卫星气象知识点整理

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纪元。2.什么是气象卫星，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展气象观测为目的，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 自上而下进展观测全球和大范围的观测使用的探测技术遥感探测 供给丰富的观测资料，受益面广气象+其他领域4. 遥感探测概念在肯定距离之外，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放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争论； 遥感信息猎取手段的争论；遥感信息的处理与分析判读技术的争论。气象卫星资料直接在天气预报、大气科学争论中的应用。气象气象学内容5. 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6. 现有和将来静止业务气象卫星了解中国：FY2C/D/E105E, 86.5E, 后续 FY-2F, 将来 FY4 美国：GOES E/GOES-W(135W , 70W )(将来 GOES-R)欧洲：METEOSAT-5/7, MSG63E, 0E (将来 MTG)日本：MTSAT-1R/2R140E三轴稳定俄罗斯 ：GOMS (76E )印度：INSAT83E7. 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其次章1. 卫星运动三定律1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） 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） 卫星轨道周期的平方与轨道的半长轴的立方成正比2. 卫星在椭圆轨道上的总能量为：W总能量=m v2 /2动能 m m/r势能 = m m/2a因此，卫星在轨道上的运行速度为v2 = m 2/r 1/a 卫星活力公式3. 卫星运行周期椭圆轨道: T 2= 4 p 2a3 / m圆轨道:T 2 = 4 p2 (R+H) 3 / m轨道越高，速度越小，周期越长4.1轨道倾角：指赤道平面与轨道平面间的升段夹角。2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。（3） 截距(L)：连续两次升交点之间的经度数。（4） 周期(T)：指卫星绕地球运行一周的时间（5） 截距和周期的关系： L=T*15 度/小时（6） 星下点：卫星与地球中心连线在地球外表的交点称为星下点。5. 近极地太阳同步轨道气象卫星的进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2卫星轨道平面因地球椭形而进动优点：（1） 轨道为圆形，轨道预报、接收和资料定位便利；（2） 可实现包含极地的全球观测；（3） 在观测时有适宜的太阳照明，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；（2） 相临两条轨道的观测资料时间差达 100 多分钟，拼图不利。6. 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一样。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、接收便利。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，轨道预报、接收和资料定位便利；（2） 可实现包含极地的全球观测；（3） 在观测时有适宜的太阳照明，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1. 电磁波（1） 波段r 射线、x 射线、紫外线、可见光波长 0.35 0.76 m m、红外线、微波参数： l 波长n 波数1 厘米长度内含有的波数f 频率c 光速=31010 厘米/秒。c = fl波在真空中的速度。l = l / n 波在介质的波长。 V=f ln波在介质中的速度。nn= (erm )1 2r介电常数, merr磁导率。关系：l f=cf=C/ ll =c/fv=1/ l =f/c2. 辐射能Q):指电磁波携带的能量或物体放射辐射的全部能量。单位:焦耳J 辐射通量( F )：指在单位时间内通过某一外表的辐射能。F =Q/tF = Q t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= F / AF = FA朗博体：F= L3. 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； 电磁辐射的吸取和放射时，显示出粒子的性质。3.维恩位移定律：在肯定温度下，确定黑体的与辐射本领最大值相对应的波长 和确定温度 T 的乘积为一常数4. 斯蒂芬-波尔兹曼定律定义全谱段辐亮度B(T ) = B(T )dl = 2c2hl-5dl00ech KT -1l记常数 b=2 p 4 k 4 /15c 2 h 3 ，可得 BT=bT 4黑体辐射是各向同性的，因此黑体放射的通量密度为F= p BT=s T 4式中s=5.67x10 -8 瓦 米-2 度-4 斯蒂芬-波尔兹曼常数。即，黑体外表放射的通量密度与 T 4 成正比。5,放射率的概率，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由于辐射体放射的辐射随波长而变，所以放射率也是波长的函数，写为 (l)。6，基尔霍夫定律的概念，意义答：概念：记是物体的比辐射率或放射率，a 是物体的吸取率。在由辐射源与物体构成的热力平衡系统中，有= a意义：1、一物体在肯定温度下放射某一波长的辐射，则该物体在同一温度下吸取这种波长的辐射。2、一个良好的吸取体，在同一温度下、一样波特长，也肯定是一个良好的放射体；反之亦然。7，亮度温度低于实际温度，及其缘由l答：亮度温度的定义：在给定波特长，假设物体的辐射亮度L T与温度为Tb的黑体辐射亮度相等，即 LT=B T 则称 T为该物体的亮度温度。bb低于实际温度的缘由：亮度温度T 又称等效黑体温度或辐射温度。由于BT LT =BbT ，所以 T T。bb8，光学厚度的概念( - l答：0k l r ( l ) dl )比尔吸取定律式子中9，比尔吸取定律答：辐射率 L通过有吸取、无散射介质 dl 距离，辐射转变量-dL与吸取气体的含量rdAdl、L成正比dL =- L krldl式中rl吸取气体的密度， k分谱质量吸取系数厘米 2克-1，它是给定介质热力Ll= Ll0exp(- l kl r0(l)dl)状态的函数， krl= a是体积吸取系数厘米-1。对上式沿 0l 积分得Ll0 是辐射进入介质时的分谱辐射率。这就是比尔吸取定律。9-1，透过率答：在仅考虑吸取的状况下，分谱透过辐射L介质 0l 距离的分谱辐射透过率。与分谱入射辐射L之比称为辐射通过 Otl(0, l) =LlL= exp -l k (l)r(l)dl ll 009-2 太阳光谱TC= 289 = 289 616 .9 K1/4 能量m在a波x 长0.47 微米的谱段内，46%的能量在 0.400.76 的可见光波段，l0.4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Tc假设太阳是抱负的黑体，则可由斯蒂芬-波尔兹曼定律和维恩位移公式计算出太阳的有效温度 T :Es日 1 / 4=Q4 p Rs2日1 / 4e=T(e10，大气窗和大气吸取率：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取。吸取随波长变化很大，在一些波段吸取很强，在另一些波段吸取很弱或没有吸取。对辐射吸取很强 的波段就称为该气体的吸取带；吸取很弱或没有吸取的波段称为大气窗。应用：辐射与大气和地表之间的相互作用表现为辐射的放射、吸取和反射，这为卫星遥感地表和大气供给了大量的信息。例如卫星在大气窗区波段可以测量地面、云层反射或放射的辐射，从而可以得到地表、云面的反射特性或温度分布；卫星在吸取带测量，可以得到大气温度和成分。依据测量的目的，卫星选择不同的波长间隔进展测量，这种波长间隔称做通道。为更多地猎取地面、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： 地面和云面放射的红外辐射 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 大气各成分放射的红外辐射 大气对太阳辐射的散射辐射12. 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放射辐射的表达式，即红外辐射在大气中的传输方程。L (q)= eB T(p )t ( p ,q) + 0 B T( p) dtl ( p,q) dplsll0l0lP0dp（2） 物理意义：在红外波段到达卫星的辐射L由两局部组成：1地面辐射项： 上式前半段 表示从地面放射的辐射 上式到 TP0 为止 透过大气层进入空间的辐射。2大气辐射项： 0 BlP0T ( p )dt( p ,q )ldp dp 表示从地面到大气顶整层气体发出并能进入空间的辐射。w (z) = dt (z)lldz= a (z)t (z)ll13. 权重函数：概念，意义，应用解:1)权重函数定义（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：0.520.68，0.580.68m 等大气窗可见光云图0.7251.1m 近红外云图IR 通道：10.512.5m 大气窗长波红外云图3.553.93m 大气窗短波红外云图5.77.3m 水气吸取带水汽图15. 灰阶规章解：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。16. 红外云图规章解：1长波红外云图10.512.5m 大气窗L ( s=S B TS)( s B TS)卫星观测到的辐射L ( s与物体温度有关。物体温度越高，卫星观测到的辐射L ( s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 ( s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3.553.93 m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17. 水汽图规章解：通道：5.77.3um 水汽强吸取带，吸取带中心为 6.7 um。大气中水汽含量越大，对其下发出的辐射吸取就越强，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1.几种区分率：概念，关系空间重点1、空间区分率：是指卫星在某一时刻观测地球的最小面积。卫星的瞬时视场打算了卫星的空间区分率。空间区分率可以由卫星观测到的最小面积直径表示，单位为km。空间区分率也可以用卫星的瞬时视场角表示，单位为弧度。瞬时视场：从卫星到观测地外表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全部物体反射或放射的辐射的总合，这小块面积称做像素。像素是构成云图的最小单位。2、灰度区分率或温度区分率64 级=26, 256 级=28, 1024 级=2103、时间区分率平均在一个象素上的注视时间4、空间、灰度/温度、时间区分率之间的关系空间区分率、灰度/温度区分率、时间区分率三者是相互制约的。1. 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；进展图象变换、图象参数。预处理：原始数据不能直接应用在业务中，还必需进展数据分别、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Level 1 数据.2图象预处理：消退畸变、加网格、坐标变换；亮度或灰度变换。即数据解调、数据流分别按通道、按数据特征3. 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 和低区分率自动接收站APT 原理：？仰角的求法dShhObRdO4. 图像增加处理目的：特征信息的提取，模糊的图像变清楚，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、增加、统计分析、分类识别第五章1. 云图的根本特征A、可见光(0.5-0.6 微米)云图的特征1.在肯定的太阳高度角下，物体的反照率越大，它的色调就越白；反之，就越暗。云的反照率打算于云的厚度和相态。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e 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楚。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)因反射太阳辐射的参加，比长波红外云图更简单。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。2. 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。一. 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，透亮，反照率低，纤维状纹理/条状纹理。二.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，消灭时范围大，云的外表均匀、光滑，无肯定的组织，高度低的层状云边界常与地形等高线全都，带、片状。三.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、细胞状构造，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一. 带状云系云带：宽而连续的云型，具有清楚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。二. 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。三.逗点云系外形如逗号“，”的云系。四. 细胞状云系细胞状云系：直径 4080km开口未闭合细胞，呈指环、U 形，大气不稳定，发生在一般对流单体和云线之间，主要由浓积云Cu Cong 组成。闭口闭合细胞，呈团球状，大气较稳定，主要由层积云Sc组成。细胞状云区与风速：园形5m/s，椭园形 510m/s，马蹄形 1015m/s，长条形 15m/s五.斜压性叶状云系外形如叶的宽云带，由S 形后边界、逗点状头部和V 形缺口的尾部构成，表示高空槽、低槽冷锋等天气系统。六.波状云系山脉地形的背风坡重力波A. 高空槽云系中高云，带、盾、片状。槽线在云区后界，脊在前界。B. 锋面云系1、冷锋、暖锋、锢囚锋冷锋：活泼，不活泼 冷锋。带状，长，从顶尾，宽窄，连续不连续，多层云 中低云，厚簿，亮暗，后边界整齐，气旋弯曲，锋面依据云形态而定。暖锋：多层云，上有卷层云，亮，前界云短而宽，反气旋弯曲，锋面多在后界。锢囚锋：多层云，厚，亮，云带气旋弯曲，锋面多在后界或内界。静止锋云系天山静止锋：横亘天山北里，东西带状，连阴雨，锋面在南界。昆明静止锋：西南山地以东，片状，低云为主，云顶均匀，色暗，锋面沿西南山地，连阴雨。华南静止锋：南岭以北，东西带状、片状，低云为主，云顶均匀，色暗，锋面沿南岭山地，连阴雨。弱时云带不连续。梅雨锋：长江流域，带状，准直线形，长数千公里，以层状云为背景，其上分布着各种大小不同强度各异的对流云团，色调差异很大，连续性降水中有暴雨，锋面在云带南界以内的云带中。C. 温带气旋云系完整的温带气旋伴有冷、暖、锢囚锋三种锋面的云带。涡旋状、逗点状D. 高空冷涡高空冷性涡旋，圆形、逗点状或半月形云区，云系分布不均，涡区及其四周有造成强对流天气的对流云进展。E. 急流云系中高云区，带状、盾状，北边界整齐、反气旋弯曲，对应急流主轴。当急流轴北边界上 有横向波动生成时，说明急流很强，急流风速一般在 40-50 m/s,当卷云纹理清楚时急流风速一般 30m/s。8090%的急流可在卫星云图上识别。急流可分为极锋急流和副热带急流。F.切变线云系带状，中低云、积云。