卫星气象学气象卫星观测系统

卫星气象学,章节内容,4.1 A-Train卫星编队 4.2 TRMM热带降水卫星 4.3 GOSE静止卫星系列 4.4 NOAA极轨卫星系列,4.1 A-Train卫星编队 Aqua卫星,2002年5月4日当地时间早晨2时55分，美国地球观测系统下午星系列第一颗卫星- AQUA卫星在美国加州万德伯哥空军基地发射成功.它属于太阳同步极轨卫星，每日地方时下午过境，因此称作地球观测第一颗下午星（EOSPM1），在数据采集时间上与TERRA形成互补,AQUA卫星介绍,AQUA卫星携带的仪器有： 云与地球辐射能量系统测量仪CERES (Clouds and the Earths Radiant Energy System) 中分辨率成像光谱仪MODIS (Moderate-resolution Imaging Spectroradiometer ) 大气红外探测器AIRS (Atmospheric Infrared Sounder) 先进微波探测器AMSU (Advanced Microwave Sounding Unit) 巴西湿度探测器HSB (Humidity Sounder for Brazil) 先进微波扫描辐射计AMSR-E (Advanced Microwave Scanning Radiometer-EOS),Aqua与Terra技术参数的对比,AQUA卫星的仪器基本说明,“Aqua”卫星观测地球大气系统中的水,包括海洋上的蒸发、大气中的水汽、云、降水、土壤湿度、海冰、陆冰、雪盖以及冰等；另外还测量辐射能量通量、气溶胶、陆地植被覆盖、浮游植物、及海洋、陆地和水体的温度等，这些参数对于气候预测研究，大气环境监测、陆地植被及海洋生物识别等都具有重要的科学意义。,Aqua的科学目标,MODIS MODerate-resolution Imaging Spectroradiometer 中分辨率成像光谱仪,MODIS有36个通道，观测的波段从0.41到14.4m，仪器沿卫星飞行方向左右各55扫描，扫描宽度达2330km，1或2天的观测便可以覆盖全球，观测像素点有三种分辨率分别为0.25千米（0.66和0.86m通道），0.5千米（0.47, 0.55, 1.24, 1.64和2.13m通道）和1 千米（剩余29 个通道）。,MODIS的技术指标,MODIS 的各个通道、波段以及主要用途,MODIS数据产品分级系统：根据数据间相互依存关系将MODIS标准数据产品分为5级，它们分别是：0级、1级、2级、3级和4级。 0级数据：卫星地面站直接接收到的、未经处理的、包括全部数据信息在内的原始数据为0级数据。 1级数据：对没有经过处理的、完全分辨率的仪器数据进行重建，数据时间配准，使用辅助数据注解，计算和增补到0级数据之后为1级数据。 2级数据：在1级数据基础上开发出的、具有相同空间分辨率和覆盖相同地理区域的数据为2级数据。 3级数据：3级数据是以统一的时间-空间栅格表达的变量，通常具有一定的完整性和一致性。在3级水平上，将可以集中进行科学研究。 4级数据：通过分析模型和综合分析3级以下数据得出的结果数据为4级数据。 0级数据文件的扩展名为（.pds），1级及以上数据文件的扩展名为（.hdf），快视图像文件的扩展名为（.jpg）,MODIS的数据产品分级,MODIS的数据产品分类,44种标准数据产品按照4个专题做以下介绍：,44种产品：按照4个专题（1/4：大气）,MODIS在大气中的应用,1、云：云具有很重要的气候效应。 它不但能够影响地-气系统之间的能量平衡，而且也能够影响卫星反演其它地表或大气特征物的特性。云的重要特性，例如相位、光学厚度和温度等都能使用MODIS数据反演得到。 2、气溶胶：气溶胶同样是气候变化中很不确定的因子之一。 它的时空变化能够引起云微物理特性的变化，因而能影响云的辐射特性和气候。MODIS气溶胶产品用于研究气候学、特有的气溶胶类型的起源和汇集、气溶胶和云的相互作用和遥感中的地表反射率的大气校正等。其主要有Terra卫星观测获得的MOD04_L2数据产品和Aqua卫星获得的MYD04_L2数据产品。 3、水汽：探测水汽是掌握地球能力估算和气候的关键。 水汽产品主要包括Terra卫星观测获得的MOD05_L2数据产品和Aqua卫星获得的MYD05_L2数据产品。这种数据产品对于了解水文循环、气溶胶特性、气溶胶与云的相互作用、能量估算和气候都非常必要。卷云顶水汽的含量尤其重要。,MODIS的观测举例-云,云量的全球探测,MODIS的观测举例-云,水云粒子半径的全球探测,MODIS的观测举例-气溶胶,气溶胶光学厚度的全球探测,MODIS的观测举例-水汽,整个大气柱中水汽含量的全球探测,44种产品：按照4个专题 （2/4：陆地）,44种产品：按照4个专题 （3/4：冰雪）,表面反射率：所有陆地产品（除了地表温度）都需要输入表面反射率。表面反射率是MODIS发射中的标准产品。MODIS大气校正算法将会校正气体和气溶胶散射和吸收、陆地覆盖变化引起的表面临近效应以及大气及表面各向异性的耦合效应。,MODIS在陆地、冰雪方面的应用（一）,LST和发射率：地表温度LST是地表作用的关键参数之一。在许多研究领域中都需要用到LST，包括气候学、水文学、生物学和地质学。例如，它是大范围水文系统、全球初级生产率和温室效应建模的重要因素。另外，它还应用于农业，例如对小麦所需的水量进行估定，以及判断霜降对桔林的损害,MODIS在陆地、冰雪方面的应用（二）,冰雪覆盖：主要分为湖冰、海冰、积雪和冰川。MODIS冰雪产品分辨率为500米，视场为2330千米，为正弦曲线格栅图像。它的算法为自动化的，能产生连续的数据集，用于需要冰雪覆盖信息的长期气候研究。,MODIS在陆地、冰雪方面的应用（三）,植被指数：MODIS植被指数产品是为了进行全球植被连续的、时间的和空间的对比，从而监测光合作用。有两种植被指数，分别是归一化植被指数NDVI和增强植被指数EVI。它们的分辨率为1000米和500米，周期为16天。这两种植被指数用于全球植被研究，相互补充。,MODIS在陆地、冰雪方面的应用（四）,火灾和热量异常：火灾使地表覆盖产生了变化，并且向大气释放出一些气体和微粒，影响了生物系统和大气化学成分。卫星对活火山的分辨也非常重要，因为它们对地球具有物理作用，包括臭氧的破坏和全球温度的降低。MODIS火灾和热量异常产品包括火灾的计时和分布以及特征的信息，例如火灾发出的能量。这种产品每天获取一次。,MODIS在陆地、冰雪方面的应用（五）,44种产品：按照4个专题 （ 4/4：海洋 ）,MODIS在海洋方面的应用（一）,MODIS在海洋方面的应用（二）,叶绿素浓度的监测,空间分辨率大幅提高。空间分辨率提高了一个量级,由NOAA 的千米级提高到了MODIS 的百米级。 时间分辨率高。一天可过境4次,对各种突发性、快速变化的自然灾害有更强的实时监测能力,适合于实时监测。 光谱分辨率大大提高。有36个波段,这种多通道观测大大增强了对地球复杂系统的观测能力和对地表类型的识别能力。 MODIS 窄波段的优势（NIR避免了水汽吸收中心） VIIRS 基本上参照MODIS波段设置。 TERRA和AQUA双星（上午与下午）可能带来的影响： (1) 观测对象变化； (2) 大气变化；(3) 观测几何变化 MODIS与同平台其他传感器的协同 Terra: MODIS,CERES,ASTER，MOPITT，MISR Aqua: MODIS,CERES,AIRS,AMSU-A,AMSR-E,HSB,MODIS优点及趋势：,相关网站:国内 （1） / （2）/eos/project.html （3）/ （4）/index.asp 国外 （1） / （2）/ （3）http:/T/,AIRS 大气红外探测器 (Atmospheric Infrared Sounder),大气红外探测器AIRS的主要目的是通过2378个红外通道（3.74至15.4微米）以及4个可见光/近红外通道（0.4至1微米）来获得高精度的大气温度廓线以及一些额外的地球/大气产品。该仪器的扫描宽度达到1650千米，近天底的水平分辨率为13.5千米，而垂直分辨率为1千米。,AIRS的技术指标,卫星大气探测要对数值天气预报作出重大贡献，一是仪器探测能力的提高，二是反演出的全球大气温、湿廓线精度能够达到无线电探空水平。 AIRS之前的星载大气探测仪由于受滤光片式分光技术限制，探测仪光谱分辨率（/）仅为50200左右，光谱和辐射测量精度不足，对大气温度和湿度的反演精度最高只能分别达到2.0K和20%。 只有当光谱分辨率R 1200，并且仪器的辐射测量绝对精度优于0.2K时，大气探测仪对温度的探测精度才可能达到无线电探空水平.,AIRS的光谱特征,AIRS红外光谱覆盖示意图,AIRS在整个波段包含了 CO2强吸收带（15.5m和4.3m），主要用来探测大气温度；水汽吸收带（6.3m）用于探测大气湿度和云的特性；O3吸收带(9.6m）、CH4吸收带（7.7m）, N2O吸收带（7.8m和4.5m）、 CO吸收带（4.67m), O3、CH4、N2O等吸收带可以探测相应的臭氧和其他微量气体；另外，还包含一些窗区波段。,AIRS的通道特征,AIRS的数据产品：,AIRS的数据介绍,1A和lB级数据集为经辐射定标和地理定标后的辐射率数据集。 2级数据集为温湿度廓线、云和地面参数数据集。 3级数据集为以升轨和降轨区分的在2级数据集基础上进行日平均、8天平均和月平均的全球格点数据集。,AIRS的数据介绍：,AIRS的主要科学目标：,AIRS所提供的高光谱高精度大气温湿度资料及云、地表、臭氧等参数资料被广泛应用于全球气候研究和天气预报。它极大地提高了对流层温度廓线及大气湿度测量准确度，使1公里对流层温度准确度达到1K,在晴空或部分云覆盖条件下大气湿度廓线准确度达到10%,同时使地表温度反演的平均准确度达到0.5K.,AIRS的观测举例（1）：,AIRS提供的2009年5月白天大气温度（700百帕），单位：华氏,AIRS的观测举例（2）：,AIRS提供的2008年7月二氧化碳的含量,AMSU 先进微波探测器 (Advanced Microwave Sounding Unit),先进的微波探测元AMSU-A是一个具有15个通道（15-90GHz）的微波探测器，该仪器的设计目的是探测大气中有云和无云区域不同高度的温度和水分蒸发状态。第一个AMSU仪器装载于1998年发射的NOAA 15卫星上。其扫描范围达到1650千米，近天底的水平分辨率为40千米。,AMSU-A的技术指标,AIRS的数据产品：,AMSU的数据介绍,AMSU的观测举例（1）：,AMSU提供的海冰的覆盖面积,AMSU的观测举例（2）：,AMSU提供的大气中总的可降水量（毫米）,HSB 巴西湿度探测器 (Humidity Sounder for Brazil),由巴西提供的湿度探测器HSB是一个4 通道（一个通道在150GHz，三个通道在183GHz）的被动微波遥感仪器，目的是用于获得整个大气的湿度廓线。HSB也是AIRS/AMSU-A/HSB三角观测系统中的一员，该仪器在多云及雾霾的情况下也能提供湿度的探测数据，扫描宽度1650千米，近天底分辨率13.5千米。,HSB的技术指标,AIRS的数据产品：,HSB的数据介绍,AIRS/AMSU/HSB,AIRS/AMSU/HSB 是目前最先进的一套从红外到微波波段探测大气垂直廓线的观测仪，用于测量大气温度，提供大气的水汽分布信息，云、海/陆地表面温度及大气湿度数据，是作为气候研究的EOS系统中的重要组成部分，以获取大气、陆地、海洋目标的多光谱、高光谱数据。,通过AIRS/AMSU/HSB我们可以得到： 海表面温度和大气温度廓线； 陆面温度及红外地表比辐射率； 水汽廓线及总体可沉降水汽量； 云覆盖率，云的红外辐射率，云顶气压，云顶温度； 臭氧廓线及总体臭氧柱密度； 微量气体的密度（像CH4及CO等），以及微量气体可能出现的高度,AMSR-E 地球观测系统先进微波扫描辐射计 (Advanced Microwave Scanning Radiometer-EOS),AMSR-E是一个具有6个频率12个通道的双偏振、并呈圆锥式扫描的被动微波遥感仪器。该仪器主要测量6.925、 10.65、 18.7、 23.8、 36.5和89.0GHz的水平和垂直极化亮温。不同的频率具有不同的空间分辨率。譬如：6*4 km（89GHz），14*8 km （36.5GHz），32*18 km（23.8GHz），27*16 km（18.7GHz），51*29 km（10.65GHz），75*43 km（6.925GHz）,AMSR-E的技术指标,AMSR-E的数据产品：,AMSR-E的数据介绍：, AMSR-E主要用于提供以下参数瞬时的观测及数据信息： （1）海面降水，空间分辨率为5.4千米 （2）陆面降水，空间分辨率为5.4千米 （3）海表温度，数据精度为0.5度 （4）海洋上总的水汽含量，数据精度为0.2g/cm2，空间分辨率为24千米。 （5）海洋上总的云水含量，精度为3mg/cm2，空间分辨率为12千米。 （6）海表风速，数据精度为1.5m/s，空间分辨率有38千米及24千米两种。 （7）地表土壤湿度，精度为0.06mg/cm3，空间分辨率为25千米。 （8）海冰密度，空间分辨率有12.5千米及25千米两种。 （9）海冰上的雪厚，分辨率为12.5千米 （10）海冰温度及陆地雪水当量,AMSR-E数据主要用于土壤湿度、表面温度、植被等方面的研究。在数字天气预报模型四维数据同化系统里面，大尺度的土壤水分含量参数是非常重要的。 AMSR-E数据也被用来反演地表温度，主要的算法是线性回归法和迭代方法。但目前的精度在23o之间，相对用热红外地表反演的地表温度精度要低。其主要原因是目前对被动微波的机理研究还不够深入。,AMSR-E的主要科学目标：,AMSR-E的观测举例（1）：,海表温度表明了飓风katrina引起的冷尾迹（蓝色部分），它是海洋对飓风的响应之一。,AMSR-E的观测举例（2）：,北极海冰含量的观测,AMSR-E的观测举例（3）：,大气水汽含量的反演,CERES 云与地球辐射能量系统测量仪 (Clouds and the Earths Radiant Energy System),CERES是一个测量三个宽波段辐