卫星气象整理

182第一章1.1960年4月1日，TIROS卫星升空，开创了人造卫星应用于气象的新纪元。什么是气象卫星，气象卫星用以什么目的气象卫星: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。3卫星气象遥感探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）遥感探测概念在一定距离之外，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。分类按工作方式分为：被动遥感和主动遥感；按波段分为：紫外遥感、可见光遥感、红外遥感和微波遥感；按对象分为：大气遥感、海洋遥感、农业遥感和地质地理遥感等。设备传感器，运载工具，接收系统内容各类物体的辐射波谱特性及传输规律的研究；遥感信息获取手段的研究；遥感信息的处理与分析判读技术的研究。气象卫星资料直接在天气预报、大气科学研究中的应用。（气象气象学内容）气象卫星的种类按轨道划分：近极地太阳同步轨道卫星倾角90度地球同步轨道卫星倾角为0度非同步轨道卫星倾角在90到0之间按功能划分：试验气象卫星业务气象卫星现有和未来静止业务气象卫星（了解）中国：FY—2C/D/E（105°E,86.5°E,…）（后续FY-2F,未来FY－4）美国：GOES-E/GOES-W（135°W,70°W）（未来GOES-R）欧洲：METEOSAT-5/7,MSG（63°E,0°E）（未来MTG）日本：MTSAT-1R/2R（140°E）三轴稳定俄罗斯：GOMS（76°E）印度：INSAT（83°E）中国的气象卫星的命名：极轨气象卫星－风云奇数号地球静止气象卫星－风云偶数号第二章卫星运动三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;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);卫星轨道周期的平方与轨道的半长轴的立方成正比卫星在椭圆轨道上的总能量为：W(总能量)=(mv2)/2(动能)-卩m/r(势能)=-卩m/2a因此，卫星在轨道上的运行速度为v2=卩(2/r-1/a)——卫星活力公式卫星运行周期椭圆轨道：T2=4兀2a3/卩圆轨道： T2=4兀2(r+h)3/卩轨道越高，速度越小，周期越长(1)轨道倾角：指赤道平面与轨道平面间的(升段)夹角。升交点与降交点：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。截距(L)：连续两次升交点之间的经度数。周期(T)：指卫星绕地球运行一周的时间截距和周期的关系：L=T*15度/小时星下点：卫星与地球中心连线在地球表面的交点称为星下点。★近极地太阳同步轨道气象卫星的发展分为近极地轨道(又称近极地太阳同步轨道)卫星系列和地球静止轨道(又称地球同步轨道)卫星系列两类。概念：卫星轨道面与太阳的相对取向保持不变，即，卫星几乎以同一地方时(升段或降段)经过世界各地。特点：如何实现：(1)卫星轨道平面随地球绕太阳公转时的平动卫星轨道平面因地球椭形而进动优点：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时间差达100多分钟，拼图不利。地球同步静止卫星轨道卫星的倾角等于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。卫星相对于地球而言是静止的（没有任何方向上的运动）。优点：（1）高度高，视野广；（2） 对同一地区连续观测；（3） 监视中小尺度天气系统；（4）圆轨道，定位、处理、接收方便。缺点：（1）不能观测两极；（2）高度高，精度难提高。7．太阳同步轨道的特点优点：（1） 轨道为圆形，轨道预告、接收和资料定位方便；（2） 可实现包含极地的全球观测；（3） 在观测时有合适的太阳照明，有利于资料处理和使用；（4） 仪器可以得到充分的太阳能供给。缺点：（1）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；（3）相临两条轨道的观测资料时间差达100多分钟，拼图不利。第三章电磁波（1）波段r射线、x射线、紫外线、可见光（波长0・35—0.76卩m）、红外线、微波参数：九波长v波数（1厘米长度内含有的波数）f频率 c光速=3 1010厘米/秒。c=仏波在真空中的速度。九二九/n波在介质的波长。V=f九波在介质中的速度。nnn=3.屮）12介质折射指数。s介电常数，卩磁导率。rr r r关系：九f=c f=C/九 九=c/f v=1/九=f/c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）辐射通量（①）：指在单位时间内通过某一表面的辐射能。二Q/t ①=SQdt单位:焦耳/秒（J/t）辐射通量密度（F）:指通过单位面积的辐射通量。F=①/A F=QOQA朗博体：F=nL电磁波的量子特性电磁辐射既有波动特性，也有粒子特性。波长较长的可见、红外线波动性表现明显；而波长较短的r、x射线，其粒子性表现明显。电磁辐射在空间传播时，常显示出波动性质；电磁辐射的吸收和发射时，显示出粒子的性质。3•维恩位移定律：在一定温度下，绝对黑体的与辐射本领最大值相对应的波长入和绝对温度T的乘积为一常数斯蒂芬-波尔兹曼定律定义全谱段辐亮度B（T）JB（T加=卜2c2处5”0九 0echKT-1记常数b=2兀4k4/（15c2h3），可得B（T）=bT4黑体辐射是各向同性的，因此黑体发射的通量密度为F=nB（T）=oT4式中o=5.67x10-8瓦•米-2.度-4（斯蒂芬-波尔兹曼常数）。即，黑体表面发射的通量密度与T4成正比。发射率的概率，意义答：指辐射体的出射度M，与同一温度下黑体的出射度M的比值。公式：£=M，/M由于辐射体发射的辐射随波长而变，所以发射率也是波长的函数，写为&（九）。6，基尔霍夫定律的概念，意义答：概念：记£A是物体的比辐射率或发射率，aA是物体的吸收率。在由辐射源与物体构成A A的热力平衡系统中，有£A=aAAA意义：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。7，亮度温度（低于实际温度，及其原因）答：亮度温度的定义：在给定波长处，如果物体的辐射亮度L九（T）与温度为Tb的黑体辐射亮度相等，即La（T）=Ba（Tb）则称Tb为该物体的亮度温度。A A b b低于实际温度的原因：亮度温度（鼻）又称等效黑体温度或辐射温度。由于ba（T）＞LbAA（T）=BA（Tb），所以"T。8，光学厚度的概念

(-i1k,p(l)dl)答：0九 (比尔吸收定律式子中)9，比尔吸收定律答：辐射率.通过有吸收、无散射介质dl距离，辐射改变量-d.与吸收气体的含量A ApdAdl、L成正比AdL=-Lkp(l)dlA AA式中p(l)吸收气体的密度，kA分谱质量吸收系数(厘米2•克-1),它是给定介质热力A状态的函数，kAp(l)=aA是体积吸收系数(厘米-i)o对上式沿0—1积分得A AL=L°exp(-:k九p(l)dl)L九是辐射进入介质时的分谱辐射率。这就是比尔吸收定律。9-1，透过率答：在仅考虑吸收的情况下，分谱透过辐射La与分谱入射辐射Lao之比称为辐射通过A AO介质OtI距离的分谱辐射透过率。5（0,5（0,l）=Wk尢（l）p（l）dl]9-2太阳光谱答：太阳辐射能主要集中在0.3-3.0微米，辐射最大值位于0.47微米,色温度TcT二二289=289-616.9KC九 0.41/4能量在波长v0.47微米的谱段内，46%的能量在0.40—0.76的可见光波段，假设太阳是理想的黑体，贝冋由斯蒂芬■波尔兹曼定律和维恩位移公式计算出太阳的有效温度Te:e（E日）1/4 =（ 4兀R日）1/4o10，大气窗和大气吸收率：概念，应用答：概念：太阳或地球-大气的辐射在大气中传输时被大气中的某种气体所吸收。吸收随波长变化很大，在一些波段吸收很强，在另一些波段吸收很弱或没有吸收。对辐射吸收很强的波段就称为该气体的吸收带；吸收很弱或没有吸收的波段称为大气窗。应用：辐射与大气和地表之间的相互作用表现为辐射的发射、吸收和反射，这为卫星遥感地表和大气提供了大量的信息。例如卫星在大气窗区波段可以测量地面、云层反射或发射的辐射，从而可以得到地表、云面的反射特性或温度分布；卫星在吸收带测量，可以得到大气温度和成分。根据测量的目的，卫星选择不同的波长间隔进行测量，这种波长间隔称做通道。为更多地获取地面、云层和大气信息，目前卫星测量使用的通道很多。11，气象卫星接收到的辐射包括什么：①地面和云面发射的红外辐射地面和云面反射的太阳辐射地面和云面反射的大气向下的红外辐射大气各成分发射的红外辐射大气对太阳辐射的散射辐射TOC\o"1-5"\h\z12.红外辐射传输方程：概念，物理意义解：（1）概念：卫星在红外波段接收地气系统发射辐射的表达式，即红外辐射在大气中的传输方程。 ，a，L@）=£B[T（pb（p,0）+J0B[T（p，）]（p,°）dp九 s九九 0九0 九 dP（2）物理意义：在红外波段到达卫星的辐射L（0）由两部分组成：（1）地面辐射项： （上式前半段）表示从地面发射的辐射（上式到TP0为止）透过大气层进入空间的辐射。（2）大气辐射项：J0B[T（p，）]叫（P,，0）dp，表示从地面到大气顶整层气体p0入 dp发出并能进入空间的辐射。13.权重函数：概念，意义，应用解:（1）权重函数定义/、du(解:（1）权重函数定义(Z)=亍〜(zE(z)（2）意义：（3）应用;14卫星云图：观测原理，通道（辐射来源）解：VIS通道：0.52—0.68,0.58—0.68 m等大气窗〜可见光云图0.725—1.1mf近红外云图IR通道：10.5—12.5 m大气窗f长波红外云图3.55—3.93m大气窗f短波红外云图5.7—7.3m水气吸收带f水汽图灰阶规则解：VIS：反射强,辐射测量值大，用白色表示，如厚云区；反之，用黑色表示。IR：温度低，辐射测量值小，用白色表示，如厚云区；反之，用黑色表示。红外云图规则解：(1)长波红外云图(10.5—12.5m大气窗)L入(0s)=S入B入(TS) (0s)〜B入(TS)卫星观测到的辐射LA(0s)与物体温度有关。物体温度越高，卫星观测到的辐射L入(0s)就越大，卫星云图的色调就越暗；物体温度越低，卫星观测到的辐射L入(0s)就越小，卫星云图的色调就越亮。(辐射大用黑色表示，辐射小用白色表示)。(2)短波红外云图(3.55—3.93m)短波红外测温精度比长波红外通道高。短波红外通道的大气衰减也比长波红外通道小水汽图规则解：通道：5.7—7.3um水汽强吸收带，吸收带中心为6.7um。大气中水汽含量越大，对其下发出的辐射吸收就越强，到达卫星的辐射就越小。所以水汽图色调越白，表示水汽越多。反之，色调越黑，表示水汽越少。第四章几种分辨率：概念，关系(空间重点)1、 空间分辨率：是指卫星在某一时刻观测地球的最小面积。卫星的瞬时视场决定了卫星的空间分辨率。空间分辨率可以由卫星观测到的最小面积直径表示，单位为km。空间分辨率也可以用卫星的瞬时视场角表示，单位为弧度。瞬时视场：从卫星到观测地表面积之间构成的空间立体角。像素：卫星从某时刻到观测到的辐射就是与瞬时视场相应的地表小块面积内所有物体反射或发射的辐射的总合，这小块面积称做像素。像素是构成云图的最小单位。2、 灰度分辨率或温度分辨率64级=26,256级=28,1024级=2103、 时间分辨率平均在一个象素上的凝视时间4、 空间、灰度/温度、时间分辨率之间的关系空间分辨率、灰度/温度分辨率、时间分辨率三者是相互制约的。

扫描方式种类（a）单个探测器线扫描 （b）多探测器扫描 （C）线性阵列探测器前推式扫描 （d）圆锥扫描2.资料处理，预处理（了解）（1）静止卫星资料一次处理内容：编制各种文件；对VISSR校正；进行图象变换、图象参数。预处理：原始数据不能直接应用在业务中，还必须进行数据分离、质量检测、定标、定位，并转变成易处理和使用的格式，这种从原始数据到直接可以使用的转换过程称做预处理。预处理以原始数据为主，附加定标和地球定位信息。预处理获得Level1数据.（2）图象预处理：消除畸变、加网格、坐标变换；亮度或灰度变换。即数据解调、数据流分离（按通道、按数据特征）地面接收卫星资料：概念，原理，方位角A卫星资料的发送（1） 观测资料实时发送（2） 观测资料存储发送（极轨卫星）B卫星资料的接收卫星地面接收站有两种：一是指令接收站二是图片接收站，分为高分辨率接收站HRPT和低分辨率自动接收站APT原理：？2、方位角°的求取在求出大圆/后，就能确定方位角a,由球面三角的正弦定理sina_sinb_sinesin4sin5sinC以/=A2、4=/、C二a和c=90°—0$代入上式得sinasinA/lsinasin〃sin(90°~(ps)sin6即得sin6或是a=sin"a=sin"1sinA2cos(pssin5仰角的求法图像增强处理目的：特征信息的提取，模糊的图像变清晰，突出某些感兴趣的目标手段：光学、电子模拟、数字处理内容：复原、几何校正、增强、统计分析、分类识别第五章云图的基本特征A、 可见光（0.5-0.6微米）云图的特征（1）.在一定的太阳高度角下，物体的反照率越大，它的色 调就越白；反之，就越暗。云的反照率决定于云的厚度和相态。水面反照率一般小于陆地，但镜面反射除外。（2） .太阳高度角越大，它的色调就越亮；反之，就越暗。故有色调日变化、季节变化等（3） .外空不反射太阳光，为黑色。有时会看到月亮。B、 长波红外（10.5-12.5微米）云图的特征卫星观测到的辐射越大，云图像素色调就越暗；辐射越小，云图像素色调就越亮。即，黑灰像素：物体温度高。白亮像素：物体温度低或£小或辐射被衰减。（1） .地面色调随纬度和季节而变化。纬度越高，色调越白；夏季的色调比冬季的色调要暗（清晰）。（2） .海陆色调差异的季节变化：在北半球中高纬度地区，冬季海面温度高于陆面温度，云图上海面的色调比陆面要暗；而夏季正相反。（3） .云色调与云顶高度、云层厚度有关。受视场的影响，受光学路径的影响。（4） .外空热辐射近为0，为白色。C、 短波红外（3.55-3.95um）云图的特征（辐亮度和色调之间的关系）因反射太阳辐射的加入，比长波红外云图更复杂。D、 水汽图（6.5-7.2um）的特征水汽含量越多，色调越白；水汽含量越少，色调越暗。识别云的判据，不同云的特点在卫星云图上按云的高度可分为高云、中云、低云。按云类可分为卷状云、层状云和积状云。卷状云：包括卷层云、纤维状卷云、卷云砧、密卷云。特性：高度最高，冰晶组成，透明，反照率低，纤维状纹理/条状纹理。层状云：包括卷层云、高层云、雾、层云、雨层云。特性：水滴组成，与稳定的大气层结有关，出现时范围大，云的表面均匀、光滑，无一定的组织，高度低的层状云边界常与地形等高线一致，带、片状。积状云：包括积雨云、浓积云、高积云、层积云、卷积云。特性：是大气稳定度的表征，有带状、细胞状、近圆形、积云群、云带、云线、细胞状结构，纹理不均匀。积雨云色调最白，云顶比较光滑，近圆形的云团，在可见光云图上常具有暗影，积雨云的尺度相差很大。第六章不同云系的特征带状云系云带：宽而连续的云型，具有清晰的弯曲或不弯曲的长轴，长宽之比〉4：1,且宽度〉1纬距。如：锋面、ITCZ、急流等。云线：长宽之比〉4：1,长30—数百公里不等，且宽度＜1纬距。涡旋云系由一条或多条不同云量和云类的螺旋云带朝着一个公共的中心辐合形成，如：台风、气旋等。逗点云系形状如逗号“，”的云系。细胞状云系细胞状云系：直径40—80km开口（未闭合）细胞，呈指环、U形，大气不稳定，发生在普通对流单体和云线之间，主要由浓积云（Cu