【2017年整理】卫星气象学

【2017年整理】卫星气象学 卫星气象学期末复习 考试时间:12.27 考试地点:明N204 第一章 1. 第一颗气象卫星 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。 2. 气象卫星:概念，用途 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。仪器越来越先进，精度越来越高。 3. 气象卫星遥感探测的特点 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) 4. 遥感探测:概念，分类，设备，内容 遥感的概念——气象卫星基础 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。 遥感探测的分类: 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。 遥感探测的设备: 传感器，运载工具，接收系统 遥感探测的内容: 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) 5. 气象卫星的种类(轨道上来分) 6. 现在和未来静止业务卫星(会判断卫星是静止还是极地轨道) 7. 中国气象卫星的命名 第二章 1. 卫星运动三定律(轨道形状) *ppt看图 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)。 dA/dt=(r2 d /dt)/2 = h/2=常数 卫星在轨道上运行的角速度 角速度: 由于面积速度为常数，所以: r 小， 大。在近地点a，r最小， 最大; r 大， 小。在远地点p，r最大， 最小。 卫星轨道周期的平方与轨道的半长轴的立方成正比 1。椭圆轨道 卫星轨道周期:指卫星在轨道上运行一周的时间 2。圆轨道 eg. FY-1, H=830km, T=6080s=101.3min FY-2, H=35860km, T=24小时 2. 卫星总能量和活力公式(V和r的关系) 卫星在椭圆轨道上的总能量为: W(总能量)= 因此，卫星在轨道上的运行速度为 V2 = (2/r–1/a) 3. 卫星运行周期(静止和极地轨道) 4. 参数:轨道倾角，升交点，截距，周期，截距和周期的关系 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。 轨道倾角(i):指赤道平面与轨道平面间的(升段)夹角。 周期(T):指卫星绕地球运行一周的时间; 截距(L):连续两次升交点之间的经度数。 L=T*15度/小时。 5. 近极地太阳同步轨道:概念，特点，如何实现，优缺点* 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。它们分别又经历了实验—业务使用卫星阶段。 什么是近极地太阳同步卫星轨道, 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。 近极地太阳同步卫星轨道的实现 选择i>90 ,实现 =-0.985 /天 来抵消轨道面的相对运动，即可实现近极地太阳同步卫星轨道。如，H=830km, i=98.7 ,即可实现。 =10*COS(RADIANS(98.7))*(6370/(6370+830))^3.5= -0.985 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。( 6. 地球同步静止卫星轨道:概念，优缺点 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。 卫星相对于地球而言是静止的(没有任何方向上的运动)。 地球同步卫星轨道的优缺点 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。 第三章 1. 电磁波:波段，可见光波段范围，参数(波长，频率，波速及计算、关系) 可见光:波长0.35 —0.76 m，生成:原子内部的电子状态，特征: 对人眼有特殊的刺激。 参数: 波长 波数(1厘米长度内含有的波数) f 频率 c 光速= 厘米/秒。 c =f 波在真空中的速度。 n= /n波在介质的波长。 V=f n 波在介质中的速度。 n=( r/ r)1/2介质折射指数。 r 介电常数, r磁导率。 关系: f=c f=C/ =c/f =1/ =f/c 单位:1千兆赫(GHz )= 103兆赫(MHz ) = 106千赫(KHz ) = 109赫(Hz ) 1米(m)=102厘米(cm)=103毫米(mm)=106微米( m) =109纳米(nm) 2. 辐量度，辐量密度:概念，计算 ?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( ):指在单位时间内通过某一 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 面的辐射能。 =Q/t = 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= /A F= / A 若M为出射度，E为辐照度，则 F=M=E 单位:焦耳/米2.秒(J/m2t) 3. 维恩位移定律:概念 通过测量最大单色辐射强度来确定黑体的温度。 注意λmax与T呈反比。 4. 斯蒂芬?波尔兹曼定律:概念 定义全谱段辐亮度: 记常数b=2 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= B(T)= T4 式中 =5.67 10-8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。 5. 发射率:概念，意义 Emissivity(发射率,比辐射率,ε):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。 ε=M /M ε [0,1]之间。 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ε( )。对于 1~ 2 波长间隔的发射率为 εn:辐射表面法线方向的发射率 ε :与辐射表面法线成 角方向的发射率 6. 基尔霍夫定律:概念，意义 记ελ是物体的比辐射率或发射率， aλ是物体的吸收率。 在由辐射源与物体构成的热力平衡系统中，有 ελ= aλ 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)* 在给定波长处，如果物体的辐射亮度L (T)与温度为Tb的黑体辐射亮度相等，即Lλ(T)=Bλ(Tb) 则称Tb为该物体的亮度温度。根据普朗克公式 亮度温度(Tb)又称等效黑体温度或辐射温度。由于Bλ(T) Lλ(T) =Bλ(Tb)，所以Tb T。 8. 光学厚度:概念 9. 比尔吸收定律 10. 大气窗和大气吸收率:概念，应用 11. 接收到的辐射包括什么,* ? 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 12. 红外辐射传输方程:概念，物理意义 红外辐射大气中的传输方程的物理意义和卫星接收到的辐射。 在红外波段到达卫星的辐射 由两部分组成: (1)地面辐射项:表示从地面发射的辐射透过大气层进入空间的辐射。 (2)大气辐射项:表示从地面到大气顶整层气体发出并能进入空间的辐射。 13. 权重函数:概念，意义，应用* 14. 卫星云图:观测原理，通道(辐射来源)* 15. 灰阶规则* 图象灰阶规则: 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. 红外云图规则* 长波红外云图(10.5—12.5 m大气窗) Lλ(θs)= SλBλ(TS) (θs) ? Bλ(TS) 卫星观测到的辐射Lλ(θs)与物体温度有关。 物体温度越高，卫星观测到的辐射Lλ(θs)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Lλ(θs)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)。 17. 水汽图规则* 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 1. 几种分辨率:概念，关系(空间重点) 2、灰度分辨率或温度分辨率 64级=2^6, 256级=2^8, 1024级=2^10 3、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。 2. 卫星的空间扫描方式 3. 资料处理，预处理 4. 地面接收卫星资料:概念，原理，方位角 5. 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 第五章 1. 云图的基本特征 一. 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。 二.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。 三.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。 四.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 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，透明，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，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。 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、涡旋云系、逗点云系、斜压叶状云系、变形场云系、细胞状云系、波状云系 一.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。 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:形状如逗号“，”的云系。 四. 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 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。 五. 斜压性叶状云系 形状如叶的宽云带，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) 七.高空槽云系:中高云，带、盾、片状。槽线在云区后界，脊在前界。 八.锋面云系 1、冷锋、暖锋、锢囚锋 2、静止锋云系 九. 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 十.急流云系 中高云区，带状、盾状，北边界整齐、反气旋弯曲。当急流轴北边界上有横向波动生成时，表明急流很强，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。