卫星气象应用基础知识

气象卫星遥感的基本原理各观测通道（主要是红外和可见光）卫星图像的特征和典型应用3卫星云图判识和分析4在强对流台风暴雨等天气系统分析中的应用卫星气象应用基础知识

气象卫星的现状和发展

(1)气象卫星的种类按轨道划分按功能划分两类轨道卫星图像中国气象卫星系统的构成分工1.卫星星体航天工业总公司.遥感探测器中科院研制2.运载火箭航天工业总公司

3.发射系统太原和西昌卫星发射中心

4.测量控制系统西安卫星测控中心5.地面应用系统国家卫星气象中心中国的气象卫星－风云系列卫星极轨气象卫星－风云奇数号系列地球静止气象卫星－风云偶数号系列(1)极轨气象卫星的研制和发射1977年FY-1号气象卫星正式列入国家计划1988年9月7日第一次发射，命名为FY-1A1990年9月3日第二次发射，命名为FY-1BFY-1A、FY-1B发射成功，5通道扫描辐射仪性能好，获取的图像质量高，均因三轴稳定控制系统方面出现问题，其寿命未达到设计要求中国的极轨气象卫星—FY-11988年9月7日FY-1第一颗卫星上天近极地太阳同步轨道，三轴稳定，寿命39天。姿控问题5通道扫描辐射仪FY-1AVHRR特征表（星下点分辨率1.1km，幅宽＞2600km）通道波长（μm）主要用途

10.58－0.68白天云图，地面特征

20.725－1.1白天云图，水陆边界，云雪，植被

30.48－0.53海洋叶绿素

40.53－0.58海洋叶绿素

510.5－12.5昼夜云图，洋面温度1990年9月3日发射同类卫星，正常工作165天姿控问题1999年5月10日发射FY-1号第三颗星10通道扫描辐射仪，工作寿命达到设计任务书要求风云一号第三颗星10通道可见光和红外扫描辐射计观测波段与应用表

通道波长（μm）空间分辨率（星下点、km）

信噪比（S/N）

数据量化等级（bit）应用范围（括号内为实测量）10.58~0.6820.84~0.8933.55~3.93410.3~11.3511.5~12.561.58~1.6470.43~0.4880.48~0.5390.53~0.58100.900~0.9051.11.11.11.11.11.11.11.11.11.1≥3（14.6）≥3（18.4）温度探测灵敏≤0.8k（0.25k）温度探测灵敏≤0.45k（0.20k）温度探测灵敏≤0.45k（0.27k）≥3（4.5）≥3（22.5）≥3（26.2）≥3（24.8）≥3（16.2）

10101010101010101010白天云、冰雪、植被白天云、植被、水陆区界、大气状况、冰雪昼夜图像，高温热源，地表温度，森林火灾昼夜图像，海表、地面温度昼夜图像，海表、地面温度白天图像，云雪判识，干旱监测，云相区分低浓度叶绿素（大洋水体）中浓度叶绿素，泥沙，海水衰减系数，海冰高浓度叶绿素（近海水体），海流，水团水汽1999年5月10日FY-1C发射成功，其寿命超过3年的设计要求

2002年5月15日FY-1D发射成功在轨运行的FY-1D主要特点“FY-1D”卫星的轨道特征轨道类型高度倾角偏心率升交点太阳同步轨道866km98.80＜0.058：20am“FY-1D”卫星的数据服务有两种方式：高分辨率实时数据传输和延时数据传输。实时数据传输以1.3308Mbps的速率播送10个通道的观测数据。延时数据传输在卫星离开地面系统接收范围时，将观测数据在星上暂时储存，在卫星下一次通过地面系统接收范围时回放。“FY-1D”卫星可以存储4个通道(0.58~0.68μm，0.84~0.89μm，10.3~11.3μm，11.5~12.5μm)3.3km水平分辨率的全球数据，以及局部地区10个通道1.1km水平分辩率的数据。新一代极轨气象卫星：FY-3首发星：FY-3A

2008年5月27日发射！仪器通道光谱范围扫描点/每条扫描线星下点分辨率(km)探测目的扫描辐射计VIRR100.43–12.5μm

20481.1云、气溶胶,水汽总量,云特性,植被,地面特征,表面温度,冰雪等中分辨率光谱成像仪MERSI200.41–12.5μm

2048/81921.1/250海洋水色,气溶胶,水汽总量,云特性,植被,地面特征,表面温度,冰雪等微波成像仪MWRI1210.65–150GHz24015-70雨率、云含水量、水汽总量、土壤湿度、海冰、海温、冰雪覆盖等

红外分光计IRAS260.69–15.5μm

5617大气温、湿廓线,O3总含量等微波温度计MWTS450–57GHz1550-75大气温度廓线微波湿度计MWHS5150–183GHz9815水汽,表面特征臭氧总量探测仪TOU6308–361nm3150O3总含量紫外臭氧垂直探测仪SBUS12250–340nm240200O3垂直分布太阳辐射测量SIM10.2～50μm

太阳辐射照度地球辐射测量

ERM40.2～3.8μm

0.2～50μm

1502°×2°

地球辐射总量地球辐射亮度FY-3仪器参数风云三号(FY3)气象卫星；、FY-3号的特点和主要进步是：①太阳能帆板自动对日进行定向跟踪，以提高星上能源系统的功率；②采用一个S波段，两个L波段，共3个信道传送资料，以满足星上多种探测器资料的发送和获取全球资料的需求③FY-3（01批）星有11种探测仪器、它们是可见光红外扫描辐射计、红外分光计微波温度计、微波湿度计、中分辩率光谱成像仪、微波成像仪、紫外臭氧垂直探测仪、紫外臭氧总量探测仪、地球辐射探测仪、太阳辐射监测仪、空间环境监测器[3]。中国第二代极轨气象卫星2008年5月27日发射太湖蓝藻监测图像图太湖蓝藻监测专题图图,FY-3A太湖蓝藻监测图像（2008年08月27日10时20分）2008年07月16日18时45分2008年07月23日14时55分2008年07月30日19时25分2008年08月07日15时15分图，FY-3A中分辨率光谱成像仪250米分辨率海冰监测图(2)地球静止气象卫星的研制和发射1986年中国的第一颗静止气象卫星FY-2正式列入国家计划1997年6月10日在西昌第一次发射第一颗静止气象卫星命名为FY-2A多通道可见光红外扫描辐射仪工作正常，图像质量好。消旋天线故障，此星的寿命未达到设计要求

2000年6月25日第二次发射成功，命名为FY-2B消旋天线故障被克服下行信道信噪比降低，扫描辐射仪在观测南半球时运动部件的摩擦力增加星蚀前后45天不能正常工作

中国的地球静止气象卫星—FY-21997年6月10日第一颗FY-2号卫星上天自旋稳定定位于105°E赤道上空。10个月后天线失锁探测功能，3通道VISSR（0.5－1.05，10.5－12.5，6.3－7.6）数据收集功能DCP通讯转发功能S波段转发器空间环境监视功能SEM2000年6月25日第二颗FY-2号卫星上天2001年3月通讯故障，中断工作我国第一颗地球同步试验气象卫星于1997年发射，历经了两个批次，从2004年风云二号02批FY-2C发射成功，真正使我国静止气象卫星观测进入业务运行。2007年FY-2D正式投入业务，实现了我国静止气象卫星的双星观测。目前正在规划发展第二代静止气象卫星风云四号。静止气象卫星：FY-2FY-2A/B(实验)FY-2C/D/E/F/G/H(业务)通道波长(μm)通道波长(μm)10.5-1.05(6bits)10.5-0.9(6bits)26.3-7.6(8bits)23.5-4.0(10bits)310.5-12.5(8bits)36.3-7.6(8bits)

410.3-11.3(10bits)

511.5-12.5(10bits)风云二号卫星通道参数FY-2DB:86.5０FY-2CA:105０双星观测显著提升业务观测能力FY-2C、2D双星汛期加密观测每天双星96张云图；观测间隔由30分钟缩短至15分钟，大大加强了对突发中小尺度天气系统的监测及预警服务能力东西有效覆盖范围：26.5°～165°E，约138.5°东西重叠区：45°E～146.5°E，约101.5°完全覆盖我国领土FY-2DB:86.5ºEFY-2CA:105ºE

业务气象卫星探测系统由极轨和静止两类业务气象卫星组成极轨—低轨、高空间和光谱分辨、全球覆盖静止—高轨、高时间分辨率两类轨道卫星在探测的覆盖范围，时空分辨率和探测项目及精度等方面相互补充、相辅相成，构成一个整体1气象卫星遥感的基本原理

卫星遥感和地球大气辐射遥感的定义广义而言，泛指各种非接触的、远距离的探测技术。是一门新兴的科学技术。从远距离、高空、以至外层空间的平台上，利用可见光、红外、微波等探测仪器，通过摄影或扫描、信息感应、传输和处理，从而识别被测物质的性质和运动状态。按遥感器工作的方式分类：主动式遥感，又称有源遥感。用人工产生的电磁辐射源照射目标，再根据所接收的目标的反射电磁波特征来识别目标的遥感器。被动式遥感，又称无源遥感。利用自然辐射源，如太阳光线、宇宙射线、物体自身发出的红外辐射等来测出目标的反射、散射或发射的电磁辐射能。按遥感器工作的波段分类：可见光遥感红外遥感微波遥感激光遥感等卫星图象是通过辐射计测量太阳、地球和大气所发射的散布在空间的电磁辐射而得的。

所有的固体、液体和气体都发射电磁辐射。

辐射源越热，其发射辐射的强度就越大。

按照普朗克函数，辐射源的温度可以根据其发射辐射的强度来计算。

这一点是卫星遥感的基本原理。地球大气的电磁波谱辐射特征

无线电射频波段，波长大于10cm（频率低于3GHZ）的谱区，

主要用于主动遥感，如：成像雷达、高度

计、探测仪器

无线电微波波段，波长10cm－1mm（频率3GHZ－300GHZ）

主要用于微波辐射计、分光计及雷达系统

红外波段，波长1mm－0.7μm，进一步可分为亚毫米波、远

红外、热红外和近红外

分子的转动和振动是红外电磁波与物质相

互作用的主要机制。主要用于成像仪、分

光计和辐射仪等

可见光波段，波长0.7μm－0.4μm。电子能级跃迁是主要机制

紫外光谱区，波长0.4μm－300A

X射线（300A－0.3A），γ射线（λ＜0.3A）电磁波谱通过大气的太阳辐射或地球大气系统辐射将被大气中某些气体所吸收，这些吸收随波长的变化很大，在某些波段的吸收很强，而在另一些波段的吸收则很弱，在这些吸收最弱的波段，太阳辐射和地球大气辐射可以象光通过窗户那样透过大气，这些波段称做大气窗。大气窗区

可见光0.55－0.75μm

近红外0.8－1.1μm

1.45－1.80μm

短波红外3.55－3.75μm

热红外10－12μm

窗区内仍有少量吸收，如：弱吸收线、强吸收带的翼线，在可见光和近红外区尚有气溶胶的散射作用吸收带和大气窗在气象卫星遥感中，主要采用可见光波段红外波段微波波段黑体的全波长辐射本领与绝对温度的4次方成正比

黑体温度只要有很小的变化，就会引起辐射很大的变化

对于用辐射精确推算温度十分有利

斯帝芬-波耳兹曼定律亮度温度Tb

如果物体发射的辐射亮度（辐射强度）与温度为Tb的黑体辐射亮度相等

黑体的温度Tb

叫做该物体的亮度温度亮度温度比实际温度低亮度温度是

用卫星测到的辐射能的值

计算出来的(使用辐射定律)地球-大气系统的辐射

红外辐射

95%集中于4-120微米

最大辐射相应波长在10微米附近大气气体的长波吸收

二氧化碳15微米

水汽6.7微米

臭氧9.6微米通道—根据探测目的，气象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。五通道卫星图象风云二C5个通道Channel Wavelength(μm)VIS 0.55～0.90

IR1 10.3～11.3

IR2 11.5～12.5IR3 6.3～7.6

IR4 3.5～4.05个通道通道1

可见光通道图象在可见光通道探测到的辐射与物体反照率太阳天顶角（或高度角）有关。反照率的定义是自某物体返回空间的太阳总辐射能与投射到该物体的总的辐射能之比。在可见光图象上

反照率越大，色调越白亮

反照率越小，色调越暗

云是白的地表或云 主要特征 反照率

积雨云 大而厚92 层积云 陆地上，云量>80% 68

沙漠 白砂60 湖泊、海洋 7

高反照率的云具有的特点：云的厚度大；云水(冰)含量高；云滴的平均尺度小。低反照率的云具有的特点：云的厚度小；云水(冰)含量低；云滴的平均尺度大。船迹比云亮

C飞机尾迹

云滴↓

反照率↑Cb云92%层积云68%白沙漠60%大洋7%风云二号C静止气象卫星上的可见光波段通道是0.55-0.90微米星下点分辨率1.25公里北纬50度2公里云团暗影可见光通道2、3

窗区红外图象

什么窗？风云二号C静止气象卫星红外波段通道是：10.3-11.3微米和11.5-12.5微米。气象卫星在10.5-12.5微米红外波段接收的辐射是地面和云面发射的长波红外辐射太阳辐射完全忽略物体温度越高，气象卫星接收到的辐射越大温度越低，辐射越小如果将这辐射转换成黑白图象辐射大（物体温度高）用黑色表示辐射小（物体温度低）用白色表示静止气象卫星红外图象

星下点分辨率

5公里

北纬50度8公里通道4

红外水汽吸收带图象水汽图象

6.7µm波长

属红外波段

水汽强吸收带在包括水汽通道在内的红外谱段辐射是由云、降水、地面之类的实体放射的辐射强度与发射辐射的物体或物质的温度有关通过测量自下而上的辐射强度卫星仪器可以探测诸如云顶、陆地、海面等实体的温度如果在物体与卫星之间存在水汽这些水汽会吸收一部分向上的辐射并会再辐射因为水汽通常冷于从下向上发出辐射的地面与云顶，水汽的再辐射通常发生在较小的能量水平上到达卫星的辐射路径上存在水汽的影响会减弱卫星观测到的净辐射强度由于水汽的存在，卫星测得的温度要比实际低就是根据这个道理，卫星可以探测悬浮在大气中的水汽透射比—用辐射向上穿过大气时被吸收后透过部分的比例表示，在0-1之间权重函数—每300m厚度的大气层对到达卫星的总辐射所作贡献的百分率最大贡献层—最大权重函数值的高度，用具有最大贡献的300m厚气层中点的等压面表示（不包括地球表面的贡献）等效气压—其气温等于亮温的等压面大气中的水汽含量对水汽图像测值的影响大气中原来存在的温度梯度是用红外水汽吸收波段探测大气状态的基础通道5

大气窗区短红外图象IR4 3.5～4.0本通道的中心波长是3.7μm3.7μm是大气窗区它位于反射太阳辐射及地球、云所发射的辐射之间的小重叠区中夜间它与标准红外波段一样白天太阳和地球的辐射混合在一起夜间：图象的解释执行标准红外图象的规则

白天：用可见光图象的规则描述3.7μm图象，辐射越大，色调越白，云为白色。白天：高辐射强度并不对应着高的温度，而是象可见光图象一样对应着高反射率的云

若按照夜间的规则（即红外图象的规则）云就该表示成黑色。用3.7μm图象判别大水滴

大于10μm水滴和冰晶对3.7μm波段的辐射有强烈的吸收

卫星收到的辐射就少，在白天的图象上，有大水滴的云色调黑暗云在白天的可见光和3.7μm图象中的表现

可见光图象3.7μm通道图象

云呈灰或白色云可从黑到白的任何色调

多次散射云很亮无多次散射云呈黑色

反照率取决于云厚和含水量反照率取决于云滴的大小

透过高层薄云能看到低层云透过高层薄云不能看到低层云可见光图象红外图象3.7通道用3.7μm图象判别雾

在IR图象上，雾顶与周围地表温度相近，则不能被识别

在3.7μm通道，地面的发射相当于黑体，而云不是黑体，发射率0.9（温度相同，辐射不同）在地表和云温度相同时，地表的辐射大于云

因此地表暖于云（用辐射反算温度时）

故可区分地表和雾（低云）可见光红外不是锋面气旋是槽红外(IR)图象提供有关云纹理结构信息的能力

比可见光(VIS)图象差，

因为它是基于观测发射辐射

而非散射辐射的在可见光图象上识别各种云的相对高度是不容易的，

在红外图象上可以根据云的色调差异，识别云的相对高度，可见光与红外图象色调的比较比较红外和水汽图象比较红外和水汽图象优点：

可区分地面和低云

可区分云厚和疏密（和雨量和云厚有关）

空间分辨率高

形象直观

致命的缺点：

日落后缺失资料（对流和强降水有夜间多发性）

正午前后缺少层次

共同的缺点：

只能提供云顶表面的信息可见光云图（可见光反照率）优点：

日夜都有，24小时不间断

可区分云高

可定量反演云顶黑体辐射亮温Tb（云顶高）

可估计降水强度（与云顶高有一定关系）

可反演云迹风

重要缺点：不能区分地面和低云

共同缺点：只能提供云顶表面的信息红外云图

（来自地球的红外辐射，大气窗区）优点：

日夜都有，24小时不间断

可提供无云区的信息

可提供连续的大气水平运动信息

定量反演的水汽风具有高的覆盖率

可判断垂直运动和天气系统的动力学性质

重要缺点：

主要反映对流层中层400~600hPa的水汽水汽图象（水汽的黑体红外辐射-水汽亮温，水汽吸收线通道，湿层的温度/高度）2卫星云图判识和分析

“FY-1D”卫星多通道可见光红外扫描辐射仪

的观测通道波谱位置和主要用途通道波谱位置(μm)主要用途1o.68~0.85白天的云图、冰、雪、植被

20.84~0.89白天的云图、植被、水汽

33.55~3.95地表热源晚间的云图

410.3~11.3海表水温、白天和晚间的云图

511.5~12.5海表水温、白天和晚间的云图

61.58~1.64土壤湿度、冰、雪

70.43~0.48海洋水色

80.48~0.53海洋水色

90.53~0.58海洋水色

100.9~0.965水汽2004年10月19日FY-2C发射成功

FY-2C遥感仪器的观测通道通道波段应用目标CH1CH2CH3CH4CH50.55－0.903.5－4.56.3－7.610.3－11.311.5－12.5白天云图高温热源、云结构对流层中部水源昼夜云图、SST昼夜云图、SST可见光图像（VIS）是太阳辐射经地球——大气系统散射或反射后到达卫星所得到的图像。取决于地表或云的散射、

反射能力和太阳辐射强度。

红外图像（IR）是通过接收10-12μm波段地气系统辐射得到的图像。取决于下垫面或云面的温度。

水汽图像（WV）是通过遥感大气水汽吸收波段的发射辐射得到的图像。大气低层的水汽不能到达外空。卫星的辐射主要来自对流层上部。

3.7μ通道图像由散射的太阳辐射和地气系统的发射辐射组成。这一通道图像的解释比较复杂。各种云和下垫面反照率

（1）气象卫星云图的判识依据

形式或结构范围大小边界形状亮度或色调暗影纹理暗影示意图卫星云图上三种云的特征表（2）云和云系的识别卷状云、层状云和积状云

卷状云由清晰的纤维状纹理和条状纹理来识别层状云与稳定的大气层结有关，厚的雾、层云、高层云、雨层云云形光滑，无组织积状云是大气稳定度的表征，有带状、细胞状、波状或圆状等云型卷云、暗影和急流云系云型

云型是大气动力过程的结果，是大气动力和热力状态的综合体现。

中尺度云型云线长30km—数百km不等，由对流云组成细胞状云（开口和闭口）直径40—80km

开口状不稳定细胞状云，发生在普通对流单体和云线之间，主要由浓积云组成闭口状主要由层积云组成波状云长几km—几十km，成带状，一般由地形阻挡形成，（风向与山脊正交，大气层结稳定，云带与山脊平行）暗影纹理短波槽云细胞状云系

是由于冷空气受到下垫面的加热，并在较好的水汽条件下形成的开口细胞状云系表现为中间无云，四周有云呈环状由积云浓积云组成出现于气流呈气旋性弯曲的不稳定冷气团内闭合细胞状云系表现为中间有云、四周无云的球状，由积云组成。出现于气流为反气旋弯曲的稳定气团内。静止锋云系NOAA云图逗点云系热带云团热带季风槽热带辐合带东北锢囚气旋华北冷涡细胞状云

园形＜5m/s，椭园形5—10m/s，马蹄形10—15m/s，长条形15m/s水汽图象上的涡旋水汽图象上的

边界头边界对流大陆天气尺度的头边界头边界（300hPa分析）在高层水汽扩散方向与周围高空风场方向相反的一侧，往往会形成“阻塞”清晰的边界形成于垂直上升运动产生湿区的上游一侧，这种特定类型的阻塞过程称为“头阻塞”天气尺度系统的头边界平行急流边界“干缝”类暗区一般在垂直方向上很深厚，并有干空气向下延伸到近地面。

本例中深厚是指在红外云图和可见光云图上“干缝”区没有低云。干涌边界斜压叶边界底涌边界内

边

界回

流

水

汽

边

界边界小结边界小结在水汽图象上

不能看到

700百帕（3000米）以下的

云和地表3在强对流台风暴雨等天气系统分析中的应用

中尺度涡旋水平范围50－200km，由一条或多条

不同云量的螺旋云带组成。由地形障

碍或风切变或热力效应形成，小串地

形中尺度涡旋可在山峰背面的层积云

和层云场中形成

天