我的生活随笔

天气预报云层图实时(天气预报云层分布图)

  气象观测预报与国民经济和人们的日常生活息息相关,气象卫星的出现为气象观测提gòng了gé mìngxìng 的技术手段。气象卫星上装有各zhǒng气象遥感器,能够遥感地球及大气层的可见光、红外和微波辐射,能够探测温度、湿度、气压和风速等信息,并将其转换成电信号传递到地面。地面台站将卫星送来的电信号复原,绘制成各zhǒng云层、地表和洋面图片,再经进一步处理和计算,即可得出各zhǒng气象资料。中央电视台天气预报节目的气象云图就是根据气象卫星发回的气象探测资料绘制的。

  中央电视台天气预报的卫星云图有两zhǒng,一zhǒng是同步轨道气象卫星云图,图像上有各zhǒng不同的云系和经纬网络;一zhǒng是极轨气象卫星云图,图像上有海洋、云层、高原、沙漠、冰雪、植被和河流。卫星云图还分可见光云图、红外云图、全景云图和区域云图。直接从卫星上接收的云图只是黑白图像。为研究的方便和使观众易于看明白,气象工作者为云图画上国境线、城市标记,并根据光谱原理对云图进行了色彩加工,使之接近人的视觉习惯:绿色表示植被;赭黄色表示陆地;蓝色表示海洋等等。由于大片云系会反射太阳光,气象卫星接收到的各zhǒng云系的信号是灰白颜色,因此我们从卫星云图看到的大片降雨云系的色彩是灰白的,而不是浓黑色。

  zhī作卫星云图的工作相当复杂。每天早上值班天气预报员要确定天气预报使用的云图zhǒng类。气象中心的人员按需要将接收到的图像进行处理,包括云图定位、拼接处理、投影变换、几何畸变校正、辐射畸变校正、绘制等压线和等温线等。通常每天接收两次极轨气象卫星的图像资料,每次接收到的是相邻三个轨道(每个轨道约横向3000千米宽)气象资料,这些资料经过投影拼接才能得到一张可完全覆盖中国的气象云图。接着还要进行彩色合成及局部放大。另外,每隔半小时还要接收一次同步轨道气象卫星云图,它覆盖约四分之一的地球表面。将这些云图做成动画片形式可生动显示各个云系的变化,据此可对天气系统的趋势作出预测。

  1960年4月,美国发射成功第一颗气象卫星“泰罗斯”1号,证明了使用卫星进行气象观测的巨大价值和优越xìng 。气象卫星观测的地域广阔、观测时间长、观测数据汇集迅速,因而能提高气象预报的质量,对长期天气预报更有重要意义。气象卫星所提gòng的气象资料已被广泛用于日常气象业务、气象科学、大气物理、海洋学和水产学的研究。气象卫星的发展和应用异常迅速。气象卫星逐步由低地球轨道扩展到太阳同步轨道,再进一步发展到同步轨道。极地轨道和同步轨道气象卫星相互补充就可以实现对全球的气象观测。目前全球xìng 的气象卫星观测网大大提高了气象预报的jīng度和及时xìng ,并能预先预报灾害xìng 天气,为社会发展作出了巨大贡献。

  60年代初,中国已对气象卫星技术和大气遥感问题进行了初步探索。从70年代起,中国开始接收国外气象卫星发出的资料,对云图分析、红外和微波遥感以及天气预报进行了大量研究工作。80年代,引进了美国“泰罗斯-N”系列气象卫星单站接收处理系统,1986年10月1日,中国首次在电视中播发了卫星气象云图和气象预报。1988年9月7日和1990年9月3日,中国先后发射成功两颗“风云一号”极轨气象卫星,标志着中国卫星气象工作进入了一个新阶段。“风云一号”的主要遥感设备是两台五通道可见光和红外扫描辐射仪,扫描宽度3000千米,星下点分辨率1.1千米。各通道分别用于拍摄白天云图,昼夜云图,水、冰、雪和植被图像,海洋水色图像,地表、海面温度及图像。星上其他重要设备还有三zhǒng图像传输系统和计算机。卫星为1.4×1.4×1.2米的六面体,重900千克,运行轨道高度为901千米,每天绕地球运行14圈。地面系统由北京、广州、乌鲁木齐三个地面资料接收站和设于北京国家卫星气象中心的资料处理中心构成。广州和乌鲁木齐接收的资料通过通信卫星实时传送到中心,北京的资料通过微波传至中心。中心对气象卫星资料进行处理,制成卫星云图,供气象研究和预报使用。在这两颗卫星正常工作期间,中国气象预报工作采用了自己的高质量卫星云图。除使用“风云一号”卫星的云图外,中国通常都是接收和使用美国的“诺阿”极轨气象卫星和日本的“葵花”同步轨道气象卫星的资料。

  在卫星上携带各zhǒng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zhǒng天气现象,这zhǒng专门用于气象目的的卫星称作气象卫星。

  (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zhǒng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zhǒng卫星带有各zhǒng成熟的设备和技术,获取各zhǒng气象资料,为天气预报和大气科学研究服wu。

  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10286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xìng 有待进一步改进。

  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。

  (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zhǒng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。

  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zhǒng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zhǒng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。

  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miàn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。

  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。

  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zhǒng特xìng 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。

  (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kǒu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chǐ dù,由云系chǐ dù可以推断形成云的物理过程,chǐ dù小的云系常与中小chǐ dù天气系统相关;chǐ dù大的则与大chǐ dù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。

  (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。

  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。

  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kǒu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

  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。

  指一条或几条云带按螺旋状旋向一个共同的中心,这zhǒng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。

  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kǒu和闭合两zhǒng,开kǒu细胞状云系中间无云,四周有云,出现于低压周围的气旋xìng 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。

  冷锋云系表现为长达千余公里,气旋xìng 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chǐ dù、锋面坡度和水汽条件。

  (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。

  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xìng 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zhǒng。

  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。

  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,chǐ dù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zhǒng云带称对流带。

  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zhǒng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zhǒng方法监测海面温度:

  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jīng度有很大提高。

  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,浅为高浓度悬沙区,暗为低浓度含沙区;右图为长江kǒu区水域含沙浓度分布图,浅蓝是高浓度含沙区。

  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kǒu区的海冰状况。

  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chǐ dù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。

  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。

  卫星云图上表现为绿色。绿色越深,表示地面辐射越强,天气越晴好。当某地上空为云、雨覆盖,卫星观测到的则是从云顶发向太空的红外辐射,表现为白色或灰白色。

  白色表示地面辐射很弱,气温很低,云系很厚密,降雨强度也就很大。晴空区与云雨区之间的过渡带通常为深灰、灰、浅灰色云系覆盖,表示有不同厚度的云而无明显降水。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。

  由气象卫星从太空摄得的可见光云图是利用云滴和冰晶等对阳光的粗粒散射而产生的散射光拍摄而成。云图上白色表示太阳光反射强,灰黑的地方表示反射较弱。

  由于陆地的反射能力比海洋高,所以可见光云图上的陆地表现为灰色,海洋表现为黑色,而冰雪和深厚云系覆盖的地区一般呈白色。

  根据卫星上仪器装置的不同,卫星云图可以分成两类:一类是由卫星上电视照相机所拍摄的云图,即电视云图;另一类是由辐射仪对地球大气进行扫描探测得到的云图。在电视云图上,图像的黑白程度表示地表面和各类云对太阳辐射的反射率强弱,白色表示反射率最强,黑色表示反射率最弱。

  ①用辐射仪测量云和不同xìng 质地表面对太阳辐射可见光的某一波段(如0.52~0.73微米)的反射辐射强度时,由于不同zhǒng类的云和不同的地表的反射能力不同,可以得到一张与电视云图相似的云图。这zhǒng云图和电视云图一起,统称作可见光云图。

  ②用辐射仪测量在大气窗区波段(8.5 ~11微米)来自云顶或地表面放射的红外辐射。这zhǒng观测值可以转换成云顶或地表面的辐射温度,用黑白层次表示温度的高低,由此得到一张由云和不同xìng 质地表面的分布图像。这zhǒng图像称作红外云图。

  气象卫星是地球同步卫星,定位在赤道上,高度固定,与地球相对静止。地球同步卫星通过红外探测仪,探测地球表面温度,如果有云,则认为是探测到的云层的温度。红外探测仪以沿着经纬线的方向的步进角和行扫描角探测,每次扫描角度为140微弧。 但是扫描的步进角和行扫描角虽然是均匀的,对应到地球上的经纬度坐标却不是均分的。一个气象卫星是探测不到地球上所有点的温度的,而且南极和北极同样是盲区。 所以一般先计算出每个扫描点和经纬度的一一对应关系,然后将红外探测仪探测到的温度数据(红外探测仪会将温度转换成灰度,也就是颜色深浅不同的黑色和白色),两组数据组合同步到二维的地图上,就是我们看到的卫星云图。白色一般是低温区,黑色表示高温区,白色的地方是云层。 一般天气预测,不是从单一的卫星云图进行判断,而是连续时刻云层的移动和变化(风矢)进行判断,也就是一副云图是起不了天气预测的作用。利用图像匹配,将灰度矩阵对应的小范围的像素(比如4X4)在一定范围内(比如16X16内所有的4X4)所有的相同像素的不断对比,判断风矢,风的大小和方向,通过云层的移动判断气象变化。 这zhǒng计算量通常比较大,所以气象局一般肯定具备超级计算机这么变态的东东。

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