卫星气象学期末复习.doc

CH11. 气象卫星：人造星体，在宇宙空间、确定的轨道上飞行，携带着各种气象探测仪器，以对地球及其大气和海洋进行气象观测为目的，测量诸如温度、湿度、风、云、辐射等气象要素和降雨、冰雹、台风、雷电等天气现象。气象卫星观测的特点:在空间固定轨道上运行；自上而下进行观测；全球和大范围的观测；使用新的探测技术（遥感探测）；提供丰富的观测资料，受益面广（气象+其他领域）2. 遥感：1）概念：遥感是气象卫星的基础：在一定距离之外，不直接接触被测物体和有关物理现象，通过探测器接收来自被测目标物发射或反射的电磁辐射信息，并对其处理、分类和识别的一种技术。2）设备：传感器，运载工具，接收系统。3）卫星遥感探测研究主要内容：遥感信息获取手段的研究；各类物体的辐射波谱特性及传输规律的研究；遥感信息的处理与分析判读技术的研究。3）分类：按工作方式：主动遥感、被动遥感；按电磁波谱段：紫外、可见光、红外、微波；按探测对象：大气、海洋、农业、地理；按探测信息形式：图像、非图像气象卫星遥感：利用气象卫星对大气进行遥感探测。3.卫星气象种类：(1)极地轨道卫星：中国风云1号 (2)静止轨道卫星：中国风云2号 p9/21CH21.卫星轨道参数1）升交点赤径（W）卫星由南半球飞往北半球那一段轨道称为轨道的升段；卫星由北半球飞往南半球那一段轨道称为轨道的降段;把轨道的升段与赤道的交点称升交点。轨道的降段与赤道的交点称降交点，升交点用赤径W表示，表示了轨道平面的位置和其相对于太阳的取向2）倾角(i)指赤道平面与轨道平面间的（升段）夹角3）偏心率（e）指轨道的焦距与半长轴之比4）轨道半长轴（a）在轨道的长轴方向由轨道中心到轨道上的距离，确定了卫星的形状5）近地点角（w）卫星在轨道平面内升交点与近地点之间的夹角，确定了轨道半长轴的方向6）平均近点角（M）；7）真近点角（q）；8）偏近点角（E）2.地理坐标系中的轨道参数1）星下点：指卫星与地球中心的连线在地球表面上的交点2）升交点降交点（如上）（极轨卫星才有）3）截距：连续两次升交点之间的经度数L=T*15度/小时4）轨道数：指卫星从一升交点开始到以后任何一个升交点为止环绕地球运行一圈 的轨道数目3.气象卫星运动规律：设想地球是理想球体，均质，质心在地心；卫星质量卫星本身尺度，质点；忽略其它因素对卫星的作用力根据理论力学，卫星在地球引力作用下的运动为平面运动。该平面成为轨道面，轨道面过地心。卫星的运动方程为：?4.卫星运动三定律（开普勒运动定律):1）椭圆（轨道）定律：卫星运行的轨道是一圆锥截线（圆、椭圆、抛物线、双曲线），地球位于其中的一个焦点上；2）面积定律：卫星的矢径在相等时间内扫过的面积相等（即面积速度为常数）；3）周期定律：卫星轨道周期的平方与轨道的半长轴的立方成正比5.卫星活力公式：v2 = m（ 2/r 1/a ）6.近极地太阳同步轨道气象卫星 1）概念：近极地太阳同步轨道卫星是指卫星轨道平面与太阳始终保持固定的取向（每天过升交点的局地时间相同）。由于这一种卫星轨道的倾角接近90，卫星近乎通过极地。2）实现：这种卫星是利用卫星随地球绕太阳公转时产生的转动抵消由于地球的扁率引起卫星轨道的摄动来实现的。 3）优点：轨道为圆形，轨道预告、接收和资料定位方便；可实现包含极地的全球观测；在观测时有合适的太阳照明，有利于资料处理和使用；仪器可以得到充分的太阳能供给。缺点：对中低纬度同一地点观测的时间间隔太长（相对于GEO)，不利对中小尺度天气系统的监测；相临两条轨道的观测资料不是同一时刻的，需要进行同化7.地球同步静止卫星轨道：1）概念：卫星的倾角等于0，赤道平面与轨道平面重合，卫星在赤道上空运行；卫星周期正好等于地球自转周期（23小时56分04秒）卫星公转方向与地球自转方向相同，相对于地球而言是静止的(没有任何方向上的运动) 2）优点：高度高，视野广；对同一地区连续观测；监视中小尺度天气系统；圆轨道，定位、处理、接收方便。缺点：不能观测两极；高度高，精度难提高。8.飞行速度和轨道半径等的计算?9.卫星食：太阳、地球和卫星在一条直线上时，人造卫星进入地球的阴影区，出现10.太阳干扰：阳、卫星、地面卫星接收天线成一线时，地面卫星接收天线对着太阳，进入天线波束期间，受太阳射电噪声影响，接收电波受严重干扰，甚至收不到信号，这样的干扰为CH31.电磁波段划分：按波长从短到长分为：宇宙射线、射线、X射线、紫外线、可见光（紫蓝青绿黄橙红）、红外线（近红外、中红外、远红外）、微波（亚毫米波、毫米波、厘米波、分米波）、无线电波（超短波、短波、中波、长波）可见光波段波长范围：0.40 0.76 mm；红外波段波长范围：0.76 1000 mm2.辐射基本量：1）辐射能（Q):指电磁波携带的能量或物体发射辐射的全部能量。单位:焦耳（J）2）辐射通量()：指在单位时间内通过某一表面的辐射能。 单位:焦耳/秒（J/t）3）辐射通量密度(F)：指通过单位面积的辐射通量。4）辐射强度（I）：指对于点辐射源在某一方向上单位立体角内的辐射通量。5）辐射亮度（辐射率）L （是指一个辐射源在单位时间内通过垂直面元法线方向 nr 上单位面 积、单位立体角 的辐射能6）辐射能流密度 u（7）分谱辐射量3.斯蒂芬-波尔兹曼定律（辐射方法测量物体温度）由绝对黑体的积分辐射通量密度反求其温度。光谱方法测屋里温度:维恩位移定律 maxT =2897.8(mK )由辐射最强的波长也可以确定绝对黑体的温度4.基尔霍夫定律意义： ,T = A ,T 1)一物体在一定温度下发射某一波长的辐射，则该物体在同一温度下吸收这种波长的辐射。 2)一个良好的吸收体，在同一温度下、相同波长处，也一定是一个良好的发射 体；反之亦然。5.卫星接收的辐射1）种类：地表、云表发出的红外辐射；大气中吸收气体发射的向上的红外辐射；地面、云面反射的大气向下的红外辐射；地面、云面反射的太阳辐射；大气分子、气溶胶等对太阳辐射的散射辐射；地表和大气的微波辐射2）红外辐射在大气中的传输方程即意义：左边第一项是到达卫星的辐射，它由两部分组成：右边第一项称之为地面辐射项，为从地面发射后透过大气到达卫星的辐射；右边第二项称之为大气辐射项，表示整层大气发出并到达卫星的辐射6. 1）发射率：如果将辐射体的辐射通量密度与具有同一温度的黑体的辐射通量密度M做比值，即。2）吸收率： 透过率： 反射率：3）黑体：是指某一物体在任何温度下，对任意方向和任意波长的吸收率或发射率都等于1，即。色温度、亮度温度4）灰体：如果物体的吸收率与波长无关，且为小于1的常数，即5）亮度温度：若物体发射的辐射与黑体Tb时发射辐射相同，即L（T）=B（Tb）则Tb为亮度温度。亮度温度又称黑体温度或辐射温度。与温度的关系：由于B(T) L(T) =B(Tb)，所以Tb3m）散射很小可忽略，造成辐射衰减的主要是大气气体的吸收。CH4CH41.分辨率：1）概念：卫星仪器探测的分辨率：指卫星上能区别两个相邻物体的能力，或者是能分清两个物体的最短距离。如果两个物体间距离小于卫星探测的分辨率，则这两个物体不能分辨。包括三个参数：空间分辨率：卫星在某一时刻观测地球的最小面积 时间分辨率：卫星对同一地区观测的时间间隔 灰度分辨率或温度分辨率：能分辨红外或可见光云图上两个邻接瞬时视场的最小温度差或反照率差值2）几种的关系：卫星探测的空间分辨率、温度分辨率和时间分辨率是相互制约的。低的空间分辨率，即较大的瞬时视场可以换取较好的温度分辨率和时间分辨率。当仪器的瞬时视场和灵敏度一定时，温度分辨率与仪器扫描速度有关。仪器的扫描速度慢时，对目标物停留的时间较长，就能接收到更多的辐射能，从而具有更高的温度分辨率。反之若要提高卫星的观测速度，必然会牺牲温度分辨率。2.权重函数：1）概念：在辐射传输路径上各点的有效温度辐射测量值的贡献不仅取决于该点的有效温度值，还依赖于该点介质附近的透过率变化率，一因子常被称为辐射亮温度权重函数表示高度z处大气发射的辐射到达卫星的权重 2）形状：横钟形曲线3）意义：一条曲线与卫星观测仪器的一个通道对应。通道中心频率为f。卫星在频率为f的通道接受的能量来自于其权重函数不为零的大气薄层内。权重函数最大处对应的高度为薄层的代表高度。4）能量大小：卫星在频率为f的通道接受到的能量的大小，由该薄层内的温度和某种气体分子浓度决定。分子种类与频率f对应，即，这种分子吸收频率为f的电磁辐射、也发射频率为f的电磁辐射。5）权重函数半宽度：权重最大值的一半所定义的宽度，用于衡量权重函数宽度（“胖瘦”）的指标。权重函数中的通道个数越多越好，但是由于权重函数的重叠产生的通道相关不可忽略；权重函数越瘦越好，在保证权重函数相互独立的情况下，可以得到某高度处的大气参数值，而不是某一薄层的平均值；权重函数的胖瘦由半宽度来决定3.卫星对地的扫描方式大致有四种：单个探测器线扫描;多探测器扫描;线性阵列探测器前推式扫描;圆锥扫描4.瞬时视场IFOV：从卫星到观测地表面积之间构成的空间立体角。决定空间分辨率；卫星接收到相应地表小块面积(像素)内反射和发射辐射总和。5.方位-仰角-大圆盘的制作:地面站接收过境极轨卫星资料时天线的方位角和仰角。求大圆求方位角 求取仰角 6.卫星云图的图像表示和增强处理：图像的数字化:卫星云图是由许多像素组成的，所以可以转化为数字云图。云图的空间位置数字化可看作对地表的采样，而强度（色调）的数字化可看成灰度的量化，分成若干等级。云图的采样和量化有两种方式：（1）均匀采样和样化（2）非均匀化采样和样化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微结构清楚地表示出来。图像的增强分为反差增强和分层CH51. 可见光云图VIS(0.5-0.7微米)：1）概念：可见光云图是卫星扫描辐射仪在可见光谱段测量来自地面和云面反射的太阳辐射，如果将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，就可得到可见光云图。 2）特点：反照率对色调的影响，在一定的太阳高度角下，反照率越大色调越白，反照率越小，色调越暗.水面反照率最小，厚的积雨云最大.积雪与云的反照率相近，仅从可见光云图上色调难以区分.薄卷云与晴天积云，沙地的反照率项接近难以区分太阳高度对色调的影响，太阳高度角决定了观测地面照明条件，太阳高度角越大光照条件越好，它的色调就越白，卫星接收到的反射太阳辐射也越大，否则越小外空不反射太阳光，为黑色。 有时会看到月亮。2.长波红外云图IS(10.5-12.5微米)：1）概念：卫星在红外波段选用的通道有：3.553.93微米和10.512.5微米。把3.553.93微米通道云图称短波红外云图，而把10.512.5微米通道云图称长波红外云图。被测物体温度越高，卫星接收的辐射越大，温度越低，辐射越小。将这种辐射转换成图像，辐射大温度高用黑色表示，辐射小温度低用白色表示。即为一张黑白色红外云图。红外云图是一张物体的亮度温度分布图，而不是实际的温度分布图 2）特点：红外（IR）图像表示辐射面的温度。在黑白图像中，暗色调代表暖区，亮色调代表冷区。云由于其温度比较低而通常显得比地表白。在这一点上，红外图像与可见光图 像有些相似，但在其他方面，两种图像之间存在重要的差异。云顶温度随高度递减，在红外图像中，不同高度上的云之间存在鲜明的对照 陆表和洋面之间有强烈温度反差的地方，海岸线在红外图像上清晰可见，白天，陆地可比海洋显得更暗（更暖）；但在夜间，陆地可比海洋显示得更亮（更冷）。当陆表和洋面的温度相同时，从红外图像上，将识别不出海岸线。陆地和海洋之间的温度反差在夏季和冬季最大，在春季和秋季最小。在红外图像上卷云清晰可见，尤其是当它位于比它暖的多的地面之上时。可提供有关云纹理结构的信息。红外资料可以定量应用，根据观测到的云温来估算相应的云顶高度。增强处理多采用红外云图。3.短波红外云图（3.55-3.95um）：接收到辐射包括太阳辐射和地面云面发射的辐射两项，因反射太阳辐射的加入，使其比长波红外云图更为复杂。特点4.水汽图（6.5-7.2um）：1）概念：红外波段5.77.3微米是水汽强吸收带，中心波长约为6.7微米。卫星在这一吸收带测得的辐射主要是大气中水汽发出的。将卫星在这一波段测得的辐射转换成图像就得到水汽图，通常在水汽图上的色调越白，表示水汽越多，色调越黑，水汽越少。 2）特点：水汽（WV）图像是从波长为67微米附近的辐射得到的，这里不是大气窗区，而是以水汽为主要吸收气体的一个谱区，其中含有一个。中心位于6.7微米水汽的强吸收带，在强吸收带中，到达卫星的辐射主要来自对流层上部，吸收越强，最终到达卫星的辐射，其发射层越高。当相对湿度减少时，卫星吸收到辐射量的主要贡献层较低。是对流层中部更低的层。相普通的红外图像一样，水汽图像通常是将发射的辐射转换成温度来显示的。水汽图像上对流层上部越湿，色调越亮，对流层上部越干，色调越亮暗。由于温度随高度递减，对流层上部高湿度区显得冷（亮）而低湿度区显得暖（暗）。即对流层上部是干燥的，到达卫星的辐射来自大气中较低的层次。那里比较暖，在图像上显得较暗。5.卫星云图上识别云的6个判据：结构型式：带状、涡旋状、细胞状和波状等 范围大小 边界形状：直线、圆形、扇形和气旋性弯曲等 色调（亮度或灰度） 暗影 纹理6.卫星云图上卷状云、层状云、积状云的基本特征1)卷云的一般特点是:卷云的高度最高，由冰晶组成，具有透明性，反照率低， 在可见光图像上呈现淡灰色到白色不等，有时还可透过卷云看到地面目标物。 由于卷云的温度比其它云都要低，在红外图像上表现为白色，与地表,中低云 间形成明显的反差，因而卷云在红外图像上表现最清楚，最容易辨认。在水 汽图像上卷云是白亮的。 2)层状云:在可见光云图上，表现为一片光滑均匀的云区，尺度范围大，在可 见光云图上，色调从灰色到白色，且边界光滑整齐清楚，受地表影响较大。 3)积状云表现为云带,云线和细胞状结构,纹理为多皱纹,多起伏和不均匀。边 界不整齐不光滑，在可见光云图上是白色。7.卫星云图上的其他识别1）风沙和浮尘：浮尘在可见光云图上表现为一片边界模糊的灰到灰白色区域，纹理均匀，透过性强。2）可见光云图上的地表特征：影响色调的因素有土壤湿度与粗糙度、土壤种类及粒子大小、覆盖植被等。3）红外云图上的地表特征：若地面目标物之间有明显的温度差异且边界处温度梯度大，则容易识别4）冰雪覆盖区：冰雪覆盖区在可见光云图上表现为灰到灰白色，在红外云图上其色调比周围地区更白一些。8.红外云图增强显示的目的和方法：目的：为了把云顶温度低、云顶高度高、发展旺盛、表示强烈天气现象的云从背景云区中分离出来，有助于定量物理量计算和强天气区的识别和分析。方法：把常规的红外卫星云图灰度线性显示方法根据使用目的，对某一温度段改变线性显示曲线为非线性的分层曲线，把发展温度不同、云顶伸展高度不同，即发展强度不同的云区检测出来了，进行定量化分析。Ch61. 七种云系1）带状云系：是一条大体上连续、具有明显的长轴且其长宽之比至少为4：l的云系。（急流、锋面、赤道辐合带都表现为带状云系）2）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6001500公里。台风和气旋（锋面气旋的后期变为涡旋云系）；3）逗点云系：形如逗号的云系。它形成和发展的原因是大气的非均匀旋转，使云块变形造成的。（高空槽前逗点云系，锋面气旋的初期，高空槽正涡度平流，高空急流）4）斜压叶状云系：气象卫星图像上，与高空西风急流中的锋生相联系的一种植物叶片状云型，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。（西风带中的锋生区和气旋生成有关）5）变形场云系：（高空急流、锋面、高空槽线、正涡度平流）6）细胞状云系：卫星图像上的形似细胞状的云称作细胞状云系。其直径为4080km，是由于冷空气受到下垫面加热，在水汽较充分的条件下形成的。开口细胞云：一般出现在深厚不稳定的冷气团中，例如：冬季洋面冷锋后温差较大的区域，形成开口细胞状云，呈指环状或U形，主要以积云、浓积云组成，有时会有积雨云；副热带高压中也会出现细胞状云系。闭口细胞云：一般出现在稳定的冷气团中，例如：冬季洋面冷锋后温差温差较小的（对流活动强、急流轴)2. 逗点云系组成和形成：1)概念：形如逗号的云系。它形成和发展的原因是大气的非均匀旋转，使云块变形造成的。 2)形成：初生：“S” 形后边界，头部，尾部，干舌；发展： 宽而凸起的头部，尖的尾部云带，涡旋中心为尖点；成熟： 大尺度逗点云系，包括三部分：涡度逗点云系、斜压叶状云系、变形云带。（斜压叶状云系：层状云为主，顶部卷层云；涡度逗点云系：对流性中低云为主，降水为阵性，冷锋、锢囚锋相关。通常隐藏于斜压叶云系下；变形场云系：在云系头部，以卷状云为主。通常涡度逗点云隐藏在斜压叶状云系的下面。）3.斜压叶状云系变逗点云系：当斜压叶状云系对应的高空槽振幅加大，也就是槽后偏北气流加大，并侵入斜压叶云区，由于高空干冷下沉气流的作用，云区西北一侧的云顶降低变暖，其S形后边界更明显。由于高空西北气流以气旋性方式侵入云区，最后斜压叶云系演变成涡度逗点云系。4. 温带气旋的发展过程、生命史：波动阶段：锋面云带变宽，云区向冷空气团突起，出现暖锋锋生，云区的色调变白，中高云增多，顶部卷云表现为反气旋弯曲，云区没有涡旋结构，但在卫星云图上已可确定其发生； 发展阶段：锋面云带向冷区凸起部分越来越明显，凸起的中高云区后部边界开始向云区内部凹进，干舌开始形成，凹的地方出现一些不连续的断裂云系； 锢囚阶段：气旋后部的干舌越来越明显，冷锋云带显著加大，出现明显的螺旋结构，锢囚云带伸到气旋中心，在冷锋后的冷气团内出现一条条围绕气旋的弯曲云线； 成熟阶段：螺旋云系最典型，云带可以绕气旋中心旋转一周以上，干舌伸至气旋中心，表明水汽供应已被切断，涡旋云系中心于地面到500hpa高低空的低压中心相重合，表明气旋不再继续； 消散阶段：螺旋云带断裂，云系不完整，云区内中高云甚少，以中低云为主，云区出现无云区，冷锋云带与螺旋云带