2025年大学《应用气象学》专业题库- 气象卫星技术与应用研究

2025年大学《应用气象学》专业题库——气象卫星技术与应用研究考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、选择题（请将正确选项字母填入括号内）1.下列哪一种气象卫星属于太阳同步轨道卫星？A.静止气象卫星B.极轨气象卫星C.地球同步通信卫星D.大气静止气象卫星2.气象卫星上用于接收地面微波辐射的传感器主要是？A.可见光相机B.红外辐射计C.微波辐射计D.成像光谱仪3.卫星云顶亮温主要反映了？A.云层底部的高度B.云层顶部的温度C.云层中的水汽含量D.云的物理性质（水汽/冰晶）4.下列哪种大气参数较难直接通过被动微波遥感反演？A.大气温度廓线B.大气湿度廓线C.云水含量D.地面气压5.GOES系列卫星属于哪种类型？A.极轨太阳同步卫星B.地球同步静止卫星C.专用气象卫星D.科学研究卫星6.利用卫星红外探测通道测量地表或云顶温度时，主要依据的物理原理是？A.光的反射定律B.光的折射定律C.黑体辐射定律D.费马原理7.气象卫星数据中常用的“水汽图”主要是利用哪个波段的信息？A.近红外波段B.中红外的13.3μm和6.7μm通道C.微波的1.4GHz和22GHz通道D.可见光波段8.集合卡尔曼滤波在数值天气预报中的作用是？A.提高卫星观测数据的质量B.增强模式的物理过程描述C.将卫星观测融入数值模式，提高分析场精度D.减少模式计算量9.下列哪项不是气象卫星遥感的主要优点？A.观测范围广、覆盖面大B.可实现连续、重复观测C.数据获取成本高、技术复杂D.能穿透云层进行观测（针对某些微波通道）10.卫星遥感大气水汽含量的主要方法是？A.可见光云图识别法B.红外吸收光谱法C.微波辐射订正法D.气压梯度法二、填空题1.气象卫星按照轨道高度可以分为______卫星和______卫星。2.卫星传感器接收到的能量主要来源于目标的______和______。3.反射式遥感是利用目标对电磁波的______来获取信息的。4.被动微波遥感主要是接收______自身发射或对云、降水等散射的微波信号。5.卫星云顶亮温越低，通常表示云层越______或云中的水汽/冰晶含量越______。6.利用卫星遥感资料估算大气水汽含量时，常用的“差分温度法”通常涉及______和______两个红外探测通道。7.气象卫星数据同化是将卫星观测资料______到数值天气预报模式中去的处理过程。8.静止气象卫星的主要优势在于能够提供______的云图，便于进行______。9.极轨气象卫星由于______，能够实现对全球的______观测。10.卫星遥感资料在农业气象中的应用包括______监测、______估测和病虫害监测等。三、名词解释1.电磁辐射2.辐射传输3.卫星反演4.风云卫星5.数据融合四、简答题1.简述气象卫星遥感与地面观测在获取气象信息方面的主要区别。2.简述静止气象卫星和极轨气象卫星在轨道参数、观测特点和应用方面的主要不同。3.解释什么是大气窗口？为什么选择特定的大气窗口波段进行气象卫星遥感？4.简述卫星红外辐射计测量大气温度的基本原理。5.列举三种利用气象卫星遥感资料进行灾害监测的应用实例，并简述其原理。五、论述题1.论述气象卫星资料在现代数值天气预报中的作用及其主要的技术挑战。2.选择一种具体的气象卫星应用领域（如台风预报、气候变化监测、干旱评估等），详细阐述卫星遥感在该领域的主要应用方式、关键技术以及其重要意义。试卷答案一、选择题1.B2.C3.B4.D5.B6.C7.B8.C9.C10.B二、填空题1.静止，极轨2.发射，反射3.反射4.大气5.薄，少6.13.3μm，6.7μm7.同化8.同步，连续9.倾角小，全球10.作物长势，估产三、名词解释1.电磁辐射:物体由于具有温度而辐射电磁波的现象，是能量传递的一种方式。2.辐射传输:电磁波在大气中传播时，与大气成分（气体、气溶胶、云等）相互作用（吸收、散射）的过程。3.卫星反演:利用卫星传感器测量到的电磁辐射信号，根据已知的物理或统计模型，反演得到大气或地表参数的过程。4.风云卫星:指中国的“风云”系列气象卫星，包括静止和极轨两类，提供全球范围的气象观测服务。5.数据融合:将来自不同来源、不同传感器或不同时空尺度的数据，通过一定的算法和方法组合起来，生成更全面、更准确、更可靠信息的处理过程。四、简答题1.解析思路:对比卫星遥感和地面观测的覆盖范围、观测高度、时空分辨率、观测内容、成本效益、观测角度等方面。*覆盖范围:卫星覆盖全球或大范围，地面观测点有限。*观测高度:卫星从空间观测，地面观测接近地表。*时空分辨率:卫星观测时间快、周期短，但空间分辨率受传感器限制；地面观测空间分辨率高，但时间分辨率低。*观测内容:卫星可获取大范围、多要素（温度、湿度、云、风等）信息；地面观测要素相对单一。*成本效益:卫星建设维护成本高，但获取大范围信息效率高；地面观测成本相对较低，但人力投入大。*观测角度:卫星是遥感，存在角度效应；地面是直接测量。2.解析思路:分别阐述两种卫星的轨道特点、覆盖区域、重访周期、主要应用。*静止卫星:轨道高度约35786公里，位于赤道上空，与地球自转角速度相同，相对地面静止。覆盖范围相对较小（约1/3地球），观测周期极短（几分钟内可扫视整个覆盖区），主要用于实时云图监视、短临天气预报、航空航天气象服务等。*极轨卫星:轨道高度约850-1000公里，运行在近极地太阳同步轨道，过赤道地方时固定（约上午10点或下午22点）。覆盖全球，南北纬约82-85度之间，全球每两天可重访一次。空间分辨率相对较低，主要用于获取全球性的气候资料、环境监测、海冰和积雪监测等。3.解析思路:解释大气窗口的概念，即大气对特定波段的电磁波吸收很少，允许电磁波穿透到达地面或被地面/大气散射到空间被卫星接收。强调选择窗口波段进行遥感的原因是保证信号能够有效传输，从而探测到目标信息。*大气窗口:指大气中某些特定波段的电磁辐射能够相对容易地穿透，而其他波段的辐射则会被大气中的气体分子、水汽、云、气溶胶等强烈吸收或散射的现象。*选择原因:为了能够无衰减或低衰减地探测到地表或大气信息，必须选择大气吸收较小的“窗口”波段。不同的大气窗口对应不同的遥感应用，如可见光窗口用于云和地表成像，红外窗口用于大气温度和水汽探测，微波窗口用于穿透云雨探测水汽、降水和风等。4.解析思路:阐述红外辐射计的工作原理和温度反演过程。*原理:基于黑体辐射定律。任何有温度的物体都会向外辐射红外线。温度越高，辐射强度越大，且能量集中的波长越短。红外辐射计测量目标物体（如大气层、云顶）发射或反射的红外辐射能量，根据测得的辐射强度和已知的波长，利用普朗克定律或斯蒂芬-玻尔兹曼定律，反演出目标的温度。*反演过程:卫星红外传感器接收来自大气不同高度的辐射信号。对于大气层，需要考虑路径辐射（来自下方大气层）和目标辐射（来自当前高度大气或云层）。通过大气辐射传输模型，结合卫星观测到的总辐射，反演出不同大气层的温度廓线或云顶温度。5.解析思路:列举具体应用实例，并简述其遥感原理。*台风预报:利用卫星云图追踪台风路径、分析台风结构（如眼壁、螺旋带）、监测台风强度变化（如红外云顶亮温）、测量台风中心气压等，为预报提供关键信息。原理:卫星云图直观反映云的分布、运动和强度。*气候变化监测:利用长时间序列的卫星遥感资料（如海表温度、海冰范围、陆地表面温度、植被指数等）监测全球或区域性的气候变化趋势。原理:卫星提供大范围、连续的观测数据，可用于统计分析气候变化特征。*干旱评估:利用卫星遥感监测植被指数（如NDVI）、土壤湿度、地表温度等信息，评估干旱发生范围、程度和影响。原理:植被状况对干旱敏感，土壤湿度直接反映水分状况，地表温度反映水分胁迫。五、论述题1.解析思路:从数值天气预报模式的需求出发，阐述卫星资料的作用，并分析应用中面临的技术问题。*作用:*初始化场:提供更全面、更精确的初始气象场信息，特别是大范围、高分辨率的温度、湿度、风场、云量等，有助于提高模式预报的起点质量。*边界条件:提供模式边界区域的实时气象信息，改善边界层的模拟。*数据同化:通过先进的同化技术（如集合卡尔曼滤波、变分同化）将卫星观测融入模式，修正模式误差，产生最优分析场。*改进物理过程:卫星反演的特定参数（如水汽、云量）可以作为输入，改进模式中的云物理、辐射等物理过程参数化方案。*技术挑战:*时空匹配:卫星观测具有其特定的时空分辨率和覆盖范围，与模式网格点在时间和空间上难以完全匹配，需要进行插值和订正。*观测误差与质量控制:卫星观测本身存在误差，需要进行严格的质量控制，剔除无效或错误数据。*同化算法:如何设计有效的同化方案，将观测信息最大程度地融入模式而不破坏模式的物理一致性，是一个复杂的数学和物理问题。*多源数据融合:如何有效融合来自不同类型卫星、不同探测手段的数据，发挥综合优势。*模式适用性:同化后的数据是否能被所有类型的数值模式有效利用，取决于模式的物理框架和参数化方案。2.解析思路:选择一个具体领域（例如台风预报），详细说明卫星遥感如何提供信息、使用什么技术、达到什么效果。*选择领域：台风（热带气旋）预报*主要应用方式与关键技术:*实时监测与跟踪:*应用:利用高时间分辨率（如每10-30分钟）的静止卫星（如GOES）或极轨卫星（如风云三号、DMSP）可见光云图，连续监测台风的生成、发展、移动路径和强度变化。*技术:目标识别算法、自动云图跟踪算法（如ADTD）、路径预报。*结构与强度分析:*应用:利用红外云顶亮温（TBB）分析台风垂直结构，如眼壁强度、对流活动中心；利用多通道红外资料估算台风中心附近最大风速；利用微波探测（如风云三号微波探测仪）获取台风眼区信息、风场和降水分布。*技术:TBB阈值分析、风温场结合分析、微波反演算法。*预报应用:*应用:将卫星监测到的台风实时信息（位置、强度、移动速度、结构）输入数值预报模式，作为初始场或边界条件，提高台风路径和强度预报的准确性。利用卫星资料评估模式对台风的模拟效果，进行预报订正。