5) 暗影:是指在一定太阳高度角下,高的云在低的目标物上的投影。
  (6) 纹理:用来表示云顶表面粗糙程度,如层云(雾)云顶表面均匀、光滑;而积云浓积云表面多起伏、不均匀。

卫星云图上各类云的特征

  A、卷状云:在可见光云图上,卷云的反照率低,呈灰一深灰色;若可见光云图卷云呈白色,则其云层很厚,或与其它云相重迭;在红外云图上,卷云顶温度很低,呈白色。无论可见光还是红外云图,卷云有纤维结构。

云系分类图

  B、中云(高层云和高积云):在卫星云图上,中云与天气系统相连,表现为大范围的带状、涡旋状、逗点状。在可见光云图上,中云呈灰白色到白色,色调的差异判定云的厚度;在红外云图上,中云呈中等程度灰色。

  C、积雨云:无论可见光还是红外云图,积雨云的色调最白;当高空风小时,积雨云呈圆形,高空风大时,顶部常有卷云砧,表现为椭圆形。

  D、积云、浓积云:在可见光云图上积云浓积云的色调很白,但由于积云浓积云高度不一,在红外云图上的色调可以从灰白到白色不等,纹理不均匀,边界不整齐。其型式表现为积云线和开口细胞状云。

  E、层云(雾):在可见光云图上,层云(雾)表现为光滑均匀的云区;色调白到灰白,若层云厚度超过300米,其色调很白;层云(雾)边界整齐清楚,与山脉、河流、海岸线走向相一致。在红外云图上,层云色调较暗,与地面色调相

带状云系

  指长宽之比至少为4:1的连续云系,它由多层云系组成。宽度大于1纬距的称云带,小于1纬距的为云线。

带状云系

涡旋云系

  指一条或几条云带按螺旋状旋向一个共同的中心,这种云系与大气中的活动中心相联系。台风、热带低压、高空冷涡都表现为涡旋云系。

涡旋云系

 

细胞状云系

细胞状云系

  冷空气到达暖而湿的表面,受下垫面的加热产生对流,形成细胞状结构的对流云系,细胞的直径仅几十公里,它分为开口和闭合两种,开口细胞状云系中间无云,四周有云,出现于低压周围的气旋性环流内。闭合细胞状云系中间有云四周无云,呈球状,出现在高压东南象限内。

 

 

 

冷锋云系

冷锋云系

  冷锋云系表现为长达千余公里,气旋性弯曲的云带,它常与涡旋云系连结。其分为活跃和不活跃两类:活跃冷锋位于500hPa槽前,走向与对流层中层气流一致,云系连续稠密,由多层云组成;不活跃锋位于500hPa槽后,云带与高空气流垂直,云系断裂不完整,以中低云系为主。冷锋云系的长度和宽度相差很大,这决定大气运动尺度、锋面坡度和水汽条件。

 

暖锋云系

  暖锋在卫星云图上表现为向北凸起的盾状云区,长宽之比很小,云系以多层云为主。

暖锋云系

温带气旋云系

  分成四个阶段:

  (1) 波动阶段:锋面云带变宽,向冷区凸起,色调变白,中高云加多。
  (2) 发展阶段:锋面云带隆起部分更明显,中高云后界开始向云内凹。
  (3) 锢囚阶段:云系后部有明显干舌,螺旋结构明显。云带伸至涡旋中心。
  (4) 成熟阶段:干舌伸到气旋中心,螺旋云带围绕中心旋转一周以上,高低空环流中心与云系涡旋中心重合。

  下图为温带气旋在发展、锢囚、成熟、消散阶段的云系。

发展 锢囚
成熟 消散

急流云系

我国东南沿海的急流云系

  表现为左界光滑整齐,与急流轴平行的卷云区。急流呈反气旋弯曲时,云系稠密,急流呈气旋性弯曲处云系稀少或无云。急流云系可以分为宽阔盾状卷云区,卷云线和横向波动云系三种。

草原和森林火灾的监测

  草原或森林发生火灾的地区,温度远高于周围地区。采用3.7μm波段,对高温区特别敏感,利用3.7μm可以监测林区和草原发生的火灾。

红色部分表示内蒙古地区林区及草原火灾图象

台风云系

  在卫星云图上,台风由台风眼、中心稠密云区和螺旋云带组成。台风眼分成大眼、小眼、圆眼和不规则形状眼,它可以位于台风云区中心,也可位于台风云区边缘。中心稠密云区边界越光滑,云型越圆,尺度越大,越稠密,台风强度越大。台风云带越宽,环绕台风中心的圈数越多,强度越大。与台风相联的另一种云带称对流带。

台风云系图 台风云系彩色分层显示图

卫星监测海面温度

  气象卫星可以在红外大气窗区测量洋面、海面发射的辐射,按普朗克公式由这种辐射可以监测洋面和海面温度。由于大气的吸收和视线的倾斜等原因,现有多种方法监测海面温度:

  ①单通道海面温度求取,建立全球海面温度计算业务,这一技术在1980年前的业务中使用;

  ②1981年以后,多通道海面温度估算技术投入业务,这一技术较之以前有很大改进,包括消除云和水汽订正,使计算结果精度有很大提高。

  上图显示了中国沿海地区海温分布,深蓝色是温度较高的区域,浅蓝色是温度较低的区域

海面悬浮物质的监测

  在海洋中,泥沙含量不同,其反射率也不同,气象卫星可见光通道0.58~0.68μ m对水体含沙量的变化很敏感,很适于遥感泥沙含量。左图为渤海湾水域含沙量分布图,浅色区为高浓度悬沙区,暗色区为低浓度含沙区;右图为长江口区水域含沙浓度分布图,浅蓝色区是高浓度含沙区。

海冰的卫星监测

  海冰改变海面的反照率,是影响海气交换的重要因子,海冰对人类在海上活动有严重影响,固定冰盖可阻碍海上航行。由于海冰与水面的反照率有明显差异,卫星可以监测它。下图为不同时期渤海湾海冰,蓝绿色是辽东湾和黄河入海口区的海冰状况。

热带云团

热带云团

  热带云团是在卫星云图上发现的新天气系统,许多热带系统都与它有关,它占热带地区面积的20%。云团是由许多积雨云单体组成,其顶部的卷云粘连成一片,表现为密实的白色云区,其尺度相差很大,小的不到一个纬距,大的可达7个纬距以上。云团的垂直方向分为流入层、垂直运动和流出层。云团内以上升运动为主,400hPa以下为辐合上升运动,400hPa以上则为辐散为主。低空为正涡度,高空为负涡度。

植被的监测

  利用绿色植被在可见光和近红外波段中反射率的差异,叶绿素在近红外波段的反射率显著加大,并决定叶绿素含量,可监测植被生长状况。通常用NDVI=(Ch2-CH1)/ (Ch2+Ch1) 来表示。