第3章 气象卫星遥感大气的基本原理2
气象卫星的结构与原理课件
气象卫星的应用挑战与对策
数据传输和处理 气象预报的精度和稳定性 全球观测和数据共享
CATALOGUE
案例分析：某型气象卫星的结构与原理
某型气象卫星的基本结构与特点
卫星平台 遥感仪器 数据处理系统
某型气象卫星的遥感原理及数据处理流程
遥感原理
数据处理流程
某型气象卫星的技术创新与应用前景
技术创新
有效载荷
气象卫星的主要任务是收集气象 数据，因此有效载荷是气象卫星 的核心部分，包括红外辐射计、 微波辐射计、扫描辐射计等遥感
仪器。
平台
平台是卫星的支撑结构，包括卫 星的机械结构、电子设备、电源、
姿态控制系统等，为有效载荷提 供稳定可靠的运行环境。
通信系统
气象卫星的通信系统包括上行和 下行链路，用于将卫星收集的数 据传输到地面站和接收地面的指
气象卫星数据可以用于天气预报，通过分析卫星数据，可以预测未来天气情况，提 高预报的准确性和时效性。
气象卫星还可以观测海洋和陆地表面情况，获取海温和陆地温度、湿度、风速等数 据，为海洋和陆地气象预报提供重要依据。
气象卫星在气候监测中的应用
气象卫星可以长期监测全球气候变化，获取全球气温、降水、风速等数据。
令。
气象卫星的发展历程
01
第一代气象卫星
02
第二代气象卫星
03
第三代气象卫星
CATALOGUE
气象卫星的遥感原理
遥感技术的概述
遥感技术的定义
遥感技术的应用 遥感技术的分类
气象卫星的遥感方式
01
02
可见光遥感
红外遥感
03 微波遥感
遥感数据的处理与解析
01
数据获取
02
第1-4章 气象卫星遥感原理
春 15：00
i90 进动方向从西向东
（3）近极地太阳同步卫星轨道 的实现 利用卫星轨道在地球扁率 夏
作用下的进动去抵消卫星轨道 15：00
球地 轨 道
太阳
卫星轨道
冬
15：00
平面随地球绕太阳运行时引起
的转动，即可实现近极地太阳 同步卫星轨道。
秋 15：00
图2-10 太阳同步轨道
3、太阳同步轨道的优缺点
一.近极地轨道气象卫星的发展
1、美国的地球静止轨道气象卫星 发射近极地轨道气象卫星的国家有：美国、苏联、中
国和日本。 世界上第一颗气象卫星，美国泰罗斯-1（TIROS），
仪器越来越先进，精度越来越高。
遥感的概念
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。
遥感探测的设备 ➢ 传感器，运载工具
遥感探测的内容 ➢ 遥感信息获取手段的研究； ➢ 各类物体的辐射波谱特性及
传输规律的研究； ➢遥感信息的处理与分析判读
技术的研究。
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。
第二节 气象卫星遥感观测的特点
在空间固定轨道上运行 全球和大范围的观测 使用新的探测技术 受益面广
1、什么是地球同步卫星轨道
N
H=35860Km
S 图2-11 地球同步卫星轨道
2、地球同步卫星轨道的实现
①卫星运行方向与地球自转方向相同； ② 轨道倾角i=0，地球赤道平面与卫星轨道平面重合；
第3章 气象卫星遥感大气的基本原理3
dz (、T、p) dA=1 L(z) 图3-9 小气柱介质辐射
dL1 ( z ) k ( z ) L ( z ) ( z )dz ( z ) L ( z )dz a ( z ) L ( z )
dI1因介质吸收引起辐射的改变量，k(z)分谱质量吸收系数， (z)吸收介质的密度。常称 (z)=k(z)(z) 为体积吸收系数。 a(z)= (z)dz 为单位厚度薄层的吸收系数。
L () [ s B (0) (0) B ( z ) ( z ) ( z )dz]
c 0
zh
(1 ) B ( z h ) ( zh ) B ( z ) ( z ) ( z )dz
c zh
在晴空无云时
L () s B (0) (0) B ( z) ( z) ( z )dz
z1
zh
hc , B ( zh ) ( zh ) B ( z ) ( z ) ( z )dz
zh
zh
L（zh）
z1
L（z1） 图3-12有云时的辐射传输
其中 cloud , 1 cloud
0
如果只有一层薄云，云高Zh, 方程可简化为
②高云云层向上发出的辐射
③高云以上大气发出的辐射，则
L () { [ s B (0) (0) B ( z ) ( z ) ( z )dz]
hc 1c 0 z1
L ()
z 32 1
lc, B ( z1 ) ( z1 ) B ( z ) ( z ) ( z )dz}
图3-10 平行大气中辐射传输
第三章 气象卫星遥感大气的基本原理
透过率
在仅考虑吸收的情况下，分谱透过辐射Lλ 与分谱入射辐射L λ O之 比称为辐射通过介质0l距离的分谱辐射透过率
(0, l )
l L exp[ k (l ) (l )dl] 0 L 0
分谱辐射吸收率为
L0 L 1 (0, l ) L 0
Te = [M(T)/]1/4
由于物体的比辐射率小于1，所以 T Te 有效温度（Te），也称为等效黑体温度。
亮度温度
色温度（Tc）:
如果物体的辐射光谱分布与温度为Tc的黑体的辐射光谱分布相同, 则称Tc为该物体的色温度。
亮度温度（Tb）:
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 2hc2 hc B (Tb ) [exp( ) 1] 5 Tb 可得
第三章 气象卫星遥感大气的基本 原理
气象卫星遥感地球大气的温 度、湿度、云雨演变等气象要素, 是通过探测地球大气系统发射或 反射的电磁波而实现的。因此， 电磁辐射是气象卫星遥感的基础。
第一节
一、电磁波谱
电磁波谱和辐射度量
电磁波谱包括宇宙射线、太阳辐射、热辐射、无线电波等。
1、电磁波段的划分
太阳 电 r 射 线 X 射线 1nm 31022 31020 31018 31016 离 电子跃迁 宇 宙 射 线 紫 外 线 可 见 光 分子振动转动 亚 毫 红 毫 米 米 波 外 微 波 线 1m 31014 31012 中红外 1.5 15 地球大气 辐射 电磁振荡 分 厘 米 米 波 波 波 无 线 电 超 短 波 波 短 中 波 波 长 波 迟缓电振荡
简述遥感的基本原理
简述遥感的基本原理
遥感是指利用卫星、飞机、无人机等遥测遥感平台获取地球表面信息
的技术和方法。
其基本原理是利用电磁波在物体与空气之间传播时发
生的反射、散射、吸收等现象，通过测量电磁波的特征参数来获取地
球表面物体的信息。
具体来说，遥感技术通过发射一定波长和方向的电磁波，将其照射到
地球表面物体上。
这些电磁波在与物体相互作用后会发生反射、散射
或吸收，并返回到接收器上。
接收器会记录下这些电磁波的特征参数，如反射率、辐射率、频率等，并将这些参数转化为数字信号。
这些数
字信号经过处理后就可以得到地球表面物体的信息。
遥感技术主要利用三种不同类型的能量：可见光、红外线和微波。
其
中可见光是指肉眼所能看到的光线，主要用于获取高分辨率图像；红
外线则可以穿透云层和雾霾，用于探测大气中水汽含量以及地表温度
分布；微波则可以穿透云层和植被，用于获取地表高程、土壤湿度等
信息。
总之，遥感技术的基本原理是通过测量电磁波在物体与空气之间的相
互作用来获取地球表面物体的信息。
这种技术已经广泛应用于农业、
林业、地质勘探、城市规划等领域，并成为了现代科学研究和资源管理的重要工具。
《卫星气象学》第3章-2
2 S0 rearth S0 Q 2 4 rearth 4
3
地球截获的太阳辐射
大气顶处的太阳辐射
地球轨道偏心率平均为 0.017，变化很小；日地平均距离的平方对其平均值的变化为 3.3%。考虑这些因素，达到大气顶的辐射通量密度可表示为：
F S0
被地表反射的太阳辐射与物体的反照率和太阳高度角有关
20
①
地面反照率（地面及其覆盖物）
物体的反照率随波长、地面颜色、干湿度、粗糙度而变。
21
因子 裸地 土壤粒子
土壤水分
影响 土壤粒子的减小会导致地面反照率的增大
一般来讲，湿度增加，反照率减小；当湿度达到一定 值时，反照率将缓慢减小；当土壤达到吸湿极限时， 反照率几乎不变。 谱段（可见光谱段、近红外谱段及中红外区）不同， 反照率也有明显的不同 积雪的反照率在可见光波段（0.6~0.7μm）接近100%， 大约从0.8μm开始直到红外波段（1.5~2.0μm）降到几乎 0。 新的雪要比陈的雪有更大的反照率。因此在其他条件 相同的情况下，可以由积雪的亮度估算积雪的时间。 对于深度小于20cm的积雪，地表降低雪的反照率，雪 越薄越明显。可利用该点区别积雪区的深度。
加热作用 吸收紫外线转化为热能加热大气
温室气体的作用 对流层上部和平流层底部，臭氧减少会产生地面 气温下降的动力
15
南极臭氧层空洞： 1985年，英国南极考察队在60°S地区观测发现 臭氧层空洞，引起世界各国极大关注 。 1986年，美国宇航局（NASA）观测到南极臭 氧层空洞。 破环机理： 极地平流层云（PSCs）对南极臭氧层空洞的形成是至关重要的。 南极特殊的环境（高山）和气候状况，造成了南极冬季的极地旋涡， 极地旋涡内的持续低温使凝结的水蒸气和 HNO3滞留形成 PSCs，使 得ClONO2和HCl等物质（氟氯烃）不断积聚其中。当春季来临(9月
气象卫星遥感大气的基本原理和资料产品PPT课件
段,这一波段的辐射源主要是太阳，卫星接受到的是地(云)面的反
射太阳辐射。按吸收气体分为水汽吸收谱段，二氧化碳吸收谱段等
。由于各个谱段的电磁波辐射特性不一样，所以遥感用的探测仪器
也不一样。可见光波段采用照相方法观测物体，在红外波段以热敏
电阻为探测器的辐射计,不同波段内使用的传感器。
4
5
6
§2 太阳和地球—大气系统辐射及其在大气中的传输特性 一、辐射的基本定律 1）基尔霍夫(Kirchhoff)定律 基尔霍夫定律是表明在一定温度下，物体的辐射能力与吸收率
8
波长(m) 6000K(近似太阳)和288K(近似地球)的黑体发射辐射光谱
9
由图看出： (1)理论上，任何温度的绝对黑体都发射波长0～ m的辐射，但温度不同，辐射能力不同，辐射能集 中的波段也不同。例如温度为6000K的物体总辐射能 力比288K大得多。而且6000K温度的物体的辐射能量 主要集中在0.17～4m波段内，而288K温度的物体的 辐射能量主要集中在3.3～80m波段内。 (2)每一温度下，黑体辐射都有一辐射最强的波长， 称为这个温度下发射的辐射峰值，并用max表示，即 光谱曲线的极大值。物体温度越高，其辐射峰值所对 应的波长max越短。
应的波长与温度的关系。从图2.3可以看到黑体辐射极大值所对应 的波长(max)是随温度的升高而逐渐向波长较短的方向移动的。 据研究，黑体辐射极大值所对应的波长与其绝对温度成反比，这
个定律同样可以由普朗克公式通过对波长求导得到极大值。求导
第三章 气象卫星遥感大气的基本 原理和资料产品
§1 电磁波谱和辐射度量 §2 太阳和地球—大气系统辐射及
其在大气中的传输特性 §3 卫星云图观测原理 §4 气象卫星的定量产品简介
气象卫星的结构与原理
气象卫星的结构与原理气象卫星是一种用于观测和监测地球大气现象的卫星。
它的结构和原理可以分为以下几个方面。
1.结构：气象卫星通常由卫星平台、载荷、通信和控制系统等组成。
（1）卫星平台：卫星平台是气象卫星的核心部分，用于提供通信、导航和定位、动力供给以及卫星的基本机械结构等功能，保证卫星能够正常运行。
（2）载荷：载荷是气象卫星的观测设备，用于测量大气条件和收集气象数据。
常见的载荷包括红外传感器、微波传感器、雷达、光学传感器等。
（3）通信系统：通信系统是气象卫星与地面站之间进行数据传输、控制和通信的重要设备。
（4）控制系统：控制系统用于卫星的定位、姿态控制、姿态变换和轨道控制等。
2.原理：（1）观测原理：气象卫星通过载荷上的传感器和仪器对大气条件进行观测。
其中，红外传感器可以测量大气温度和云层特性；微波传感器可以观测降水、云层、大气水汽含量等；雷达可以测量降水和云层运动；光学传感器可以观测地表温度、气溶胶和大气成分等。
（2）通信原理：气象卫星与地面站之间通过无线电波进行通信。
卫星将观测到的气象数据经过处理后，通过卫星载荷上的通信设备发送到地面站。
地面站接收到数据后进行处理和分析，并且可以通过指令控制卫星的运行和观测任务。
此外，气象卫星还可以通过星上的导航和定位系统确定自身的位置。
通过对卫星的轨道和姿态的控制，可以保证卫星在指定的轨道上准确观测大气现象，并且及时将观测数据传输到地面站。
总的来说，气象卫星通过载荷观测大气现象，并通过通信系统将观测数据传输到地面站进行分析和利用，以提供准确的气象信息和预测，对于天气预报、气候研究和防灾减灾等方面具有重要的作用。
气象卫星遥感大气的基本原理
04
气象卫星遥感大气的主要应用
天气预报与气候预测
天气预报
气象卫星遥感通过观测地球大气层的温度、湿度、气压和风速等信息，为天气预报提供实时数据支持，帮助预报 员准确预测天气变化趋势。
气候预测
气象卫星遥感数据被广泛应用于气候预测，通过对长时间序列的大气参数和地表特征进行监测和分析，有助于理 解气候变化规律，预测未来气候趋势。
大气污染监测与防治
大气污染监测
气象卫星遥感能够监测大气中的污染物浓度和分布情况，如二氧化硫、氮氧化物、颗粒物等，为大气 污染治理提供科学依据。
大气污染防治
基于气象卫星遥感数据，可以分析污染物扩散规律和影响范围，为制定大气污染防治措施提供决策支 持，如优化工业布局、控制污染物排放等。
总结词
通过测量地球大气层对微波辐射的发射和散射特性，推断出大气的温度、湿度和 云液态水含量等参数。
详细描述
微波辐射计技术利用大气中的气体分子和云滴对微波辐射的发射和散射特性，通 过测量这些辐射的强度和方向，可以反演出大气的温度、湿度和云液态水含量等 参数。
激光雷达技术
总结词
通过向地球大气层发射激光束并测量其反射回的信号，推断 出大气的能见度、气溶胶浓度和云高度等参数。
VS
灾害评估
在灾害发生后，气象卫星遥感可以通过对 灾区的范围、受灾程度等进行评估，为救 灾和恢复重建工作提供决策支持。
05
气象卫星遥感大气的挑战与展望
数据处理与分析的挑战
数据量庞大
气象卫星遥感获取的数据量庞大， 需要高效的数据处理和分析技术 来处理这些数据。
气象卫星遥感技术在暴雨预报中的应用研究
气象卫星遥感技术在暴雨预报中的应用研究随着科技的不断进步与发展，气象预报技术也在不断地改进与完善。
气象卫星遥感技术在暴雨预报中发挥着越来越重要的作用。
本文将对气象卫星遥感技术在暴雨预报中的应用研究进行探讨，并分析其在提高暴雨预报准确性和实用性方面的优势。
一、气象卫星遥感技术的基本原理气象卫星遥感技术是指利用卫星对地球大气和地表进行观测和监测，并获取相关信息的技术手段。
其基本原理是利用卫星搭载的遥感仪器，通过接收地球表面反射和散射的辐射信号，获取地球大气和地表的信息，如云图、降水情况、地表温度等。
通过对这些信息的分析和处理，可以为气象预报提供可靠的数据支持。
二、气象卫星遥感技术在暴雨预报中的应用1. 实时监测和观测气象卫星遥感技术可以实时监测大气和地表情况，尤其是对于暴雨天气的监测具有明显优势。
通过卫星遥感技术，可以在较短的时间内获取较大范围的气象数据，实现对暴雨天气的实时监测和观测。
这为预报员提供了重要的信息支持，有助于及时准确地判断暴雨天气的发展趋势和变化情况。
2. 提供多维信息通过卫星遥感技术获取的气象数据不仅包括云图和降水情况，还包括地表温度、湿度、风场等多维信息。
这些信息的综合分析可以为暴雨预报提供更加全面和准确的依据，有助于预测暴雨的强度、范围和持续时间。
3. 空间覆盖范围广气象卫星遥感技术可以实现对广阔地域的观测和监测，不受地理障碍和气象站点的限制。
其在暴雨预报中具有独特的优势，特别是在对于一些偏远地区和复杂地形的暴雨预报中，卫星遥感技术可以提供更为全面和及时的数据支持。
4. 多种检测手段目前，气象卫星遥感技术的传感器种类繁多，如红外线传感器、微波传感器等，可以对大气和地表进行多角度、多波段的监测和观测。
这为暴雨预报提供了更为丰富和多样的数据资源，使得预报员可以从多个方面获取暴雨天气的特征和规律，提高暴雨预报的准确性和可靠性。
三、气象卫星遥感技术在暴雨预报中的局限性1. 盲区和遮挡问题气象卫星在监测大气和地表时，可能会受到云层、雨雾等天气现象的影响，导致监测盲区和遮挡问题。
气象卫星图象识别和运用
MT-SAT 于 2005 年 2 月 发 射升空。左图
为 2005 年 4 月
12日北京时间 19时红外云图。
四 、气象卫星-观测内容
– 云顶温度、云顶状况、云量和云内凝结物相位的观测。 – 陆地表面状况的观测，如冰雪和风沙，以及海洋表面
状况的观测，如海洋表面温度、海冰和洋流等。 – 大气中水汽总量、湿度分布、降水区和降水量的分布。 – 大气中臭氧的含量及其分布。 – 太阳的入射辐射、地气体系对太阳辐射的总反射率以
FY-2C， 2004年10月19日成功发射，是我国的第一颗 业务型静止气象卫星，目前在轨业务运行。
FY-2C: 5通道可见光红外扫描辐射计
FY-2D， 2006年12月8日成功发射。
FY-2C 于 2004 年 10 月 发 射 升 空。右图为 2004 年 11 月 20 日 北 京 时 间 11 时 至 11 时 25 分 多通道合成图。
可见光云图和红外云图的比较
可见光云图上物象的色调决定于其返照率和太阳高度角, 红外云图上物象的色调决定于它的温度,所以这两种云图,有一 些外貌上相差很大,但也有些十分相似.
可见光云图与红外云图的比较图表
FY2-C星几种云图的分辨率
• 可见光图： 1.25公里 • 红外云图: 5 公里， • 水汽云图: 5 公里
可以获得云层以下的大气垂直温度分布和云中 的含水量。 气象观测专用系统还包括卫星所载的磁带机等数 据存贮装置和数据传输设备。
风云1号气象卫星
二 、气象卫星-发展史
• 1958年美国发射的人造卫星开始携带气象仪器，
1960年4月1日，美国首先发射了第一颗人造试验 气象卫星，成功地用电视摄像机拍摄了清晰的台 风云图。截止到1990年底，在30年的时间内，全 世界共发射了116颗气象卫星，已经形成了一个全 球性的气象卫星网。
遥感-气象卫星分解
七、主要卫星系列 ：
气象卫星的发展经历了试验和应用 两个阶段。除美国和苏联外，日本和欧 洲空间局于1977年也先后发射了气象卫 星，这些国家和组织都参加世界气象组 织 (WMO)安排的全球大气研究计划的第 一期全球试验。主要的气象卫星系列有：
1、前苏联“流星”号气象卫星系列：
苏联的“流星”气象卫星系列。1969年 3月 26日开始发射Ⅰ型，到1981年7月 共发射了31颗；1975年7月11日开始发 射Ⅱ型，到1982年底已发射9颗。这一 系列卫星的任务是系统收集地球上不同 地区的气象资料，为气象预报和气象学 研究服务。卫星重1～2.2吨，高约3.5～ 5米，直径1.5米，有两个太阳电池翼， 主体由两个密封舱组成。其中上舱有传 动装置和无线电系统，包括确定轨道参 数和发送遥感数据的设备、电源系统以 及由惯性轮、气体推力器和离子发动机 组成的三轴姿态控制系统；下舱有科学 仪器。流星系列的每一颗卫星绕地球一 圈可以获得 8％～20％地球表面云层覆 盖和辐射的数据，两颗卫星在24小时之 内就能对整个半球观测一的地球静止轨道气象业务应用卫星， 共2颗，分别于1977年和1981年发射，可见 光和红外云图的星下点分辨率分别为1.25公 里和5公里。
6、“气象卫星”(Meteosat)：
欧洲空间局的地球静止轨道 气象业务卫星，共2颗，分别于 1977年和1981年发射，可见光、 红外云图和水汽图的星下点分辨率 分别为2.5公里、5公里和5公里。
7、“印度卫星”(Insat) ：
印度的通信、广播和气象多用途卫星， 它的可见光和红外云图的星下点分辨率 分别为2.7公里和11公里。
9、风云系列卫星：
是中国的气象卫星，目前有风云一号D星，风 云三号A星，风云二号C、D、E星等5颗气象 卫星在轨运行。
遥感导论3-2
3、气象卫星的应用领域
① 天气分析与气象预报 ② 气候研究与气候变迁的研究 ③ 资源环境领域：海洋研究、森林火灾、
第三章 遥感成像原理与遥感 图像特征
第三章 遥感成像原理与遥感 图像特征
遥感平台 摄影成像 扫描成像 微波遥感与成像 遥感图像的特征
第一节 遥感平台
概念？ 搭载传感器的工具。 种类？
不同高的平台上进行遥感，可获得不同覆盖 面积，不同比例尺，不同分辨力的遥感图像
1974年，美国成功地研制了第一颗静止业 务环境监测卫星(GOES)。静止业务环境监 测卫星在赤道的某一经度、约36000公里高 度上，它环绕地球一周约需24小时，几乎与 地球自转同步。从地球上看好象卫星是相对 静止的，故又称为地球静止卫星。
目前，日本GMS系列静止气象卫星、俄罗斯 的GOMES卫星、欧盟 METEOSAT-3 卫星、 印度的INSAT以及美国的两颗静止卫星 (GOES-E和GOES-W)共6颗卫星组成地球静 止气象卫星监测网。这些卫星位于赤道上空 约36000公里高，每半小时向地球发送一次 图片。 中国也先后成功地发射了6颗气象卫星 （3颗风云－1和3颗风云－2）。依靠这些 卫星，中国建立了自己的卫星天气预报和监 测系统。风云－1是一种极地轨道气象卫星。 风云－2是一种静止气象卫星。
目前已经可以通过卫星观测系统，获取全 球或任何感兴趣区域的空间连续的高分辨 率气象和环境资料,不受国界限制。
时间取样优势
遥感技术的工作原理
遥感技术的工作原理遥感技术是一种通过获取远离目标的信息来研究地球表面和大气现象的技术。
它利用各种传感器设备，从地面、航空器和卫星上获取数据，进而分析和解释地球表面和大气的物理、化学和生物特性。
遥感技术广泛应用于环境监测、资源调查、军事侦察、气象预测等领域。
本文将详细介绍遥感技术的工作原理，以及其在地球科学研究中的应用。
一、遥感技术的基本原理遥感技术的基本原理可以概括为“辐射-传输-目标-接收”四个步骤。
首先，地球表面或大气中的目标物质会辐射出电磁辐射。
然后，这些辐射在传输过程中与大气发生相互作用，其中一部分会被散射、吸收或发射。
接着，接收器（传感器）接收到经过传输过程后的辐射能量，并将其转化为电信号。
最后，这些电信号被数字化处理，并转化为可视化图像或数值信息。
在这个过程中，遥感技术关键的部分是通过传感器捕捉到目标的反射或发射的电磁辐射。
根据所选择的传感器，可以获得不同波段的电磁辐射数据，包括可见光、红外线、热辐射等。
每个波段的电磁辐射与目标的物理特性有关，通过分析不同波段的数据，可以获取目标的空间分布、温度、化学成分等信息。
二、遥感技术的传感器类型根据使用的平台和感知技术，遥感传感器可分为航空遥感传感器和卫星遥感传感器。
1. 航空遥感传感器航空遥感传感器主要安装在飞机或无人机上，通过将传感器设备搭载到飞行器上，可以获取高空的遥感数据。
这些传感器采集到的数据精度高，对细小目标的探测能力强。
常见的航空传感器包括航空摄影机、热红外传感器和多光谱扫描仪。
2. 卫星遥感传感器卫星遥感传感器是安装在卫星上的遥感设备，可以提供全球范围内的遥感数据。
卫星传感器的数据分辨率相对较低，但其覆盖范围广，适用于大面积观测。
常见的卫星传感器有LANDSAT、MODIS和SPOT等。
三、遥感技术在地球科学中的应用遥感技术在地球科学研究中发挥着重要的作用，下面将介绍其在环境监测、资源调查和军事侦察方面的应用。
1. 环境监测遥感技术可用于监测大气污染、水质变化、土地覆盖和植被状况等环境因素。
气象卫星的工作原理及其应用
气象卫星的工作原理及其应用天空中的卫星，犹如守护者一般，时刻为人类的安全和生活保驾护航。
在其中，气象卫星尤为重要。
所谓气象卫星，是指专门用于气象探测和研究的卫星，其利用遥感技术，能够加强对气象环境的监测和预测，及时提供气象信息，为人类的生产、生活和安全提供更加准确的依据。
本文将深入探讨气象卫星的工作原理以及它在现实生活中的广泛应用。
一、气象卫星的工作原理气象卫星是国家卫星地面站制作，由卫星传输站接收并处理后发送至航天器，在航天器上，主要由遥感和气象荷载两部分组成，其中遥感是利用微波、红外、紫外、可见光等能量对地球进行扫描，采集地表信息，并传回地面地球站进行分析处理。
而气象荷载则是记录气象要素，探测大气环境变化的装置。
一般来讲，气象卫星通过飞行轨道可以分为地球同步和非地球同步。
其中，地球同步轨道的气象卫星，其运动速度与地球自转速度相同，因此可连续观测同一地区的气象状况，高精度地测量大气温度、水汽、云量、降雨量等气象要素。
而非地球同步轨道的气象卫星，由于速度不同，因此需要交替性的观察地球不同区域的气象状况。
从数据采集的角度看，气象卫星主要可以采用被动和主动两种方法。
其中，被动方法是利用自然物理过程，如辐射的反向散射和自然辐射的发射，来获得地球的气象要素信息。
而主动方法则是通过在航天器上搭载合成孔径雷达、微波辐射计等设备，主动向地球发射辐射信号，从而获得高分辨率的大气、海洋等信息。
总之，气象卫星通过遥感技术获取大量气象信息，并通过地面处理和气象预报系统，对天气变化、灾害预警、资源管理等方面做出准确的预判和应对。
二、气象卫星的应用1. 气象监测预报气象卫星不仅可以监测各种气象要素，还可以通过多种获取气象信息的技术手段，如气象雷达、风廓线雷达、微波辐射计等，全方位实现对气象变化的预测和监测。
一些灾害性气象事件，如暴雨、大风、龙卷风等，依靠气象卫星实现的准确预报，能够提前进行预警和应对措施，避免灾难的发生。
第3章 气象卫星遥感大气的基本原理2
图3-3 卫星测量常用的VIS和IR波段
波段(m)
光谱名称
太阳辐射 地球-大气辐 射
用
途
0.2—4 5—30
反射太阳辐射99%，太阳辐射总量。ERBE 长波辐射85%，地球—大气发射到宇宙的长波辐射。ERBE
0.475—0.575
0.58—0.68 0.6—0.7 0.7—0.8 0.725—1.10 3.4—4.2 5.7—7.1 10.5—12.5 13—15
Purpose of the radiance observation
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19
668 679 691 704 716 732 748 898 1028 1217 1364 1484 2190 2213 2240 2276 2361 2512 2671
• 到达地球并被其吸收的太阳辐射为
(1-rS) R2s0
― rS =0.28为地球行星反照率，R地球半径， s0太阳常数。
― 地球-大气系统热平衡状态下吸收这些辐射后全部转化为 热辐射向外空发射，地表平均出射度为
(1 rs )R 2 s 0 (1 rs ) s 0 M 2 4 4R
作物在生长和衰老期间光谱变化
小麦叶子在不同生长期的反射率
不同叶绿素浓度的海水反照率
天然清水和混水的反照率
不同土壤湿度下含沙壤土的反射率
清水的吸收系数
云层的反射特征
假设单层云层，反照率和透过 率都是50%。考虑二次反射后 从第一层反射的能量占原来入 射能量的62.5%。因而推测： 多层云的反照率较高。
• • •
地面及其覆盖物对太阳辐射的反射
1. 地面土壤粒子结构、土 壤水分对反照率的影响 2、植被、冰雪、水体的反 照率 3、反照率随波长的变化
大气层中的气象卫星从太空观测地球的天眼
大气层中的气象卫星从太空观测地球的天眼大气层中的气象卫星在如今的科技发展中扮演着重要的角色。
它们以其高空的俯瞰优势，能够从太空中观测地球的天眼，提供准确、全面的气象数据。
本文将探讨气象卫星的作用、工作原理以及在气象预报和气候研究中的应用。
一、气象卫星的作用气象卫星具有广泛的作用，包括以下几个方面：1. 实时天气观测：气象卫星能够实时观测气象要素，如云层的分布、温度、湿度等，帮助气象部门进行天气预报和监测。
这对于防灾减灾、航空航海安全以及农业生产等方面至关重要。
2. 气候变化研究：通过长期观测，气象卫星能够收集大量的气象数据，帮助科学家研究气候变化趋势，提供基础数据用于模型建立和预测。
这有助于我们更好地理解地球的气候系统，并制定应对气候变化的策略。
3. 灾害监测与预警：气象卫星可以迅速获取大范围的灾害信息，如台风、暴雨等，提前预警并及时向相关部门和公众发布警报。
这对于救援行动的组织和决策具有重要意义，有助于减少人员伤亡和财产损失。
4. 空间科学研究：气象卫星不仅仅用于观测地球的天气，还可以用于研究其他行星的大气层以及宇宙中的天体。
通过对比分析，科学家们可以更好地了解地球与其他天体的相似与差异，探索宇宙的奥秘。
二、气象卫星的工作原理气象卫星通过搭载各种感应器和设备，从太空中获取地球的气象信息。
其工作原理主要包括以下几个步骤：1. 数据采集：卫星上的感应器对不同气象要素进行测量，如红外线传感器用于观测云层温度，微波辐射计用于测量海洋表面温度等。
这些感应器可以通过各种波段和频段来获取数据，以提供丰富的气象信息。
2. 数据传输：卫星将采集到的数据传输回地面接收站或者其他卫星上，采用的方式包括数传、雷达和激光通信等。
这些传输方式能够高效地传输大量的数据，确保地面接收站可以及时获得气象信息。
3. 数据处理与分析：地面接收站接收到气象卫星传回的数据后，需要进行处理和分析。
这包括对数据进行校正、去噪和图像重建等操作，以提取有用的气象信息并生成可视化产品。
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对流层中上部水汽含量 红外云分布图，云参数，海面温度，降水 大气温度垂直分布
AVHRR channelization
Characteristics Channel 1 Channel 2 Channel 3 Channel 4 Channel 5
Spectral Range(m) 0.58-0.68 0.725-1.1 3.55-3.93 10.3-11.3 11.5-12.5 Detector Silicon Resolution(km) 1.1 IFOV(mr) 1.3 NETD @ 300 K S/N @ 0.5% albedo >3:1 Silicon 1.1 1.3 >3:1 InSb 1.1 1.3 0.12 HgCdTe HgCdTe 1.1 1.1 1.3 1.3 0.12 0.12 -
1.4，1.9，2.7，6.3， 0.9，1.1, 3.2 13.0 4.7，9.6，14.1 4.5，7.8 3.3，3.8，7.7 4.7 2.3 3.3，3.6，5.7 3.9，4.1，9.6，17.0
三. 大气窗和大气吸收带
辐射在大气中传输时被 大气中的某种气体所吸 收。 吸收随波长变化很大， 吸收很强的一些波段称 为吸收带，吸收很弱或 没有吸收的一些波段称 为大气窗（因为这些波 段的辐射可以象光通过 窗户那样透过大气）。
反 射 100 、 80 透 60 射 40 、 吸 20 收 00 10 %
R1+ T3 =5L/8
R1=L/2
T3=L/8
T1=L/2
R2=L/4 T2=L/4
R3=L/8
图3-7 多层云对太阳辐射的反射
云
600
500 400 300 200 100
反射
厚 （米）
透过
吸收
1000 10000
0
100
• 到达地球并被其吸收的太阳辐射为
(1-rS) R2s0
― rS =0.28为地球行星反照率，R地球半径， s0太阳常数。
― 地球-大气系统热平衡状态下吸收这些辐射后全部转化为 热辐射向外空发射，地表平均出射度为
(1 rs )R 2 s 0 (1 rs ) s 0 M 2 4 4R
• • •
地面及其覆盖物对太阳辐射的反射
1. 地面土壤粒子结构、土 壤水分对反照率的影响 2、植被、冰雪、水体的反 照率 3、反照率随波长的变化
叶 子 反 射 率 、 水 吸 收 率 %
反 射 率 %
0—4% 5—12%
22—32% 0.5 1 1.5 波长m 2
图1 砂土三种不同含水量时 的反射率谱
20
14367
0.70
Window
30 hPa Temperature sounding. The 15- band channels provide m 60 hPa better sensitivity to the temperature of relatively cold 100 hPa regions of the atmosphere than can be achieved with the 400 hPa 4.3- band channels. Radiances in Channels 5,6, and 7 m 600 hPa also are used to calculate the heights and amounts of cloud 800 hpa within the HIRS field of view. 900 hPa Surface Surface temperature and cloud detection 25 hPa Total ozone concentration 900 hPa Water vapor sounding. Provides water vapor corrections for 700 hPa CO2 and window channels. The 6.7- channel is also used m 600 hPa to detect thin cirrus cloud. 1000 hPa Temperature sounding. The 4.3- band channels provide m 950 hPa better sensitivity to the temperature of relatively warm 700 hPa regions of the atmosphere than can be achieved with the 15 m 400 hPa band channels. Also, the short wavelength radiances are 5 hPa less sensitive to clouds than those for the 15 region. m Surface Surface temperature. Much less sensitive to clouds and H2O than Surface the 11- window. Used with 11- channel to detect m m cloud contamination and derive surface temperature under partly cloudy sky conditions. Simultaneous 3.7- and 4.0- data m enable reflected solar contribution to be eliminated from observations. Cloud Cloud detection. Used during the day with 4.0- and 11- m window channels to define clear fields of view.
° ° ° ° ° °••° ° • •°• ° • ° °
10 20 30
°高层云 • 层云
40 50 60 70 80 90
云厚（米）
透过率（％）
（ａ）
（ｂ）
图３－８
云层反照率、吸收率和透过率的关系
二. 地球-大气系统辐射光谱 和大气吸收带
地球-大气系统平均温度~255K。
地球-大气系统平均温度255K?
图3-3 卫星测量常用的VIS和IR波段
波段(m)
光谱名称
太阳辐射 地球-大气辐 射
用
途
0.2—4 5—30
反射太阳辐射99%，太阳辐射总量。ERBE 长波辐射85%，地球—大气发射到宇宙的长波辐射。ERBE
0.475—0.575
0.58—0.68 0.6—0.7 0.7—0.8 0.725—1.10 3.4—4.2 5.7—7.1 10.5—12.5 13—15
作物在生长和衰老期间光谱变化
小麦叶子在不同生长期的反射率
不同叶绿素浓度的海水反照率
天然清水和混水的反照率
不同土壤湿度下含沙壤土的反射率
清水的吸收系数
云层的反射特征
假设单层云层，反照率和透过 率都是50%。考虑二次反射后 从第一层反射的能量占原来入 射能量的62.5%。因而推测： 多层云的反照率较高。
Te (
E日
1/ ）4 （
Q 4 R 2 日
1/ ）4 5754 K
▲ 太阳吸收光谱（如图）：该光谱与5900K的黑体辐 射光谱有明显差异，存在许多由大气中的臭氧、氧、水 汽、二氧化碳及尘埃等物质选择性吸收作用造成的吸收 线和吸收带。 • O3吸收：主要位于紫 外光0.2 -0.3m、0.320.36m、可见光0.6和 4.75m。 O2吸收：紫外、可见 光。 H2O吸收：0.7m、 0.7—0.8m CO2吸收：3.5 m
/whyExplore.html
/exploration/home/griffin_why_e
xplore.html
第二节 太阳和地球-大气系统辐射
一. 太阳辐射
•
•
太阳： 6000K，直径(2R日)=139.14万公里，是地球的104倍；日 地平均距离d0=1.495 ×108公里。
• 斯蒂芬-波尔兹曼定律（M=T4）
(1 rs ) s0 1/4 (1 0.28) 1353 1/4 T (M / ) [ ] [ ] 256 K 8 4 4 5.67 10
1/4
∴通常把地球-大气系统近似看作平均温度~ 255K的黑体
255K黑体辐射谱
地球-大气系统(~255K)发出的辐射主要特征： 1. 95%集中在4—120 m（红外）波段，
•
能量平衡：太阳辐射到达大气顶后，大约
35% 被地球、大气、云层反射 17% 被大气吸收 47% 到达地面、被地表吸收
▲
太阳光谱：
太阳辐射能主要集中在0.3-3.0微米，
2898 2898 6165.96K 辐射最大值位于0.47微米,色温度 TC max 0.47
1/4能量在波长0.47微米的谱段内， 46%的能量在0.40—0.76微米的可见光波段。 假设太阳是理想的黑体，则可由斯蒂芬-波尔兹曼定律 计算出太阳的有效温度Te:
蓝、绿
黄、红 橙 红 近红外窗
短波红外窗 水汽吸收带 大气红外窗 CO2吸收带
地表、地下水特征，干燥、岩石、土壤
白天云分布图，植物生长、水污染、地形等
透射水体，水混浊度海洋泥沙流大河悬浮陆地冰川沙漠地植物生长 对水体、湿地反映清楚，土壤湿度，植物病虫、生长 白天云分布图，水陆边界，水体分布，土壤湿度，植物生长 温度变化（火灾监测），海温测量，云分布（白天除太阳干扰）
2. 最大辐射波长约在10 m附近。
大气对地球-大气辐射的吸收
辐射在大气中传输时，受大气吸收和散射的影响。对于地球大气辐射（主要辐射为>3 m）而言，散射很小，可忽略。所以 造成地球-大气辐射能衰减的主要原因是大气气体的吸收。