第二篇-卫星图象的分析基础(3)

图 2.12 红外和短波红外发射辐射的概念图

在中心波长3.7微米的短波红外通道，地面的发射率近似为1，可以当作黑体，而对于云的发射率小于1，即使是很厚的云，其发射率也只有0.9，因此云不能作为黑体。如果地面与低云具有相同的温度，卫星接收的低云发射的辐射比地面发出的辐射要小，这样可以把低云与地表区别开。由此算出低云的温度比地面要低好几度。在云图上低云的色调比地面浅。如图2.13(a)是夜间短波红外云图，图中S处是北美洲西海岸处的雾或层状云；图2.13(b)是夜间长波红外云图，图中C处是呈白色的卷云，相应短波红外图上的层状云S在红外图上呈较暗的色调，这说明层云在短波红外图上的色调比红外图上更亮些，也就是更易识别。如果在云图作直线A-B，则得该直线的亮度分布如图2.13(c)所示，在层云区，3.9?m的亮度较11.2?m要亮，能较好地监测夜间的层云和雾区。

S

A B C

(a) 1991年2月4日09时GOES-7 3.9 微米 (b) 1991年2月4日09时GOES-7 11微米

11.2?m

3.9?m

层云 晴空 卷云

1 8 15 22 29 35 42 49 56 63 70 (c)A-B直线上3.9?m与11.2?m的亮度计数值

图2.13 3.9?m与11.2?m低云与卷云的比较

4、利用短波红外云图监测卷云

如图2.13(a)(b)(c)，比较3.9?m与11.2?m云图，卷云在3.9?m云图上较透明，呈暗色，11.2?m云图上呈白色，两者的差异明显，容易区分。

5、利用短波红外云图区别白天积雪面上的低云

在白天的可见光云图上，低云的色调与积雪的色调十分相近，都呈较白的色调，很难区分它们。但在短波红外云图上，低云的反照度明显高于积雪，低云呈现很暗的色调，积雪呈较浅的色调。如图2.14中，LC是低云区，可以看到，低云LC在短波图上呈现黑色，与色调较白的积雪有明显的反差；可见光图上呈较

白的色调，与积雪区的色调相近。

卷云

低云 低云

LC LC

积雪区

积雪区

(a) 19990年2月21日UTC1830 3.9微米短波红外 (b) 19990年2月21日UTC1830 0.5微米可见光

图2.14 可见光与短波红外图上积雪与低云的区别

图 2.15 表示3.8和11微米的发射率随云的厚度的变化，两者都随云厚增加，但是两者的发射率的明显的差异，当云厚增大到600米时，11微米的发射率近似于1，但3.8微米的还不到0.7。

图 2.15 3.8和11微米的发射率随云的厚度的变化

第四节 水汽图的基本特点

以6.7微米为中心的吸收带是水汽强吸收带，在这一带内，卫星接收的是水汽发出的辐射，水汽一面吸收来自下面的辐射，同时又以自身温度发射红外辐射。如果大气中水汽含量愈多，吸收来自下面的红外辐射愈多，到达卫星的辐射就愈少。所以由卫星测量这一吸收带的辐射就能推测大气中水汽含量。由这一吸收带得出的图象称水汽图。

图 2.16说明大气中的水汽发出的向上辐射过程，图中垂直线的宽度表示不同高度水汽辐射到达卫星的量值，图中a表示地面辐射由于水汽的吸收，到达卫星的辐射很小；b表示低层水汽发出向上的辐射由于水汽吸收到达卫星辐射的减小，要比地面发出的大；c表示中层大气水汽发射向上的辐射最大；d表示由于大气上层水汽减小，水汽发出的向上辐射比中层的要小。

图2.16 大气中的水汽辐射

图2.17表示了5.7~7.3微米通道水汽的透过率、权重函数和贡献函数。从图中可见，大约80%的辐射能来自620~240百帕气层，而最大辐射贡献大约在400百帕高度处。同时，从图中可见，对一定的温度廓线，大气透过率随水汽含量增加而提高。因此当大气中水汽含量大量，卫星测量的辐射来自大气上层；而大气水汽含量较少时，卫星测量的辐射来自大气低层。

图2.17 水汽通道的透过率、权重函数和贡献函数

在水汽图上，色调愈白表示大气中水汽含量愈多，反之就愈少。 比较水汽图和红外云图，发现水汽图有以下特点：

1、在水汽图上，积雨云和卷云的表现十分清楚，其特征与红外云图类同; 2、难以在水汽图上见到地表和低云（低于850百帕），其发射的辐射被大气全部吸收而不能到达卫星；

3、 在水汽图上的水汽表现远比红外图上的云区要宽广，因为在没有云的地方仍然有水汽存在；因此在水汽图上水汽区比云区要连续完整；

4、在水汽图上色调浅白的地区是对流层上部的湿区，一般与上升运动相联系；色调为黑色的区域是大气中的干区，相应大气中的下沉运动。

图2.18 显示从东亚经北太平洋到北美上空的水汽分布和红外云图上的云分布，可以看到水汽

图上水汽的连续分布型式，这与红外图有明显的不同；在水汽图上见不到低云，但可以清楚地见到卷云和积雨云,从水汽图上可以清楚地观测到大气波动和高层流场分布。

图 2.18 红外图与水汽图的比较

在使用水汽图时特别要注意，水汽图反映的是高层水汽布，它只能反映大气上层的大气运动规

律，特别在暴雨强对流应用中要注意。

第五节 增强红外图和多谱段合成卫星云图

一、增强红外云图

卫星云图的增强处理是对灰度或辐射值进行处理，通过灰度变换，将人眼不能发现的目标物细节结构清楚地表示出来。例如对于积雨云团，在一般的云图上只表现为白亮的一片，通过增强处理后可将云顶的结构显示出来，从而进一步判断积雨云的活动状况。分层增强是将图象上的各灰度值，按其需要将其合并或分解为若干等级间隔，对每一间隔赋于一个灰度值，这样每一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。如图2.19中，积雨云C和E在红外和可见光图上白色

图 2.19 增强红外云图

一片，但通过增强处理可以分析云区内的温度层次，云顶高度，云内的冷云区（白色）是云顶最高的地方，通常也是对流最活跃的地方。 二、可见光与红外合成云图

卫星在红外波段测量的是地表和云发射的红外辐射，红外云图表示的是物体的亮度温度分布图，在这种图上卷云和积雨云很容易识别，低云顶温度与地表相近，不容易区别它们；可见光图上卷云反照率低，与地面反照率相近，不容易区别它们，而低云的反照率大，与地表有明显差异，很容易区分它们。如果取它们的优点，把可见光与红外云图合成为一张图，就得合成图。如图2.20中，

图2.20 可见光红外合成云图

三、可见光VIS 1、近红外VIS 2和红外IR 4合成图

在可见光云图上很容易区分中、低云和积状云，近红外云图很容易区分陆地和水面，红外云图很易识别卷状云，如果将这三种云图合成，只需一张图可将这些物象识别出来，还便于对这些物象的分析和比较，图2.21 给出了可见光VIS 1、近红外VIS 2和红外IR 4合成图，可以很容易识别高、中低云和地表。

1998.10.19.15:20

图2.21 可见光VIS 1、近红外VIS 2和红外IR 4合成图

四、短波红外（SIR 3.7）+ 长波红外分裂窗（IR 4 + IR 5）合成图

由于短波红外云图上低云表现清楚，高云不清楚；红外图上卷云很清楚图，低云不明显，因此如果把短波红外与长波红外合成，就可在同一张图上显示高中低云。图2.22 显示了短波红外（SIR 3.7）+ 长波红外分裂窗（IR 4 + IR 5）合成图，图中可以很易识别陆地、低云和高云。

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