衛(wèi)星氣象學(xué)-概論-課件

1、衛(wèi)星氣象學(xué)成都信息工程學(xué)院大氣科學(xué)系陳科藝緒論一. 氣象衛(wèi)星和衛(wèi)星氣象學(xué)氣象衛(wèi)星: 通過搭載各種氣象觀測儀器,測量大氣溫度,濕度,風(fēng),云等氣象要素以及各種天氣現(xiàn)象,專門用于氣象目的的衛(wèi)星.衛(wèi)星氣象學(xué): 如何利用氣象衛(wèi)星探測各種氣象要素,并將衛(wèi)星探測到的資料應(yīng)用于大氣科學(xué)的一門學(xué)科. -主要研究地球大氣系統(tǒng)的輻射傳輸特性.二.氣象衛(wèi)星遙感遙感: 在一定距離之外,不直接接觸被測物體和有關(guān)物理現(xiàn)象,通過探測器接受來自被測物體(目標(biāo)物)反射或發(fā)射的電磁輻射信息,并對其進(jìn)行處理,分類和識(shí)別的一種技術(shù).傳感器:收集電磁輻射信息的裝置 (相機(jī)等觀測儀器),是遙感技術(shù)系統(tǒng)的核心傳感器一般由信息收集、探測系統(tǒng)、

2、信息處理和信息輸出4部分組成運(yùn)載工具:搭載傳感器的設(shè)備稱為運(yùn)載工具.衛(wèi)星遙感: 利用氣象衛(wèi)星對大氣進(jìn)行遙感探測稱做氣象衛(wèi)星遙感.衛(wèi)星遙感探測技術(shù)的組成部分：遙感信息的獲取方法的研究，主要是研究在各個(gè)電磁波段的各類傳感器的特性；各類目標(biāo)物的光譜特性和遙感信息傳輸規(guī)律的研究；遙感數(shù)據(jù)的處理和分析判讀技術(shù)的研究。三、衛(wèi)星氣象學(xué)的主要內(nèi)容衛(wèi)星氣象學(xué)主要研究60km以下大氣中各氣象要素的獲取和應(yīng)用，它的主要內(nèi)容有：研究大氣目標(biāo)物(各類吸收氣體)、云和地表等的輻射光譜特性及電磁輻射在大氣中的傳輸規(guī)律；尋找從衛(wèi)星探測和獲取大氣中主要?dú)庀笠睾痛髿猬F(xiàn)象的理論和方法。氣象衛(wèi)星資料的接收、處理和分發(fā)、數(shù)據(jù)管理和存

3、貯、質(zhì)量控制；氣象衛(wèi)星資料直接在天氣預(yù)報(bào)、大氣科學(xué)研究中的應(yīng)用，以及在其他有關(guān)領(lǐng)域中的使用。四、遙感分類按工作方式可以分為主動(dòng)遙感和被動(dòng)遙感。主動(dòng)遙感是指儀器接收由本身發(fā)射然后經(jīng)被測物體反射、散射回來的電磁輻射，再根據(jù)儀器接收到的反射、散射電磁輻射特征來識(shí)別和推斷目標(biāo)物的特性。這種遙感方式需要有人工電磁輻射源，故又稱有(人工)源遙感。被動(dòng)遙感是測量目標(biāo)物自己發(fā)射的電磁輻射或反射自然源(如太陽輻射)發(fā)射的電磁輻射來推測目標(biāo)物特性，這種遙感方式只需要能感應(yīng)電磁輻射的接收系統(tǒng)。優(yōu)點(diǎn)是儀器的重量輕、體積小和耗能少，這種方式又稱自然源遙感，衛(wèi)星探測大都采用被動(dòng)遙感方式。按探測器選用的電磁波譜段劃分可以分

4、成紫外遙感、可見光遙感、紅外遙感和微波遙感等。隨衛(wèi)星探測技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展，在探測某一目標(biāo)物時(shí)采用幾個(gè)波段同時(shí)進(jìn)行觀測，這種遙感探測稱為多光譜遙感。按探測對象的不同可分有大氣遙感、海洋遙感、農(nóng)業(yè)遙感和地質(zhì)地理遙感等。按探測的信息形式可分為圖像方式和非圖像方式。圖像方式把測量到的輻射轉(zhuǎn)換成以黑白(或彩色)色調(diào)表示的圖像；非圖像方式則把測量到的輻射以數(shù)據(jù)或圖表來表示。五、遙感平臺(tái) 遙感平臺(tái)是裝載傳感器的運(yùn)載工具,按高度分為： 地面平臺(tái)：為航空和航天遙感作校準(zhǔn)和輔助工作。 航空平臺(tái)：80 km以下的平臺(tái)，包括飛機(jī)和氣球。 航天平臺(tái)：80 km以上的平臺(tái)，包括高空探測火箭、 人造地球衛(wèi)星、宇宙飛船、航天飛

5、機(jī)。 人造地球衛(wèi)星的類型： 低高度、短壽命衛(wèi)星：150350 km，用于軍事。 中高度、長壽命衛(wèi)星：3501800 km，地球資源。 高高度、長壽命衛(wèi)星：約3600 km，通信和氣象。六、遙感探測的特點(diǎn)在固定軌道上對地球大氣進(jìn)行觀測實(shí)現(xiàn)全球和大范圍觀測在空間自上向下觀測采用遙感探測方式具有觀測速度快、項(xiàng)目多、信息量大和測量系統(tǒng)不干擾被測目標(biāo)物，以及資料代表性和統(tǒng)一性好等優(yōu)點(diǎn)有利新技術(shù)發(fā)展推廣如一幅Landsat圖像，覆蓋面積185 km185 km， 在56 min內(nèi)可完成掃描，實(shí)現(xiàn)對地的大面積同步觀測。所取得的數(shù)據(jù)可進(jìn)行大面積資源和環(huán)境調(diào)查，并且不受地形阻隔等限制。七、衛(wèi)星資料的應(yīng)用增加和豐

6、富了氣象觀測及其他領(lǐng)域資料的內(nèi)容和范圍當(dāng)前氣象衛(wèi)星可以提供以下有價(jià)值的資料：每日的可見光、紅外和水汽等多譜段圖像資料；大氣垂直探測資料；微波探測資料；太陽質(zhì)子、粒子資料等。和由這些信息可以導(dǎo)得的各種參數(shù)和現(xiàn)象：云系的大范圍分布和各類天氣系統(tǒng)的位置、形成、發(fā)生發(fā)展等；災(zāi)害性天氣的發(fā)生發(fā)展；云類、云量、云頂溫度(云頂高度)、云的相態(tài)等；氣溶膠、沙塵暴、揚(yáng)沙、浮塵、冰雪覆蓋等；陸面溫度、植被分布、蒸散、土壤濕度、地面反照率等陸面參數(shù)；大氣溫度、濕度垂直分布，大氣中水汽總量、臭氧總量；降水量和降水區(qū)、地面水資源、洪水等和給定區(qū)域的云風(fēng)矢量；入射地球大氣系統(tǒng)的太陽輻射和地球大氣系統(tǒng)反射輻射總量，長波輻射

7、總量，地氣系統(tǒng)輻射收支等；海洋表面溫度、洋流、懸浮物質(zhì)濃度、葉綠素濃度和海冰等海洋表面狀態(tài)；監(jiān)視森林火災(zāi)、森林生長狀況和；由可見光和近紅外云圖提取植被指數(shù)，監(jiān)視農(nóng)作物生長、估計(jì)作物產(chǎn)量；監(jiān)視太陽質(zhì)子、a粒子、電子通量密度和能量譜以及衛(wèi)星高度上的粒子總能量。衛(wèi)星資料是天氣分析預(yù)報(bào)的重要依據(jù)監(jiān)視暴雨、強(qiáng)雷暴等災(zāi)害性天氣系統(tǒng)監(jiān)視熱帶洋面上的低壓、臺(tái)風(fēng)等天氣系統(tǒng)改進(jìn)長期天氣預(yù)報(bào)為數(shù)值天氣預(yù)報(bào)提供資料在氣候研究方面的應(yīng)用為農(nóng)業(yè)提供氣象資料監(jiān)視森林火災(zāi)、地表熱異常衛(wèi)星資料在水文方面的應(yīng)用為航空提供飛行保障為軍事提供氣象服務(wù)收集和轉(zhuǎn)發(fā)各種氣象資料空間環(huán)境監(jiān)視八、衛(wèi)星遙感的發(fā)展趨勢第二節(jié)氣象衛(wèi)星發(fā)展概況一、概

8、述1960年4月l日，美國發(fā)射了世界上第一顆氣象衛(wèi)星(TIROS-1)?，F(xiàn)在的氣象衛(wèi)星星體、傳感器、通訊方式、資料及其應(yīng)用等許多方面，與首次飛行時(shí)的氣象衛(wèi)星相比已有很大的變化。氣象衛(wèi)星是從外層空間對地球及其大氣層進(jìn)行氣象觀測的人造地球衛(wèi)星。它是衛(wèi)星氣象觀測系統(tǒng)的空間部分。衛(wèi)星攜帶有各種氣象遙感儀器，能夠接收和測量地球及其大氣層的可見光、紅外與微波輻射，并將它們轉(zhuǎn)換成電信號(hào)傳送到地面。地面臺(tái)站將衛(wèi)星送來的電信號(hào)復(fù)原繪制成各種云層、地表和洋面圖片，再經(jīng)進(jìn)一步的處理和計(jì)算，即可得出各種氣象資料。用氣象衛(wèi)星觀測能覆蓋全球，既有圖像資料，也有大氣定量探測數(shù)據(jù)，而且觀測數(shù)據(jù)匯集迅速，對海洋氣象預(yù)報(bào)和軍事氣

9、象保障有特別重要的意義。二、主要?dú)庀笮l(wèi)星介紹自1960年4月l日美國發(fā)射第一顆“泰羅斯”號(hào)試驗(yàn)氣象衛(wèi)星以來，氣象衛(wèi)星的發(fā)展迅速，經(jīng)歷了試驗(yàn)和應(yīng)用的兩個(gè)階段。氣象衛(wèi)星現(xiàn)己成為世界天氣監(jiān)視網(wǎng)的主要組成部分，成為氣象預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)和大氣科學(xué)及其相關(guān)學(xué)科研究的不可缺少的一種觀測手段。美國、俄羅斯、歐洲空間局、日本、中國和印度都擁有自己的氣象衛(wèi)星。世界上主要的氣象衛(wèi)星系列有：美國的“泰羅斯-N/諾阿”極軌業(yè)務(wù)氣象衛(wèi)星系列和“戈斯”(GOES)地球同步軌道業(yè)務(wù)氣象衛(wèi)星系列；美國TIROSNNOAA-67衛(wèi)星goes發(fā)射準(zhǔn)備美國戈斯-N氣象衛(wèi)星美國戈斯-N在軌飛行示意NOAA極軌衛(wèi)星兩部探測器甚高分辨率輻射計(jì)(A

10、VHRR) 5個(gè)通道 分辨率1公里 泰羅斯垂直業(yè)務(wù)探測器(TOVS) 高分辨率紅外輻射探測儀(HIRS) 微波探測器(MSU) 平流層探測器(SSU)AVHRR的5個(gè)通道 一、0.6微米 二、0.9微米 三、3.7微米 四、10.8微米 五、12微米美國NASA的地球觀測系統(tǒng)Earth Observing System 縮寫為EOS美國于2019年12月18日成功發(fā)射了第一顆EOS衛(wèi)星衛(wèi)星發(fā)射成功后命名Terra（拉丁語：地球母親）標(biāo)稱軌道高度: 705 KM太陽同步: 10:30 過赤道時(shí)間(降軌) 以取得最好光照條件并最大限度減少云的影響98.2 度軌道傾角2019年5月4日發(fā)射了EOS-

11、PM，成功后命名為AQUA（水）MODIS=中分辨率成像光譜儀*（EV130-1）（對外直接廣播）MODIS：代表當(dāng)今世界先進(jìn)光學(xué)遙感儀器制造技術(shù)的典范空間分辯率是指衛(wèi)星在某時(shí)刻觀測到地球的最小面積。中分辨率成像光譜儀有36個(gè)光譜通道，2個(gè)通道空間分辨率高達(dá)250米，5個(gè)通道空間500米，29個(gè)1公里。首次實(shí)現(xiàn)了對地球觀測從特征識(shí)別到光譜+特征識(shí)別的飛躍掃描寬度達(dá)2330公里，一顆衛(wèi)星每天覆蓋觀測全球2次一個(gè)儀器可對地球表面、大氣和海洋表面環(huán)境等24個(gè)重要參數(shù)和多種自然災(zāi)害等進(jìn)行綜合觀測，是從前所有衛(wèi)星都不能比擬的。颶風(fēng)Erin09/09/01 1530 Z不同分辨率的青海省李家峽水庫系列衛(wèi)星

12、影象1 km（NOAA/AVHRR）250 m（EOS/MODIS）30 m（ETM）2.8 m（ Quick Bird ）TRMM衛(wèi)星TRMM（Tropical Rainfall Measuring Mission）實(shí)驗(yàn)計(jì)劃是美國和日本合作開展的熱帶降雨測量計(jì)劃。TRMM衛(wèi)星的儀器有5個(gè)：測雨雷達(dá)（Precipitation Radar, PR）、微波成像儀（TRMM wave Imager，TMI）、可見光和紅外掃描儀（Visible and Infrared Scanner，VIRS）、云和地球輻射能量系統(tǒng)（Clouds and the Earth Radiant Energy Syst

13、em，CERES）、閃電成像傳感器（Lightning Imaging Sensor，LIS）。俄羅斯的“流星”號(hào)氣象衛(wèi)星系列；俄羅斯“流星-I”氣象衛(wèi)星日本GMS地球同步軌道業(yè)務(wù)氣象衛(wèi)星系列；日本GMS氣象衛(wèi)星日本MASAT氣象衛(wèi)星歐洲空間局的Meteosat地球同步軌道業(yè)務(wù)氣象衛(wèi)星系列；歐洲METOP氣象衛(wèi)星歐洲MSG氣象衛(wèi)星印度INSAT地球同步軌道業(yè)務(wù)氣象衛(wèi)星系列；印度INSAT 3C 衛(wèi)星中國的“風(fēng)云” 氣象衛(wèi)星系列1988年9月7日、l990年9月3日和l999年5月10日，先后發(fā)射了第l顆、第2顆和第3顆“風(fēng)云”l號(hào)太陽同步軌道氣象衛(wèi)星；風(fēng)云1號(hào)氣象衛(wèi)星風(fēng)云一號(hào)衛(wèi)星風(fēng)云一號(hào)衛(wèi)星圖

14、像儀的觀測通道CH1 CH2 CH3 CH4 CH5風(fēng)云一號(hào)衛(wèi)星圖像儀的觀測通道CH6 CH7 CH8 CH9 CH10FY-1攜帶儀器（1）可見光和紅外掃描輻射計(jì)（2）空間環(huán)境探測器 FY-1A,1B 5 通道 FY-1C,1D 10 通道FY-3 攜帶儀器 (1） 可見光和紅外掃描輻射計(jì)（2） 紅外分光計(jì)（3） 微波溫度計(jì)（4） 微波濕度計(jì)（5） 微波成像儀（6） 中分辨率光譜成像儀（7） 紫外臭氧垂直探測儀（8） 紫外臭氧總量探測儀（9） 地球輻射探測儀（10）太陽輻射監(jiān)測儀（11）空間環(huán)境探測器在2019年6月10日和2000年6月25日，先后發(fā)射了第l顆和第2顆“風(fēng)云”2號(hào)地球同步軌

15、道氣象衛(wèi)星。風(fēng)云2號(hào)氣象衛(wèi)星風(fēng)云2號(hào)氣象衛(wèi)星風(fēng)云二號(hào)衛(wèi)星圖像儀的觀測通道IR1 IR3風(fēng)云二號(hào)紅外觀測圖像IR2 IR4為了滿足我國天氣預(yù)報(bào)、氣候預(yù)測和環(huán)境監(jiān)測等方面的迫切需求，1994年將我國第二代極軌氣象衛(wèi)星“風(fēng)云三號(hào)”（FY-3)列入航天技術(shù)“九五”規(guī)劃，加快了發(fā)展FY-3衛(wèi)星的步伐，2000年11月國務(wù)院正式批準(zhǔn)立項(xiàng)。風(fēng)云三號(hào)”衛(wèi)星的目標(biāo)是獲取地球大氣環(huán)境的三維、全球、全天候、定量、高精度資料。Polar-OrbitingGeostationaryFirst GenerationChinese Meteorological SatellitesFY-1A: 09/07/1988FY-1

16、B: 09/03/1990FY-1C: 05/10/2019FY-1D: 05/15/2019Second GenerationFY-2A: 06/10/2019FY-2B: 06/25/2000FY-2C: 10/18/2019FY-2D: 12/08/2019First GenerationSecond GenerationFY-4: 2019-2020Total 7FY-3A: 05/27/2019FY-3B: 11/05/20198 more: 2019-202067InstrumentChannelWavelengthFOVsResolution at NadirPurposeVIR

17、R100.43 12.5m 20481.1 kmCloud, aerosol, TPW,vegetation,surface characteristics,surface T ,ice, snow etc.MERSI200.41 12.5 m 2048/81921.1km/250mOcean color, aerosol, TPW, cloud, vegetation,surface characteristics,surface T ,ice, snow etc.MWRI1210.65 150 GHz24015-70kmRainrate, LWC, TPW, soil moisture,

18、sea ice, SST, ice, snow, etc. IRAS260.69 15.5 m 5617kmT, q, total O3MWTS450 57 GHz1550-75kmTMWHS5150 183 GHz9815kmq, surface characteristicsTOU6308 361 nm3150kmTotal O3SBUS12250 340 nm240200kmO3 profileSIM10.250m Solar irradianceERM40.23.8m 0.250m 15022 Earths total radiation, Earth radianceInstrume

19、nt Parameters氣象衛(wèi)星的主要任務(wù)是：(1)為天氣預(yù)報(bào)，特別是中期數(shù)值天氣預(yù)報(bào)，提供全球的溫、濕、云輻射等氣象參數(shù)；(2)監(jiān)測大范圍自然災(zāi)害和生態(tài)環(huán)境；(3)研究全球環(huán)境變化，探索全球氣候變化規(guī)律，并為氣候診斷和預(yù)測提供所需的地球物理參數(shù)；(4)為軍事氣象和航空，航海等專業(yè)氣象服務(wù)，提供全球及地區(qū)的氣象信息。新一代的極軌氣象衛(wèi)星“風(fēng)云三號(hào)”經(jīng)過8年研制，在2019年5月27日11時(shí)2分29秒于太原衛(wèi)星發(fā)射中心，由長征四號(hào)運(yùn)載火箭成功送入太空，標(biāo)志著我國氣象衛(wèi)星和衛(wèi)星氣象事業(yè)發(fā)展進(jìn)入了新的歷史階段。風(fēng)云3號(hào)氣象衛(wèi)星三、分類與軌道氣象衛(wèi)星一般按其軌道分成兩類：極軌氣象衛(wèi)星和地球同步軌道氣

20、象衛(wèi)星。極軌氣象衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)采用近極地太陽同步軌道，衛(wèi)星軌道平面和太陽光線保持固定交角，這樣衛(wèi)星每天差不多在固定的時(shí)間經(jīng)過同一地區(qū)兩次，觀測間隔l2小時(shí)左右，這種軌道優(yōu)點(diǎn)是可以獲得全球氣象資料；近極地太陽同步軌道衛(wèi)星近極地太陽同步軌道太陽同步衛(wèi)星的軌道平面和太陽始終保持相對固定的取向近極地由于這種軌道的傾角接近90度，衛(wèi)星要在極地附近通過衛(wèi)星幾乎以同一地方時(shí)經(jīng)過各地上空極軌氣象衛(wèi)星的高度約為800多公里太陽同步軌道衛(wèi)星可以觀測全球，尤其是可以觀測兩極地區(qū)在觀測時(shí)有合適的照明，可以得到充足的太陽能觀測間隔長，相鄰兩條軌道的資料不是同一時(shí)刻極軌衛(wèi)星地球同步軌道氣象衛(wèi)星的運(yùn)行高度約為35800千米。其

21、軌道平面和地球的赤道平面重合，運(yùn)行周期和地球自轉(zhuǎn)周期相等。從地球上看，衛(wèi)星靜止在赤道某經(jīng)度上空，所以又稱為靜止衛(wèi)星。靜止衛(wèi)星的有效觀測視野為南緯50至北緯50、經(jīng)度跨距約100的近圓形范圍。自旋穩(wěn)定的地球同步軌道衛(wèi)星衛(wèi)星運(yùn)行方向與地球自轉(zhuǎn)方向相同，即同向運(yùn)行性衛(wèi)星軌道傾角為0度，即赤道平面與軌道平面完全重合軌道偏心率e為0，即軌道是圓形的周期為23小時(shí)56分04秒衛(wèi)星高度35860公里高度高，視野廣闊，一個(gè)靜止氣象衛(wèi)星可以對南北70S-70N，東西140個(gè)經(jīng)度，約占地球表面1/3的1億7千萬平方公里進(jìn)行觀測風(fēng)云二號(hào)雙星觀測能力申請的軌道位置有： 1050E （A位置） 86.50E （B位置）

22、 123.50E（C位置） 從FY-2D起，我國靜止氣象衛(wèi)星將形成雙星觀測星座。東西有效覆蓋范圍：26.5165E，約138.5東西重疊區(qū)：45E146.5E，約101.5完全覆蓋我國領(lǐng)土風(fēng)云二號(hào)雙星觀測能力我國靜止氣象衛(wèi)星史上又一次新飛躍:互為備份、大范圍、高時(shí)效東西有效覆蓋范圍：26.5165E，約138。5東西重疊區(qū)：45E146.5E，約101.5，完全覆蓋我國領(lǐng)土衛(wèi)星實(shí)時(shí)廣播四、全球衛(wèi)星觀測體系 為了對全球范圍內(nèi)天氣作連續(xù)觀測，單憑一顆靜止衛(wèi)星和極軌衛(wèi)星是無法實(shí)現(xiàn)的，這時(shí)只有將多顆靜止氣象衛(wèi)星與幾顆極地太陽同步氣象衛(wèi)星組合在一起，發(fā)揮各自的優(yōu)勢，彌補(bǔ)其短處形成一個(gè)全球衛(wèi)星觀測體系，實(shí)

23、行對全球天氣的監(jiān)視。為有效覆蓋全球，各衛(wèi)星觀測區(qū)彼此有一定重疊。從而實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星對全球大氣的監(jiān)視和觀測，為全球氣候和天氣預(yù)報(bào)提供氣象資料。全球氣象衛(wèi)星布局氣象衛(wèi)星軌道布局五、氣象遙感儀器 氣象衛(wèi)星通常由氣象觀測專用系統(tǒng)和保障系統(tǒng)兩部分組成。氣象觀測專用系統(tǒng)中的主要設(shè)備是氣象遙感儀器。常用的氣象遙感儀器有3種：多通道高分辨率掃描輻射計(jì)。它可以獲得可見光與紅外云圖。極軌氣象衛(wèi)星的可見光與紅外云圖的星下點(diǎn)分辨率都在1千米左右；地球同步軌道氣象衛(wèi)星的可見光云圖的星下點(diǎn)分辨率為0.92.5千米，紅外云圖的星下點(diǎn)分辨率為5l2千米。高分辨率紅外分光計(jì)。它可以獲得大氣垂直溫度分布和水汽分布。微波輻射計(jì)。它配合高分辨率紅外分光計(jì)工作，可以獲得云層以下的大氣溫度垂直分布和云中的含水量。氣象觀測專用系統(tǒng)中還包括星載磁記錄器和數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備。軍用氣象衛(wèi)星可以將全球范圍內(nèi)有關(guān)地區(qū)的氣象資料記錄在星載磁記錄器上，在衛(wèi)星經(jīng)過預(yù)定的地面接收站時(shí)，將星載磁記錄器記錄的氣象資料高速發(fā)回地