1960年4月1日,美国第一颗气象试验卫星泰罗斯-1 号发射成功,开创了人造卫星应用于气象探测的新纪元。气象卫星是一种用人造地球卫星携带着各种新型的气象探测仪器,从外空对地球和大气进行气象观测的新型工具。自20世纪60年代至今的40多年中,卫星探测技术得到迅速发展,在卫星上携带各种气象观测仪器,测量诸如温度、湿度、风、云和辐射等气象要素以及各种天气现象。气象卫星的出现促进了气象科学的发展,在探测理论和技术、灾害性天气监视、天气分析预报等方面发挥了重要作用。

一、气象卫星探测大气的基本原理

气象卫星探测大气的基本原理是通过探测地球大气系统发射或反射的电磁辐射而实现遥感地球大气的温度、湿度和云雨演变等气象要素。地球下垫面(地面、洋面)、云层和大气都会根据它们自己的性质反射太阳辐射,也都会根据自己的温度放射出热辐射,无论是反射太阳辐射还是放射热辐射,均属于电磁辐射,只是波段不同而已,都可以部分或全部穿过地球大气而到达宇宙空间。因此,只要在卫星上安装一个辐射接收器,就可以探测到被测物体的辐射强度。在气象卫星遥感测量中主要采用可见光、红外和微波波段。

可见光的辐射源主要是太阳,当它到达地面并被反射回太空时很少被吸收,如果在卫星上装有波长为0.55～0.75μm 的感应器,就能测出云层或地面对太阳辐射的反射辐射。红外辐射也叫热辐射或温度辐射,它的产生和大小与温度有关。有几个波段(如3.4～4.3μm,8～12μm)地面或云层放出的红外辐射可以不受阻挡地透过地球大气而到宇宙空间去,这几个波段犹如窗户,可以让相应波长的红外辐射自由通过,所以又把它们称为大气窗区。在卫星上安装大气窗区波段的感应器,就可以测得地表放出的红外辐射。在有云的地区,由于水滴或冰晶对红外辐射的吸收很强,地表放出的红外辐射被云吸收,而云顶又以自己的温度向外发射红外辐射,所以红外图像也能测云。在电磁波谱中,对红外波段来说,大气中有几种主要吸收气体,即臭氧、水汽、二氧化碳,它们有各自的吸收带,如臭氧在9.6μm 处、水汽在6.3μm 处、二氧化碳在15μm 处,同样它们也放出相应波长的电磁辐射。如果在卫星上放置一架特定波长的感应器,专门感应某一气体成分的吸收带在这一波段的红外辐射,从原理上讲,由这种方法就可以测得相应的气体成分含量了。波长在1mm～30cm 范围内的电磁波称为微波,物体在微波波段也放射辐射,只是其辐射强度比红外波段小得多,因此要求装备在卫星上的微波波段感应器有较高的灵敏度。微波最重要的特点之一是它具有穿透云层、浓雾、降水的能力。目前在美国的云雨试验卫星,泰罗斯-N 系列卫星上都装上了多种类型的微波探测器。

二、气象卫星的种类及特点

按照卫星所担负的任务,可把它们分为实验气象卫星和业务气象卫星两类。实验气象卫星用来试验新的探测原理和相应的探测仪器,以及适合这种探测仪器的卫星姿态、轨道参数和数据传输系统,如美国的云雨卫星系列,中国的风云一号A 星、B 星和风云二号A 星、B 星。业务卫星的任务则是专为天气预报业务部门和特定用户提供气象资料,如美国的泰罗斯-N 系列卫星、日本的GMS和MISAT 卫星、中国的风云一号C 星、D 星和风云二号C星。

按照卫星绕地球运行的轨道,气象卫星可分为极轨气象卫星和地球静止气象卫星两类。极轨气象卫星环绕地球运行,飞行高度一般在800～1500km 左右,运行轨道呈圆形,轨道平面与地球赤道平面的夹角一般为98°左右,卫星绕地球运行的轨道面每次都经过地球的两极附近,运行周期为115min左右。对于某固定地区,每天可进行两次定时观测,其时间间隔相距12h,因此也称近极地太阳同步轨道。美国泰罗斯-N 系列卫星及我国发射的风云一号气象卫星都是极轨气象卫星。极轨气象卫星的优点为:①可实现全球观测；②由于轨道高度较低,能提高图像的空间分辨率和探测精度；③在观测时有合适的照明,可以得到充足的太阳能。缺点是:①观测次数少,对某一地区,一颗卫星一天在红外波段取得两次资料,可见光波段只有一次资料,不利于分析变化快、生命短的中小尺度天气系统；②相邻两条轨道的资料不是同一时刻,对资料的利用不利。地球静止气象卫星是固定在地球赤道上某一点的上空,高度为35800km,也称地球同步卫星,如日本的GMS卫星和我国的风云二号卫星。地球静止气象卫星的优点是:①视野辽阔,一个静止卫星的观测范围为南北纬70°以内,东西达140个经度,约为地球表面的1/3；②能够连续观测,一般30min提供一张全景圆盘图,可以连续监视天气云系的演变。不足之处是:①不能观测南北极区；②对观测仪器的要求很高。极轨气象卫星和静止气象卫星各有所长,将它们结合在一起就形成一个全球气象卫星观测体系。目前的卫星观测系统由6个地球静止气象卫星和两个极轨气象卫星组成。6个静止卫星分别位于西经135°、75°,东经0°、70°、105°和140°；极轨卫星一个在上午,另一个在下午通过各地。为了有效地覆盖地球,各卫星的观测区彼此有较多重叠。

气象卫星观测网的观测资料,对台风和暴雨等灾害性天气预报、数值天气预报、洪水预报、海温和海冰预报,以及大气运动规律的研究都具有重要意义。

由气象卫星可得到两大产品:图像资料和要素资料。图像资料为卫星上的扫描辐射仪选择两个以上的通道对地球大气系统观测得到的卫星云图。所谓通道即是卫星根据不同探测目的所选择的波长间隔。目前风云一号C 星、D 星播发10个通道的数字卫星云图,星下点分辨率为1.1km；风云二号C星播发5个通道的数字卫星云图,星下点分辨率红外和水汽通道为5km,可见光为1.25km。要素资料为卫星探测地球大气的温度、湿度、风、臭氧等要素的时空分布。

三、气象卫星图像的识别和分析

长期以来,卫星云图在天气分析和预报以及防汛中发挥着重要作用,并且已经成为重大灾害性天气预报和服务决策中必不可少的资料。

在一张静止的气象卫星圆盘图上,可以同时看到从行星尺度到天气尺度、直至中尺度和风暴尺度等各种尺度的天气系统,揭示了大气中热力和动力过程的结果。但是,卫星云图上的云和云型,尚不能描述大气演变中的物理过程,并且卫星是从太空向下观测云,因而较高的云就可能遮挡了较低云的特征。由此在云图判释和分析中,必须结合地面上的常规观测数据和数值天气分析预报产品。

在云图判释和分析之前,应当搞清楚各种图像是怎样形成的,以及影响图像质量的主要因素等四个方面的问题,这是云图分析的基础。

1.图像的分辨率和卫星感应器的频率域

这是图像判释和分析首先必须考虑的两个主要因素。卫星探测的分辨率指我们在图像上检测物体的能力,它包括空间、亮温和时间分辨率三个参数。空间分辨率指在图像上能清晰地分辨出两个物体之间的最小面积单元,也称为“像素”或“像元”；红外云图上的亮温分辨率指能分辨出的两个相邻卫星探测视场的最小温度差；时间分辨率指卫星对地球表面进行一次观测的时间,也可以说是卫星对某地重复扫描的间隔时间。卫星的可见光感应器扫描地球和云表面反射太阳的辐射,红外感应器扫描地球和云表面发射的红外辐射,水汽感应器扫描对流层中上部水汽发射的辐射。红外和水汽光谱域中探测到的辐射量和频率完全取决于发射体的温度,因此在红外云图上,色调越暗表示红外辐射越强,亮温越高；色调越浅表示红外辐射越小,亮温越低。在水汽图像上,色调愈白表示大气中水汽含量愈多或者云顶亮温很低；反之则水汽含量愈少或云顶亮温愈高。可见光光谱域获取的反照率,决定于被观测体的颜色、亮度及表面粗糙度等因子,因此,色调越浅表示反射太阳辐射越强；反之则越弱。

2.图像在一日中的时间

判释一幅可见光云图时,要十分注意该图像是当日何时获取的。若它是上午前期和下午后期某个时次的图像,由于太阳高度角较低,图像中整体亮度较暗,并且可以看到伸展较高的云投下的暗影；若它是中午时刻的图像,由于感光过强而图像色调表现较亮,甚至可能呈现出衰减状。在可见光图像判释时,有一个可供使用的良好经验规则,即越高、越厚的云,色调越白亮。但也有两个主要的例外,一是上午的云并不很亮,二是雷暴顶的高度与云的亮度关系不密切。在红外云图上,相同强度的风暴云系,往往白天比夜间表现得更强。

3.所取图像部分离星下点的距离

一幅图像中的不同部分离卫星星下点的距离不同,图像的失真度也不同。图像失真度与卫星的扫描视角成正比,即离星下点越远,云型失真越严重,甚至发生畸变。

4.地区和与季节有关的地形特征的鉴别

运用天气学知识,确定某个地区可能或不可能出现的某种云型或云系,以减少图像判释中的失误。在作具体的云分析时,通常是根据云图上的云或云区的6个基本特征来识别的,分别为型式、范围大小、边界形状、色调、暗影和纹理。

(1)型式(结构)。型式指图像上不同明暗程度的像素点的分布式样,它们或者成散乱分布,或者成有组织的分布,即组成一定的型式(结构)。例如台风和温带气旋中的云常常组成螺旋状结构,锋面、急流、热带辐合带中的云,常常表明为带状云区。

(2)范围大小。卫星云图上云的种类和云系不同,云区范围有很大差异。因此,根据云区范围大小,可以识别云的种类、云系和云型以及推论出云形成的物理过程。

(3)边界形状。卫星云图上云和云系都具有一定的边界形状,而地球表面的海洋、湖泊、河流和山脉等也各有自己的边界形状。因此,边界形状是区分它们的重要依据。在水汽图像的分析中,边界形状更为重要。

(4)色调(亮度)。色调也称亮度或灰度,它是指卫星图像上物像的明暗程度。在不同通道图像上,色调代表的意义也不相同。在可见光云图上,物像的色调与反照率和太阳高度角有关。云的色调随云的厚度和密度加大而变白,厚的积雨云最白亮；在厚度和太阳高度角相同的情况下,水滴云比冰晶云更白。在红外云图上,物像的色调决定于其本身的表面温度,即物像表面的温度越低色调越白。在水汽图上,物像的色调决定于对流层中上部大气的水汽含量和物像表面的温度,即水汽含量愈丰富或者温度愈低,色调愈白。

(5)暗影。暗影是在可见云图上,太阳高度角较低时,高目标物在低目标物上的一种投影现象。因此,它出现在高目标物的背光一侧的低目标物上,表现为暗块或者细暗线。暗影只能出现在色调较浅的低目标物表面上,太阳耀斑区最容易见到暗影。在分析暗影时要特别注意将云缝区与暗影区分开,并且红外云图上没有暗影。

(6)纹理。纹理表示云表面的粗糙程度。云的种类不同,云区中云高参差不齐以及云层的厚薄等诸因素综合起来,造成云顶表面很光滑或者呈现多起伏的皱纹和斑点或者为纤维状。纹理与暗影和色调有联系,如云顶高度的参差不齐,在可见光云图上造成许多暗影而显得多纹理,在红外云图上造成色调明暗相间而同样表现为多纹理。有时候在大片云区中出现一条条很亮或较暗的条纹,它们虽呈弯曲状或直线状,云图分析中称之为“纹路”或“纹线”。它们的走向一般与风的垂直切变方向一致,从而可用它们来推论高空风向。

四、云和地表的识别

1.云的识别

根据云的外形可以将云分成三个主要类别:积状云、层状云和卷状云。积状云反映了大气不稳定度变化的程度,对它们的识别是通过带状、细胞状或波状云型以及由形状不规则云素的大小变化来实现的。层状云包括厚的雾、层云、高层云和雨层云,并且一般与稳定的大气相联系,它们的云型光滑但缺乏组织。卷状云是通过其清楚的纤维状纹理和有时候出现的条纹状来识别的。上述云和云区的6个基本特征是识别这三类云中各种云特征的依据,它们各自的特征见表6-1～表6-3。

表6-1　气象卫星云图上积状云的特征(www.daowen.com)

表6-2　气象卫星云图上层状云的特征

表6-3　气象卫星云图上卷状云的特征

2.地表的识别

无云覆盖情况下地球表面特征的识别是卫星云图分析的一个重要内容。在分析时经常看到地表雪盖,尤其是在海岸线上,雪盖区和无雪盖区之间的强烈反差对图像位置的识别是非常有用的。而在可见光图像和红外图像上,雪、云之间的视觉差异非常微弱,一般不易正确识别。因此,有必要了解地表的地理信息以及雪盖随季节气候变化的知识,它们是分析卫星云图所需的基本预备条件。尽管有时能够得到一些分析线索,但是通过眼睛来给地表雪盖上的云边界界定为几乎是不可能的。在可见光图像上可以看到云边界产生的暗影,在红外图像上能够识别出雨雪盖有着强烈温度反差的高云,但是低云与雪盖之间只有微弱的,或者根本没有温度反差,因而很难进行识别。无云覆盖情况下地球表面特征的识别,一方面是将云和地表上的目标物区分开,如山脉、河流、湖泊、海岸线、植被情况以及冰雪等,同时还为地理、海洋等研究提供有用信息；另一方面帮助检验云图定位是否正确。

在白天的可见光图像上,沙漠和植被区呈现出非常清楚的陆地暗区中的一些大尺度反照率差异,在相应的红外图像上,这种反差并不总是如此清晰的。沙漠和植被区表面温度的差异在白天经常被底层非常潮湿的大气中水汽的吸收作用所扭曲,因此地表发射的辐射只有当天是干燥时,才能无衰减的到达卫星。在潮湿的地方,辐射将来自更高、更冷的气层,因此红外辐射很少受到地表特征的影响。

太阳耀斑区是在可见光云图上看到的一块浅灰色调区。它发生在卫星星下点与太阳投影之间,并且出现在两者的重合处,此时太阳光经过水面的单向反射(即太阳光线的入射角和反射角相等)进入卫星探测器。它的形状可以从一个小亮点变化到一个散开状边界的大块模糊区,其大小和亮度取决于水面粗糙度。对静止卫星来说,耀斑区随季节变化在北纬23°～南纬23°之间移动,并且白天自东向西移动。它的形状在卫星星下点和太阳的星下点重合时为圆形,当两者距离加大时则渐渐变为椭圆状。一天中,上午耀斑区出现在卫星星下点路径东边一侧,下午则出现在西边一侧。

冬春季节,我国西北、华北部分地区常出现沙尘暴天气,并且在地面强风和近地面湍流交换作用下,细沙和黄土上扬至空中形成浮尘。由于沙尘的反照率高,在可见光云图上它表现为边界模糊的灰至灰白色区,其纹理均匀,且沙尘浓度愈浓色调愈白,能见度愈差。运用这些特征,可以分析沙尘的起源、移动、高空风的风速及未来可能影响的地区等。从红外云图上也可以分析出以上特征,只是不如可见光云图上清楚、好用。

五、卫星云图上常见的云型和云系

1.带状云系

一种相对宽而连续的云型称为云带。带状云系具有清晰的弯曲或不弯曲的长轴,长和宽之比为4∶1,且宽度通常大于一个纬距,属天气尺度云系。带状云系主要由多层云系组成。

2.涡旋云系

涡旋云系是一条或多条不同云量和云类的螺旋云带朝着一个公共中心辐合形成的,与大尺度涡旋相联系。大尺度涡旋的水平范围为600～1500km。有组织的螺旋线或积云汇合线因与气旋性相对涡度相联系,常称为涡度中心。

3.云线

云线由长为30km 至几百公里的对流云团组成,宽度小于1个纬距。云线可以出现在中高纬度地区冷锋的附近,也可以出现在热带洋面上。云线能指示低空风向,而高空急流卷云中的云线,可作为高空风的良好指标。弧形云线是中尺度对流系统中的重要成员,是雷暴外流的前边缘。

4.云团

云团是产生暴雨和强对流天气的一种重要中尺度系统。云团由多个大小不等的积雨云、混合性云或积云与层云相镶出现的云簇等组成,其高空卷云砧连成一片,表现为一片白亮的密实云区。云团的形状,依赖于对流单体的强度、大尺度流场背景以及产生云团的扰动强度等因子。云团表现为圆形、准圆形及椭圆形等不同形状,有一些云团的云系还呈现出螺旋状结构,这表示与云团相关联的扰动在流场上已有闭合环流出现；西南季风中的云团呈纺锤状。云团的生命史一般不小于1d,但也有的达数日；水平范围为几十至几百公里。按照尺度划分,云团又可以分为中尺度和中间尺度两种；依据造成的天气,还可以分成暴雨云团和雷暴云团两种。

5.细胞状云系

卫星云图上形似细胞状的云称为细胞状云系。其直径为40～80km,由于尺度较大,一般在地面上不能观测到它。细胞状云系是由于冷空气受到下垫面加热,并在水汽较充分的条件下形成的,如秋冬季节我国北方海面冷锋后部,夏秋季节华北冷涡后部和东北低压后部。细胞状云系分成未闭合(又称开口)状和闭合状两类。在闭合类中,细胞的形状成指环形或U 形,其中心部分为无云或少云,边缘上主要为浓积云；细胞状云系一般出现在气温和下垫面温度相差很大的地方,而且低空气流呈气旋性弯曲,该处冷空气受下垫面增热很强烈,对流很旺盛。闭合类细胞状云系呈球状,中央主要为层积云,四周少云或无云；细胞状云系一般出现在冷高压东南象限,低空气流呈反气旋性弯曲。低空虽有对流活动,但有一个逆温层,是由冷空气受下垫面加热或云顶辐射冷却所造成的。这两类细胞状云系的分界线往往是高空急流位置所在。

6.逗点云系

卫星云图上,一种常见的形如逗号的云系称为逗点云系。逗点云系的形成和发展的原因是大气的非均匀旋转,即云系的逗点状是由于大气绕着一个中心旋转使云块变形造成的。若系统不移动,那么云将随着旋转风场一起移动,发展成逗点状,低压中心和最大涡度中心重合；若系统东移,云系将进一步变形,最大涡度中心从最低气压处移走。但是,许多大尺度逗点云系的演变,要比这里给出的理论模型复杂。

逗点云系的结构,无论是小尺度涡度逗点云(中层系统),还是大尺度逗点系统(中高层系统),一般情况下均由四部分组成,即后边缘呈S形,或者说存在着拐点和相反曲率、逗点头和逗点尾以及干侵入区。

发展成熟的逗点云系包括三部分云区,即斜压带云系,它是逗点云系的最高层卷云顶,常为层状,除雷暴外降水呈连续性,并与冷锋、锢囚锋以及暖锋相联系；涡度逗点云系是逗点云系中的中低层云系,具有高度对流,降水多为阵性,并与冷锋和锢囚锋相联系；变形带云系是逗点云系中的卷云层顶部,但比斜压带卷云低,降水为连续性,并与锢囚锋相联系。在红外云图上,涡度逗点云系的主要部分常常隐藏在较高的卷云层下方,不易看出。但在可见光云图上,由于较高的斜压卷云盾比它移动快,因此可以看到。

逗点云系的大小各不相同,可以从雷暴单体到一个大尺度的中纬度气旋,然而,它们均与最强的正涡度平流关联,其主要形状的变化与涡度型发展所决定的正涡度平流相联系。影响逗点云系形状的因子有五个:非均匀旋转及其变化；水汽的有效性；与云发展和消散有关的垂直运动；云系的不同高度；稳定度。

7.斜压叶状云型

卫星云图上,与高空西风气流中的锋生相联系的一种植物叶片状云型,称为“斜压叶”状云型。通常情况下,该云系在垂直方向深厚,地面伴有锋生现象,并且还可能有地面气旋形成,在可见光和红外云图上都很容易看见它。

斜压叶状云型通常为一个拉长的云型,它两边的边界清晰(大振幅槽云系中斜压叶最好确定)。它向极的一侧,通常有一个浅或小曲率的S形；上游尾部呈气旋式弯曲,下游尾部呈反气旋式弯曲,并且最终变成逗点头。尾部的V 形凹口是由急流伸至云系西端造成的,常常是逗点云要发展的第一信号。

斜压叶状云与高空、地面流场中的主要特征有以下关系:上游的急流带很可能窄而伴有最大风；下游的急流轴位于它的南部并且风速较小,但它可能产生进一步北移。涡度中心位于斜压叶边界上游一侧的晴空中,靠近反转点处(即气旋式和反气旋式弯曲的过渡点)；一般情况下,平行于急流上游的狭窄状切变涡度瓣与平行于斜压叶的平流涡度瓣在涡度中心相交,形成一个大致的L 形。对应的云和锋面,最高云顶通常位于斜压叶东半部上方,并且东半部分末端将变成逗点头；云顶向西降低,并且V 形凹口北边界西端有中层云顶出现,南边界由低云组成,而且沿着地面冷锋。新近形成的冷锋将沿着斜压叶的南边缘,其东端位于斜压云系深厚部分的下方,可能为静止锋,并伴有切断型地面气压场。在这种情况下,可以有地面槽出现,但锋面系统反而不清楚。