云地分离太阳天顶角对反射率阈值法阈值的影响.doc

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1、云地分离中太阳天顶角对反射率阈值法阈值的影响摘要作为云检测的一个重要组成部分，本文利用FY-2C云图资料，分析了云图反射率与太阳天顶角及地表性质、云性质之间的关系，得到不同性质的地表、云区对应的云图反射率值与太阳天顶角余弦之间的拟合关系式,并给出点聚图。参考这些关系式和点聚图，可确定不同太阳天顶角下的反射率阈值，从而为反射率阈值法云检测提供重要依据。关键词：云检测FY-2C云图太阳天顶角反射率影响数值天气预报准确性的因素很多，其中一个最重要的因素就是人们对云特性尚缺乏足够的了解。因此近年来云特性的观测研究日益受到人们的广泛关注。当大气中有云

2、层存在时，云在可见光波段具有较大的反射率。另一方面，云顶温度通常低于地表温度，有云存在时向外层空间的热辐射小于无云时的热辐射。基于上述事实，人们发展了多种利用卫星资料检测云的方法，其中具有代表性的有阈值方法和空间相干方法和卷云监测方法。空间相干法主要利用发射场的空间结构来确定像元是否对应晴空或有云并推导探测器视场部分被云覆盖所对应的云量。利用空间相干法估计云量存在的问题在于其需要假定云层水平分布是均匀的。对于卷云检测，一种常用方法是利用11微米和12微米的亮温差以及8微米和11微米的亮温差来检测卷云。阈值方法的基本思想是将一个区域上空的可见

3、光或热红外大气窗口卫星图像按照某一辐射率阈值分为2个部分。辐射率小于该阈值的区域为晴空无云区域，辐射率大于该阈值的区域为被云覆盖的区域。如何选择辐射率阈值是利用阈值方法确定云量所要解决的关键问题。阈值方法一般分为亮度温度阈值法、反射率阈值法和双通道差值法。简单的亮度温度阈值法主要用于检测云顶温度较低的云，最适用于夜间海洋上的云检测。与下垫面相比，云具有高的反射率和低的温度。因此，简单的可见光和红外窗区的阈值就可提供相当不错的云检测方法。当下垫面为冰雪、云为薄卷云、夜间出现低的层云或小的积云时，云和下垫面的辐射相似，难以用简单的可见和红外窗区

4、阈值区分云和下垫面时，可采用多通道或吸收带光谱法（比如用水汽吸收带1.38mm通道检测高空卷云）进行云检测。目前存在的问题主要是利用可见光云图进行云检测时其反射率阈值的设定受太阳高度角较大影响，尤其是检测低云。而对于不同的地表情况反射率阈值也并不相同。本文的主要工作是利用FY-2C云图资料分析不同性质的地表、云区对应的云图反射率与太阳天顶角余弦之间的关系，为反射率阈值法云检测提供依据。1可见光云图的遥感原理及特点1.1可见光云图观测原理卫星在可见光大气窗区观测，大气中的散射辐射很小时，忽略大气散射作用，卫星接收到的辐射为是双向反射率。通常大

5、气在水平方向近似为均匀的，地面为朗伯面，则由式，在有阳光时不考虑大气散射的辐射传输方程写为=式中是朗伯面反照率。、分别是太阳光入射方向和卫星观测方向的大气透过率。由于在大气窗区1所以上式又可以写为从上式可以看到，由于是入射大气顶的辐射，通常可以当作定值，因此卫星观测到的辐射可以近似地认为与地面的反照率和太阳的天顶角余弦成正比。对此下面作进一步的分析讨论。1.2基本特点可见光云图是卫星扫描辐射仪在可见光谱段，如AvHRR仪器的cH1（0.68—0.725微米）通道或静止卫星的（0.52—0.75微米)，测量来自地面和云面反射的太阳辐射，如果将

6、卫星接收到的地面目标物反射的太阳辐射转换为图像，卫星接收到的辐射越大就用越白的色调表示；而接收到的辐射越小，则用越暗的色调表示，这就得到可见光云图。在可见光云图上，物像的色调决定于反射太阳辐射的强度。而卫星接收到的反射太阳辐射决定于入射到目标物上的太阳辐射，及目标物的反照率。入射至目标物的太阳辐射又与太阳高度角有关。因此，在可见光云图上物像的色调与其本身的反照率和太阳高度角有关。下面对此进一步说明。(l）反照率对可见光云图上色调的影响从（5.2）式可以看到，在一定的太阳高度角下，卫星接收到的辐射仅决定于物体的双向反射率，如果将地面看成朗伯面

7、，则卫星接收的辐射仅取决于物体的反照率，物体的反照率越大，它的色调越白；反照率越小，色调越暗。表1给出了各种云和地面目标物体的反照率，从表中可以看出：①水面的反照率最低，厚的积雨云最大；②积雪与云的反照率十分接近，所以仅从可见光云图上的色调难以区别云和积雪；③薄卷云与晴天积云、沙地的反照率也很接近，也不易区别它们。表1可见光云图上主要目标物的色调色调目标物1.黑色海洋、湖泊、大的河流2.深灰色陆地上大面积森林覆盖区、牧场、草地、耕地3.灰色陆地上晴天积云、塔里木沙漠、陆地上单独出现的卷云4.灰白色大陆上的中高云5.白色积雪、冰冻的湖泊和海洋

8、、中等厚度的云（中云、积云和层积云）6.浓白色大块厚云、积雨云团(2）太阳高度角对可见光云图上色调的影响太阳高度角决定了卫星观测地面时的照明条件，太阳高度角越大，光照条件越好，卫