卫星气象学-概论

null卫星气象学卫星气象学成都信息 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 学院大气科学系 陈科艺绪论绪论一. 气象卫星和卫星气象学 气象卫星: 通过搭载各种气象观测仪器,测量大气温度,湿度,风,云等气象要素以及各种天气现象,专门用于气象目的的卫星. 卫星气象学: 如何利用气象卫星探测各种气象要素,并将卫星探测到的资料应用于大气科学的一门学科. ------主要研究地球大气系统的辐射传输特性. 二.气象卫星遥感二.气象卫星遥感遥感: 在一定距离之外,不直接接触被测物体和有关物理现象,通过探测器接受来自被测物体(目标物)反射或发射的电磁辐射信息,并对其进行处理,分类和识别的一种技术. 传感器:收集电磁辐射信息的装置 (相机等观测仪器),是遥感技术系统的核心null传感器一般由信息收集、探测系统、信息处理和信息输出4部分组成 null运载工具:搭载传感器的设备称为运载工具. 卫星遥感: 利用气象卫星对大气进行遥感探测称做气象卫星遥感. 卫星遥感探测技术的组成部分：卫星遥感探测技术的组成部分：①遥感信息的获取方法的研究，主要是研究在各个电磁波段的各类传感器的特性； ②各类目标物的光谱特性和遥感信息传输规律的研究； ③遥感数据的处理和分析判读技术的研究。 三、卫星气象学的主要内容三、卫星气象学的主要内容卫星气象学主要研究60km以下大气中各气象 要素的获取和应用，它的主要内容有： ①研究大气目标物(各类吸收气体)、云和地 表等的辐射光谱特性及电磁辐射在大气中的 传输规律； ②寻找从卫星探测和获取大气中主要气象要 素和大气现象的理论和方法。 nullnull③气象卫星资料的接收、处理和分发、数据管理和存贮、质量控制； ④气象卫星资料直接在天气预报、大气科学研究中的应用，以及在其他有关领域中的使用。 null四、遥感分类四、遥感分类①按工作方式可以分为主动遥感和被动遥感。 主动遥感是指仪器接收由本身发射然后经被 测物体反射、散射回来的电磁辐射，再根据 仪器接收到的反射、散射电磁辐射特征来识 别和推断目标物的特性。 这种遥感方式需要有人工电磁辐射源，故又 称有(人工)源遥感。 null被动遥感是测量目标物自己发射的电磁辐射 或反射自然源(如太阳辐射)发射的电磁辐射 来推测目标物特性，这种遥感方式只需要能 感应电磁辐射的接收系统。 优点是仪器的重量轻、体积小和耗能少，这 种方式又称自然源遥感，卫星探测大都采用 被动遥感方式。 null②按探测器选用的电磁波谱段划分可以分成 紫外遥感、可见光遥感、红外遥感和微波遥 感等。 随卫星探测技术进一步发展，在探测某一目 标物时采用几个波段同时进行观测，这种遥 感探测称为多光谱遥感。 ③按探测对象的不同可分有大气遥感、海洋 遥感、农业遥感和地质地理遥感等。 null④按探测的信息形式可分为图像方式和非图像方式。 图像方式把测量到的辐射转换成以黑白(或彩色)色调表示的图像；非图像方式则把测量到的辐射以数据或图表来表示。 五、遥感平台五、遥感平台 遥感平台是装载传感器的运载工具,按高度分为： 地面平台：为航空和航天遥感作校准和辅助工作。 航空平台：80 km以下的平台，包括飞机和气球。 航天平台：80 km以上的平台，包括高空探测火箭、 人造地球卫星、宇宙飞船、航天飞机。 人造地球卫星的类型： 低高度、短寿命卫星：150～350 km，用于军事。 中高度、长寿命卫星：350～1800 km，地球资源。 高高度、长寿命卫星：约3600 km，通信和气象。六、遥感探测的特点六、遥感探测的特点①在固定轨道上对地球大气进行观测 ②实现全球和大范围观测 ③在空间自上向下观测 ④采用遥感探测方式 具有观测速度快、项目多、信息量大和测量 系统不干扰被测目标物，以及资料代表性和 统一性好等优点 ⑤有利新技术发展推广 如一幅Landsat图像，覆盖面积185 km×185 km， 在5~6 min内可完成扫描，实现对地的大面积同步观测。 所取得的数据可进行大面积资源和环境调查， 并且不受地形阻隔等限制。七、卫星资料的应用七、卫星资料的应用⑴增加和丰富了气象观测及其他领域资料的 内容和范围 当前气象卫星可以提供以下有价值的资料： ①每日的可见光、红外和水汽等多谱段图 像资料； ②大气垂直探测资料； ③微波探测资料； ④太阳质子、粒子资料等。 null和由这些信息可以导得的各种参数和现象： ①云系的大范围分布和各类天气系统的位 置、形成、发生发展等；灾害性天气的发生 发展； ②云类、云量、云顶温度(云顶高度)、云 的相态等； ③气溶胶、沙尘暴、扬沙、浮尘、冰雪覆 盖等； ④陆面温度、植被分布、蒸散、土壤湿度、 地面反照率等陆面参数； null⑤大气温度、湿度垂直分布，大气中水 汽总量、臭氧总量； ⑥降水量和降水区、地面水资源、洪水 等和给定区域的云风矢量； ⑦入射地[球大]气系统的太阳辐射和地 [球大]气系统反射辐射总量，长波辐射总 量，地气系统辐射收支等； ⑧海洋表面温度、洋流、悬浮物质浓度、 叶绿素浓度和海冰等海洋表面状态； null⑨监视森林火灾、森林生长状况和；由 可见光和近红外云图提取植被指数，监视农 作物生长、估计作物产量； ⑩监视太阳质子、a粒子、电子通量密度 和能量谱以及卫星高度上的粒子总能量。 ⑵卫星资料是天气分析预报的重要依据 ⑶监视暴雨、强雷暴等灾害性天气系统 ⑷监视热带洋面上的低压、台风等天气系统 null⑸改进长期天气预报 ⑹为数值天气预报提供资料 ⑺在气候研究方面的应用 ⑻为农业提供气象资料 ⑼监视森林火灾、地表热异常 ⑽卫星资料在水文方面的应用 ⑿为航空提供飞行保障 null⒀为军事提供气象服务 ⒁收集和转发各种气象资料 ⒂空间环境监视 八、卫星遥感的发展趋势八、卫星遥感的发展趋势nullnullnull第二节气象卫星发展概况第二节气象卫星发展概况一、概述 1960年4月l日，美国发射了世界上第一颗气 象卫星(TIROS-1)。现在的气象卫星星体、传 感器、通讯方式、资料及其应用等许多方 面，与首次飞行时的气象卫星相比已有很大 的变化。 气象卫星是从外层空间对地球及其大气层进 行气象观测的人造地球卫星。它是卫星气象 观测系统的空间部分。 null卫星携带有各种气象遥感仪器，能够接收和 测量地球及其大气层的可见光、红外与微波 辐射，并将它们转换成电信号传送到地面。 地面台站将卫星送来的电信号复原绘制成各 种云层、地表和洋面图片，再经进一步的处 理和计算，即可得出各种气象资料。 用气象卫星观测能覆盖全球，既有图像资 料，也有大气定量探测数据，而且观测数据 汇集迅速，对海洋气象预报和军事气象保障 有特别重要的意义。 二、主要气象卫星介绍二、主要气象卫星介绍自1960年4月l日美国发射第一颗“泰罗斯” 号试验气象卫星以来，气象卫星的发展迅 速，经历了试验和应用的两个阶段。气象卫 星现己成为世界天气监视网的主要组成部 分，成为气象预报业务和大气科学及其相关 学科研究的不可缺少的一种观测手段。美国、 俄罗斯、欧洲空间局、日本、中国和印度都 拥有自己的气象卫星。 null世界上主要的气象卫星系列有： ①美国的“泰罗斯-N/诺阿”极轨业务气象卫星系列和“戈斯”(GOES)地球同步轨道业务气象卫星系列； 美国TIROSN／ NOAA-6 ／7卫星nullgoes发射准备 null美国戈斯-N气象卫星 美国戈斯-N在轨飞行示意NOAA极轨卫星两部探测器NOAA极轨卫星两部探测器甚高分辨率辐射计(AVHRR) • 5个通道 • 分辨率1公里 • 泰罗斯垂直业务探测器(TOVS) • 高分辨率红外辐射探测仪(HIRS) • 微波探测器(MSU) • 平流层探测器(SSU) AVHRR的5个通道AVHRR的5个通道• 一、0.6微米 • 二、0.9微米 • 三、3.7微米 • 四、10.8微米 • 五、12微米 美国NASA的地球观测系统美国NASA的地球观测系统Earth Observing System 缩写为EOS 美国于1999年12月18日成功发射了第一颗EOS 卫星卫星发射成功后命名Terra（拉丁语：地 球母亲） 标称轨道 高度: 705 KM 太阳同步: 10:30 过赤道时间(降轨) 以取得 最好光照条件并最大限度减少云的影响 98.2 度轨道倾角 null2002年5月4日发射了EOS-PM， 成功后命名为AQUA（水） MODIS=中分辨率成像光谱仪* （EV130-1）（对外直接广播）MODIS：代表当今世界先进光学遥感 仪器制造技术的典范 MODIS：代表当今世界先进光学遥感 仪器制造技术的典范 null空间分辩率—是指卫星在某时刻观测到地 球的最小面积。 中分辨率成像光谱仪有36个光谱通道，2个 通道空间分辨率高达250米，5个通道空间5 00米，29个1公里。首次实现了对地球观测 从特征识别到光谱+特征识别的飞跃 扫描宽度达2330公里，一颗卫星每天覆盖 观测全球2次 null一个仪器可对地球表面、大气和海洋表 面环境等24个重要参数和多种自然灾害 等进行综合观测，是从前所有卫星都不 能比拟的。 nullnull中国台风降水2006年8.3 Prapiroonnull塔克拉马干沙尘暴2006年7.26日null中国东部火灾2006年6.4日null欧洲火山喷发2006年4月4日null中国东部雪灾2006年2月6日nullnullnullnullnullnullnull飓风Erin 09/09/01 ~1530 Znullnullnullnullnull不同分辨率的青海省李家峡水库系列卫星影象1 km（NOAA/AVHRR）250 m（EOS/MODIS）30 m（ETM）2.8 m（ Quick Bird ）nullnullnullnullnullnullnullTRMM卫星TRMM卫星TRMM（Tropical Rainfall Measuring Mission）实验 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 是美国和日本合作开展的热带降雨测量计划。TRMM卫星的仪器有5个：测雨雷达（Precipitation Radar, PR）、微波成像仪（TRMM μwave Imager，TMI）、可见光和红外扫描仪（Visible and Infrared Scanner，VIRS）、云和地球辐射能量系统（Clouds and the Earth Radiant Energy System，CERES）、闪电成像传感器（Lightning Imaging Sensor，LIS）。 nullnullnullnull②俄罗斯的“流星”号气象卫星系列；俄罗斯“流星-I”气象卫星null③日本GMS地球同步轨道业务气象卫星系列；日本GMS气象卫星日本MASAT气象卫星null④欧洲空间局的Meteosat地球同步轨道业务 气象卫星系列；欧洲METOP气象卫星欧洲MSG气象卫星null⑤印度INSAT地球同步轨道业务气象卫星系列；印度INSAT 3C 卫星null⑥中国的“风云” 气象卫星系列1988年9月7日、l990年9月3日和l999年5月10 日，先后发射了第l颗、第2颗和第3颗“风云”l 号太阳同步轨道气象卫星；风云1号气象卫星null风云一号卫星null风云一号卫星图像仪的观测通道nullCH1 CH2 CH3 CH4 CH5风云一号卫星图像仪的观测通道CH6 CH7 CH8 CH9 CH10FY-1携带仪器FY-1携带仪器（1）可见光和红外扫描辐射计 （2）空间环境探测器 FY-1A,1B 5 通道 FY-1C,1D 10 通道 nullFY-3 携带仪器FY-3 携带仪器 (1） 可见光和红外扫描辐射计 （2） 红外分光计 （3） 微波温度计 （4） 微波湿度计 （5） 微波成像仪 （6） 中分辨率光谱成像仪 （7） 紫外臭氧垂直探测仪 （8） 紫外臭氧总量探测仪 （9） 地球辐射探测仪 （10）太阳辐射监测仪 （11）空间环境探测器 null在1997年6月10日和2000年6月25日，先后发 射了第l颗和第2颗“风云”2号地球同步轨道气 象卫星。风云2号气象卫星null风云2号气象卫星风云二号卫星图像仪的观测通道风云二号卫星图像仪的观测通道nullnullIR1 IR3 风云二号 红外 观测图像 IR2 IR4nullnullnull为了满足我国天气预报、气候预测和环境监 测等方面的迫切需求，1994年将我国第二代 极轨气象卫星“风云三号”（FY-3)列入航天技 术“九五”规划，加快了发展FY-3卫星的步伐， 2000年11月国务院正式批准立项。 风云三号”卫星的目标是获取地球大气环境的 三维、全球、全天候、定量、高精度资料。 nullPolar-OrbitingGeostationaryFirst GenerationChinese Meteorological SatellitesFY-1A: 09/07/1988 FY-1B: 09/03/1990 FY-1C: 05/10/1999 FY-1D: 05/15/2002Second GenerationFY-2A: 06/10/1997 FY-2B: 06/25/2000 FY-2C: 10/18/2004 FY-2D: 12/08/2006First GenerationSecond GenerationFY-3A: 05/27/2008 FY-3B: 11/05/2010 8 more: 2012-2020null*Instrument Parametersnull气象卫星的主要任务是： (1)为天气预报，特别是中期数值天气预报， 提供全球的温、湿、云辐射等气象参数； (2)监测大范围自然灾害和生态环境； (3)研究全球环境变化，探索全球气候变化规 律，并为气候诊断和预测提供所需的地球物 理参数； (4)为军事气象和航空，航海等专业气象服 务，提供全球及地区的气象信息。 null新一代的极轨气 象卫星“风云三号”经 过8年研制，在2008 年5月27日11时2分29秒于太原卫星发射中心，由长征四号运载火箭成功送入太空，标志着我国气象卫星和卫星气象事业发展进入了新的历史阶段。 风云3号气象卫星null三、分类与轨道 气象卫星一般按其轨道分成两类： 极轨气象卫星和地球同步轨道气象卫星。null极轨气象卫星的运动采用近极地太阳同步轨 道，卫星轨道平面和太阳光线保持固定交 角，这样卫星每天差不多在固定的时间经过 同一地区两次，观测间隔l2小时左右，这种 轨道优点是可以获得全球气象资料； null近 极 地 太 阳 同 步 轨 道 卫 星近极地太阳同步轨道近极地太阳同步轨道太阳同步——卫星的轨道平面和太阳始终保持相对固定的取向 近极地——由于这种轨道的倾角接近90度，卫星要在极地附近通过 卫星几乎以同一地方时经过各地上空 null极轨气象卫星的高度约为800多公里 太阳同步轨道卫星可以观测全球，尤其是可以观测两极地区 在观测时有合适的照明，可以得到充足的太阳能 观测间隔长，相邻两条轨道的资料不是同一时刻 null极轨卫星nullnullnullFY-1极轨卫星每天可以获取一次全球覆盖图像null地球同步轨道气象卫星的运行高度约为35800千米。其轨道平面和地球的赤道平面重合，运行周期和地球自转周期相等。从地球上看，卫星静止在赤道某经度上空，所以又称为静止卫星。静止卫星的有效观测视野为南纬50°至北纬50°、经度跨距约100°的近圆形范围。自旋稳定的地球同步轨道卫星自旋稳定的地球同步轨道卫星null卫星运行方向与地球自转方向相同，即同向运行性 卫星轨道倾角为0度，即赤道平面与轨道平面完全重合 轨道偏心率e为0，即轨道是圆形的 周期为23小时56分04秒 卫星高度35860公里 null高度高，视野广阔，一个静止气象卫星可 以对南北70°S-70°N，东西140个经度， 约占地球表面1/3的1亿7千万平方公里进行 观测 风云二号双星观测能力风云二号双星观测能力申请的轨道位置有： – 1050E （A位置） – 86.50E （B位置） – 123.50E（C位置） • 从FY-2D起，我国静 止气象卫星将形成双 星观测星座。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° 完全覆盖我国领土风云二号双星观测能力风云二号双星观测能力•我国静止气象卫星史上又一次新飞跃:互为备份、大范围、高时效 •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°，完全覆盖我国领土卫星实时广播卫星实时广播四、全球卫星观测体系四、全球卫星观测体系 为了对全球范围内天气作连续观测，单凭一 颗静止卫星和极轨卫星是无法实现的，这时只有 将多颗静止气象卫星与几颗极地太阳同步气象卫 星组合在一起，发挥各自的优势，弥补其短 处．形成一个全球卫星观测体系，实行对全球天 气的监视。为有效覆盖全球，各卫星观测区彼此 有一定重叠。从而实现卫星对全球大气的监视和 观测，为全球气候和天气预报提供气象资料。 全球气象卫星布局全球气象卫星布局null气象卫星轨道布局五、气象遥感仪器五、气象遥感仪器 气象卫星通常由气象观测专用系统和保障 系统两部分组成。气象观测专用系统中的主 要设备是气象遥感仪器。常用的气象遥感仪 器有3种：①多通道高分辨率扫描辐射计。它 可以获得可见光与红外云图。极轨气象卫星 的可见光与红外云图的星下点分辨率都在1千 米左右；地球同步轨道气象卫星的可见光云 图的星下点分辨率为0.9～2.5千米，红外云 图的星下点分辨率为5～l2千米。 null②高分辨率红外分光计。它可以获得大气垂 直温度分布和水汽分布。 ③微波辐射计。它配合高分辨率红外分光计 工作，可以获得云层以下的大气温度垂直分 布和云中的含水量。 气象观测专用系统中还包括星载磁记录 器和数据传输设备。军用气象卫星可以将全 球范围内有关地区的气象资料记录在星载磁 记录器上，在卫星经过预定的地面接收站 时，将星载磁记录器记录的气象资料高速发 回地面。 null气象观测专用系统还包括数据收集系统，可 以收集地面气象站、海洋自动浮标和设置在 无人值守地区的自动气象站所获得的温度、 气压、湿度等环境资料。保障系统包括结构、 电源、热控、姿态和轨道控制以及无线电测 控等设备。 六、展望六、展望未来十年主要的极轨气象卫星有：美国的NOA A卫星、NEPOS卫星和EOS卫星；欧盟的METOP卫星；俄罗斯的Meteor卫星；中国FY-1和FY-3卫星。这些气象卫星资料都能被我国接收，其中最主要的、应用最广的业务系列，过去和目前是美国NOAA卫星，未来是美国NOAA/NEPOS卫星和欧盟的METOP卫星。 null未来十年静止气象卫星有：美国的GOES卫 星；欧盟的METEOSAT卫星和MSG卫星；日本的 MTSAT卫星；俄罗斯的GOMS卫星；印度的INSA T卫星；中国的FY-2卫星，其中对我国最重要 的、应用最广的是日本的GMS/MTSAT卫星和F Y-2卫星。由于地理位置原因，我国不能接收 到美国GOES卫星和欧盟Metosat/MSG卫星资料。 由于印度政府的资料政策，我国还不能自由 接收应用印度INSAT卫星资料，而这资料对我 国西部地区是很有价值的。目前我国可以接 收到俄罗斯GOMS卫星资料，但由于卫星不够 稳定，因此资料应用受到限制。 null随着技术的进步以及经济发展和军事需求的 不断增长，气象卫星正向下列方向发展： ①地球同步轨道气象卫星将红外云图的星下 点分辨率由5千米提高到1千米左右：增加红 外分光计和微波辐射计，以进行大气参数垂 直分布的探测和提高机动观测能力。 ②极轨气象卫星增加微波遥感仪器的比重， 提高全天候观测的能力。 ③增加微波雷达、激光雷达等主动遥感仪 器，提高气象卫星的测云和测风能力。 null④增加星载高精度、高灵敏度GPS接收机，提高卫星对中、高层大气和电离层的探测能力。 ⑤一星多用、综合利用，除气象外，兼有海洋和环境监测的功能。 未来的美国第5 代静止气象卫星 工作示意