第1-2章气象卫星遥感原理资料

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1、气象卫星资料在天气分析和预报中的应用,南京信息工程大学大气物理学院,肖稳安,Tel：13605180353 E-mail：xiaowenan,2013.8.28.,第一章 气象卫星探测概述,大气物理学院 肖稳安 Tel：13605180353 E-mail：xiaowenan,第一节 气象卫星遥感的意义和内容 背景：二十世纪4050年代，科技发展的两大 突出进展： 1946年现代电子计算机技术研制成功，大 大地缩短了科学进程。 空间科学的迅速发展，出现了人造卫星， 人类向宇宙空间进军，并广泛应用于天文、气象 、地质、海洋、农业、军事和通信等领域。,气象卫星 1960年4月1日，TIROS卫星升

2、空，开创了人造卫星应用于气象的新纪元。 气象卫星:在宇宙空间、固定的轨道上，携带着各种气象探测仪器，测量诸如温度、湿度、风、云、和辐射等气象要素和雷电等天气现象，用于气象观测目的的人造星体。 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：

3、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。, 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 遥感探测 使用新的探测技术 丰富的观测资料 受益面广,极轨卫星观测,静止卫星观测,第二节 气象卫星遥感观测的特点,第三节 卫星遥感观测资料的作用, 在大气科学中的应用 农业遥感中的应用 林业遥感中的应用 海洋遥感中的应用 军事气象中的应用 航空气象中的应用 空间环境监测中的应用 通信中的应用, 增加了气象观测资料的内容 填补了洋面和荒漠地区的观测资料 实现了连续监视暴雨洪水和冰雹、龙卷、强风、 雷电等强雷暴天气，使临近预报成为可能

4、 监视海洋上的天气系统，改进了洋面天气预报 改善高原天气分析和预报 加深了对天气系统的理解 改进了长期天气预报 收集和转发各种气象资料,气象卫星资料在大气科学中的应用,第四节 气象卫星探测的要求和分类 一.气象卫星探测的要求 1、环绕地球运行（圆或椭圆） 2、在轨运行时间长（寿命长） 3、可进行多种观测 4、观测资料精度高 5、观测连续 6、便于观测资料处理,二.近极地太阳同步卫星轨道,1、什么是近极地太阳同步卫星轨道,图 太阳同步轨道,2、近极地太阳同步卫星轨道的实现,（1）卫星轨道平面随地球绕太阳公转时的平动运动 一年使卫星卫星轨道平面发生360的转动，平均每天变化为： 360/365天=

5、0.985/天 变化方向从东向西,图2-9 卫星轨道平面随地球绕太阳公转时的平动运动,（2）卫星轨道平面进动的利用,10/（1- e2）2 （R/a）3.5 osi=0.985/天 若太阳同步轨道圆形轨道，则a=R+H e=0 cosi=-9.8510-2R/（R+H）3.5 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 作用下的进动去抵消卫星轨道 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。,图2-10 太阳同步轨道,3、太阳同步轨道的优缺点,优点： （1）轨道近似圆形，轨道预告、接收和资料定位方便； （2）有利于资料处理和

6、使用； （3）全球观测； （4）在观测时有合适的照明，可以得到戳充分的太阳能。 缺点： （1）对同一地点观测的时间间隔太长； （2）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不是同一时刻，利用不利。,三.地球同步卫星轨道,1、什么是地球同步卫星轨道,图2-11 地球同步卫星轨道,2、地球同步卫星轨道的实现,卫星运行方向与地球自转方向相同； 轨道倾角i=0，地球赤道平面与卫星轨道平面重合； 轨道偏心率e=0，即轨道是圆形； 卫星运行周 期T=23小时56分04秒。 H=（/42）T21/3-R H= 35860（Km） V= /（R+H）1/2=3.07（千米/秒） 实际卫星轨

7、道不可能是圆，有点椭圆形；倾角也不正好 等于0，常有1的倾角。这种误差会使卫星的星下点在以赤道 为中心的两侧产生“8”字形的摆动。,3、地球同步卫星轨道的有效利用 若在地球同步轨道上每3放置一颗卫星，共可放置120 颗卫星，两相临卫星间的距离为2210.04公里卫星的波束 宽度应小于20.5。,5、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。,四.气象卫星发射概况,第一颗气象卫星：1960年4月1日,泰罗斯（TIROS）气象卫 星

8、发射。 气象卫星的国家：美、苏、日、中、印、法国、欧洲空组 织和韩国等。150多颗。 卫星种类：60年代初，近极地轨道现在，近极地轨道和 地球静止轨道两类。 探测仪器：照相机多光谱高精度扫描辐射仪。 观测内容：白天单光谱云图的观测昼夜都能准确地提供 大气不同高度的温、湿、风、云资料。 气象卫星探测技术有了显著的改进和提高，卫星探测 已经成为大气科学不可缺少的有用的现代化探测工具。,FY-1卫星,我国可接收的近极地轨道气象卫星 （1）FY-1C.D. FY-3（01） （2）NOAA K-N与METOP配对 （3）NPOES 2010年以后美民用、军用合作，命名为“国家极地轨道业务环境卫星系统”

9、（NPOES）。 （4）METEOR （5）EOS （6）TRMM （7）其它卫星,FY-2卫星,我国可接收的地球静止轨道气象卫星 （1）FY-2(02)C.D （2）GMS （3）INSAT,五. 对未来的展望,1、当前对地观测卫星发展的特点 高光谱分辨率1几nm，获取更多的地球、大气信息。 高空间分辨率1几 m，获取更详细的地球大气特性。 高时间分辨率几十秒时间间隔，监测快速的时间演变、多功能、 多探测器的综合对地观测卫星与单一作业任务的小卫星星座相结合。 2、定量遥感 开展遥感资料反演地球物理参数的数学物理模式和算法遥感探测 器定标和地面真实性检验相结合。 3、卫星遥感定量参数与其它探测

10、资料结合使用 多种探测资料的融合问题。 多种探测资料的同化。 4、遥感技术已经成为监测、研究地球科学各分支学科的重要手段 通过努力将成为监测、研究、预测和服务的支柱。,全球气象卫星观测系统,第二章 气象卫星遥感 大气的基本原理,大气物理学院 肖稳安 Tel：13605180353 E-mail：xiaowenan,第一节 气象卫星遥感的基础 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。,一.基本辐射量 辐射能（Q) 辐射通量() 辐射通量密度(F)： 若M为出射度，E为辐照度，F 辐射强度(I)： 若

11、各向同性则 I=/4,辐射率（辐射亮度）(L)：在单位时间内通过垂直面 元法线方向上单位面积、单位立体角的辐射能。 在垂直法线方向： L（n）=3Q/At=2/A=F/ 在S方向： L（s）=3Q（）/At =3Q（）/Atcos,二.辐射基本定律 黑体：指在任何温度、对任意方向和任意波长，其 吸收率（或发射率）都等于1的物体。 a()1 灰体：指其吸收率与波长无关，且为小于1的常数的 物体。 a()=C1 选择性辐射体：指其吸收率随波长而变的物体。 aa() 辐射平衡：指一个物体在某一温度从外界得到的辐射 能量正好等于本身辐射而失去的能量，使物体温度保持不 变的辐射过程。,黑体辐射定律： 普

12、朗克定律（黑体辐射方程）： h是普朗克常数， h =6.626210-27尔格/秒 k是波尔兹曼常数，k=1.3806 10-16尔格/度c是光速 若用c1=2c2h， c2=hc/k，方程可变为,（wcm-2m-1）,利用波长、频率和波数之间的关系，黑体是普朗体，所以分谱辐射率等于M/，因此，可将普朗克辐射公式表示为：,普朗克函数将发射的单色强度与物质的温度和波长（频率）联系起来；黑体的辐射强度先随波长的增加而增大，但到达某一波长后辐射强度却又随波长的增长而减小。,由普朗克定律可看出： 温度越高，黑体的全辐射能力越大； 温度愈高，最大单色（或分谱）辐射能力所对应的波长愈小； 太阳近似于600

13、0k的黑体，最大辐射波长为0.474m，在0.154m的范围，辐射能占太阳全部辐射能量当99%； 地球近似于300k的黑体，最大辐射波长为10m，在380s的范围，辐射能占地球全部辐射能量当99%； 对流层顶近似于200k的黑体，最大辐射波长为14.5m，在4120m的范围，辐射能占对流层顶全部辐射能量当99%。,维恩位移定律和瑞利-琴斯辐射公式 将普朗克函数对波长微分得： maxT=0.2897885(厘米度) 由这一关系式可看出，当黑体的温度升高时，最大辐射朝短波方向移动。由此可测量黑体在某一温度时的最大辐射波长。 斯蒂芬-波尔兹曼定律 把普朗克函数由0的整个波长域上积分，就得到黑体的全辐

14、射本领：,由于黑体辐射是各项同性的，因此黑体发射的通量密度为 F=B（T）=T4 式中是斯蒂芬-波尔兹曼常数，等于5.6710-5尔格cm-2 s-1 k-4。表明黑体发射的通量密度与绝对温度的四次方成正比。它是红外辐射传输的基础。,基尔霍夫定律 前面三条定律涉及黑体发射的辐射强度，辐射强度的大小与发射波长和物体的温度有关。通常，物体吸收和发射之间没有确定的关系。 但在热力平衡条件下，物体可以吸收特定波长的辐射，同时也能发射同样波长的辐射，发射率是温度和波长的函数，即物体发射的辐射就等于吸收的辐射能。否则物体就要被加热或冷却，这就违背了热力平衡的假设。,因而，在热力平衡条件下，若L是入射的分谱

15、辐射率，则发射的辐射率为： J=B（T）= a L 式中 J是物体发射的辐射率； 是物体的比辐射率或发射率（定义为发射强度与普朗克函数之比）； B（T）是黑体普朗克辐射； a是物体的吸收率（定义为吸收强度与普朗克函数之比）； L 是入射到物体的辐射率。 如果辐射源与该物体一起处于热力平衡中，则 B（T）= L,所以有 = a 吸收率为a的物体只吸收a倍的黑体辐射强度B（T），同时它发射出倍的黑体辐射强度。对黑体而言，吸收和发射均为最大，对所有波长有 a=1 灰体的特征是不能全部吸收和发射，有 a=1 不难看出基尔霍夫定律表达了两方面的内容： 1、它将物体的吸收与发射联系起来了，一物体在一定温度下发射某一波长的辐射，则该一物体在同一温度下吸收这种波长的辐射。 2、将各种物体的辐射与黑体辐射联系起来了，一个良好的吸收体，也一定是一个良好的发射体，反之亦然。,三. 辐射体的温度 从黑体辐射定律知道，物体的辐射量都与温度有关。对于一定的温度，就有一定的辐射光谱分布；反过来，对于一定的辐射光谱分布，可以求取物体的温度。但是，实际物体并非都是黑体，在实际应用中，须考虑辐射率的影响，为方便定义几种不同的温度。,有效温度（Te）: 如果温度为T的物体的出射度为M(T) ，又设想M(Te)为