卫星气象整理

182第一章
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。

2.什么是气象卫星，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。

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。

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
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.现有和未来静止业务气象卫星（了解）
中国：FY－2C/D/E（105°E, °E,…）
（后续FY-2F, 未来FY－4）
美国：GOES –E/GOES-W(135°W , 70°W )
(未来GOES-R)
欧洲：METEOSAT-5/7, MSG（63°E, 0°E）
(未来MTG)
日本：MTSAT-1R/2R（140°E）三轴稳定
俄罗斯 ：GOMS (76°E ) 印度：INSAT （83°E ）
7.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
第二章
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 2
v ）/2（动能）– μm/r （势能） = –μm/2a 因此，卫星在轨道上的运行速度为2
v = μ（ 2/r – 1/a ） —— 卫星活力公式 3. 卫星运行周期
椭圆轨道: 2
T = 4μπ/3
2
a
圆轨道: 2
T = 42
π(R+H)3
/μ
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表面的交点称为星下点。

近极地太阳同步轨道 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。

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；
（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）。

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。

7．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。

第三章
1.电磁波
（1）波段 r 射线、x 射线、紫外线、可见光（波长—μm）、红外线、微波参数：λ波长ν波数（1厘米长度内含有的波数）
f 频率 c 光速=31010厘米/秒。

c =λf波在真空中的速度。

n n /λλ=波在介质的波长。

V=f n λ波在介质中的速度。

n=2
1)
(r r με介质折射指数。

r ε介电常数, r μ磁导率。

关系： λf=c f=C/λ λ=c/f v=1/λ=f/c
2.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(Φ)：指在单位时间内通过某一表面的辐射能。

Φ=Q/t t Q ∂∂=Φ 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 /Φ A F Φ∂=
朗博体：F=πL
3.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；
电磁辐射的吸收和发射时，显示出粒子的性质。

3.维恩位移定律：在一定温度下，的与辐射本领最大值相对应的波长λ和绝对温度T 的乘积为一
4.斯蒂芬-波尔兹曼定律 定义全谱段辐亮度
()⎰
⎰∞
-∞
-==0
5201
2)(KT ch e d h c d T B T B λ
λλλ
记常数b=244k π/（15c 2h 3），可得 B （T ）=bT 4 黑体辐射是各向同性的，因此黑体发射的通量密度为 F=πB （T ）=σT 4
式中σ =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T 4成正比。

5,发射率的概率，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：ε=M '/M
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(λ)。

6，基尔霍夫定律的概念，意义
答：
概念：记ελ是物体的比辐射率或发射率，a λ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= a λ
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）
答：亮度温度的定义：在给定波长处，如果物体的辐射亮度L λ（T ）与温度为T b 的黑体辐射亮度相等，即L λ（T ）=B λ（T b ）则称T b 为该物体的亮度温度。

低于实际温度的原因：亮度温度（T b ）又称等效黑体温度或辐射温度。

由于B λ（T ）> L
λ（T ） =B λ（T b ）
，所以T b < T 。

8，光学厚度的概念
答：
)
)((0
dl l k l
ρλ⎰
-（比尔吸收定律式子中）
9，比尔吸收定律
答：辐射率L λ通过有吸收、无散射介质 dl 距离，辐射改变量-dL λ与吸收气体的含量ρdAdl 、L λ成正比
dL λ=- L λk λρ（l ）dl
式中ρ（l ）吸收气体的密度， k λ分谱质量吸收系数（厘米2⋅克-1
），它是给定介质热力
状态的函数， k λρ（l ）= a λ是体积吸收系数（厘米-1）。

对上式沿0—l 积分得
L λ0是辐射进入介质时的分谱辐射率。

这就是比尔吸收定律。

9-1，透过率
答：在仅考虑吸收的情况下，分谱透过辐射L λ与分谱入射辐射L λO 之比称为辐射通过介质0→l 距离的分谱辐射透过率。

9-2太阳光谱答：太阳辐射能主要集中在微米，辐射最大值位于微米,色温度T c
假设太阳是理想的黑体，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 e :
)
) ( exp( 0 0 dl l k L L l ρ λ λ λ ⎰ - =
10，大气窗和大气吸收率：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收。

吸收随波长变化很大，在一些波段吸收很强，在另一些波段吸收很弱或没有吸收。

对辐射吸收很强的波段就称为该气体的吸收带；吸收很弱或没有吸收的波段称为大气窗。

应用：辐射与大气和地表之间的相互作用表现为辐射的发射、吸收和反射，这为卫星遥感地表和大气提供了大量的信息。

例如卫星在大气窗区波段可以测量地面、云层反射或发射的辐射，从而可以得到地表、云面的反射特性或温度分布；卫星在吸收带测量，可以得到大气温度和成分。

根据测量的目的，卫星选择不同的波长间隔进行测量，这种波长间隔称做通道。

为更多地获取地面、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：
① 地面和云面发射的红外辐射 ② 地面和云面反射的太阳辐射
③ 地面和云面反射的大气向下的红外辐射 ④ 大气各成分发射的红外辐射 ⑤ 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发射辐射的表达式，即红外辐射在大气中的
传输方程。

（2
（1）地面辐射项： （上式到TP0为止）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 解:（1)权重函数定义
（2）意义： （3）应用;
()()⎰
'
'
'''+=0
000)
,()]([),(][P s p d p d p d p T B p p T B L θτθτεθλλλλλλ⎰
'''''00
),()]([P p d p d p d p T B θτλλ
14卫星云图：观测原理，通道（辐射来源）
解：VIS通道：
—，—m等大气窗→可见光云图
—m →近红外云图
IR通道：
—m大气窗→长波红外云图
—m大气窗→短波红外云图
—m水气吸收带→水汽图
15.灰阶规则
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.红外云图规则
解：（1）长波红外云图（—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）。

（2）短波红外云图（—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.水汽图规则
解：通道：—水汽强吸收带，吸收带中心为 um。

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）
1、空间分辨率：是指卫星在某一时刻观测地球的最小面
积。

卫星的瞬时视场决定了卫星的空间分辨率。

空间分辨率可以由卫星观测到的最小面积直
径表示，单位为km。

空间分辨率也可以用卫星的瞬
时视场角表示，单位为弧度。

瞬时视场：从卫星到观测地表面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所有物体反射或发射的辐
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、灰度分辨率或温度分辨率
64级=26, 256级=28, 1024级=210
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。

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；进行图象变换、图象参数。

预处理：原始数据不能直接应用在业务中，还必须进行数据分离、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：消除畸变、加网格、坐标变换；亮度或灰度变换。

即数据解调、数据流分离（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和低分辨率自动接收站APT
原理：？
仰角的求法
4.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手段：光学、电子模拟、数字处理
δ
β
O'
η
O
S h
R
δ
内容：复原、几何校正、增强、统计分析、分类识别
第五章
1.云图的基本特征
A、可见光微米)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。

B、长波红外微米)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。

C、短波红外（）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。

D、水汽图（）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
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
百度文库- 好好学习，天天向上
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。

细胞状云区与风速：园形＜5m/s，椭园形 5—10m/s，马蹄形10—15m/s，长条形15m/s 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）
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：活跃，不活跃冷锋。

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，涡区及其附近有造成强对流天气的对流云发展。

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，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。

80—90%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。

-11。