【学习课件】第3章气象卫星遥感大气的基本原理(1)

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

第三章大气气体吸收兰州大学大气科学学院专业必修课大气辐射与遥感第三章大气气体吸收31地球大气的成分和结构311热力结构312化学成分32分子吸收发射谱的形成321转动跃迁322振动跃迁323电子跃迁324谱线形状325连续吸收326热力学平衡的崩溃33大气吸收331紫外吸收332光化学过程和臭氧层的形成333可见光区和近红外区的吸收31地球大气的成分和结构地球大气的演化原始大气以宇宙中最丰富的轻物质为主由于地球和大气的温度非常高使得原始大气摆脱地球引力逃逸进入太空
恒定成分 变化成分
在中纬度条件下一 些气体成分混合比 的典型垂直廓线
§ 3.2 分子吸收/发射谱的形成
分子的吸收光谱
假设分子有三个能级态
所有允许的跃迁
分子吸收线在光谱中的位置
分子存储能量的各种方式
平动能量(translational energy)：任一运动粒子，由于他在空 间中的运动都应具有动能，这叫平动能量，单个分子在x, y, z 方向上的平均平动动能等于KT/2，K为玻耳兹曼常数，T是绝 对温度。 转动能量(rotational energy) ：一个由原子构成的分子，能够 围绕通过分子中心的轴而旋转或绕转，于是具有转动能量。
§ 3.2.2振动跃迁
对于一个分子中的两个原子之间的共价键，是由静电 引力和斥力相互平衡而形成的。分子中原子的位置取决于引 力和斥力相平衡的点的位置。分子键类似一个弹簧！
振动能量量子化
振动-转动光谱
• 振动跃迁发射和吸收的能量要比转动跃迁大很多。因此， 振动跃迁相应的吸收/发射线的波长较短（红外、近红 外），而纯的转动跃迁的光谱通常在远红外和微波波段。
§ 3.2.1转动跃迁
平动 转动
平动与转动的区别
1. 平动运动不是量子化的，分子 可以以任意一个速度运动。而 对于分子量级的转动运动，可 以用量子理论量子化，不连续 的能量态、角动量态会导致转 动跃迁，从而造成相应的吸收 和发射线。 2. 任何物体都有唯一的一个质量， 而有三个主转动惯量：I1，I2， I3。这三个主转动惯量对应于 转动的三个垂直坐标，总体的 转动方向有物体的质量分布来 决定。

射率φλ
I(λ，T)＝ φλ B(λ，T)
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其中，I(λ，T)是普朗克函数，由下式表示:
B(λ,T)=C1/λ5[exp(C2/λT)–1] 其中C1和C2是常数。C2=C1h/k,h是普朗克常数，k玻尔兹曼常数， 发射性质与特定波长有关，并随表面温度的变化而变化。在许多遥 感观测中用8至14μm谱段，发射率一般可考虑为常数(即绝大部分 物质可作为灰体)。象雪和植被这样的物质，它们的发射和吸收明 显与波长有关。
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波长(m) 6000K(近似太阳)和288K(近似地球)的黑体发射辐射光谱
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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。
热辐射或温度辐射，这是由于它的产生和大小与温度有关。
(6)微波：这是比红外线波长还要长的电磁波，波长从1毫米到
30厘米，大于30厘米为无线电波。
在气象卫星遥感测量中，主要采用可见光，红外和微波波段，
电磁波谱的各分谱段的划分常没有严格界线，在两谱段之间的边界
是渐变的，可根据使用目的而分，例如把0.38~3.0微米称为反射波
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3.斯蒂芬—波尔兹曼(Stefan—Boltzmann)定律 1879年斯蒂芬由实验发现，物体的发射能力是随温度、波长
而改变的。由下图可见，随着温度的升高，黑体对各波长的发射 能力都相应地增强。因而物体发射的总能量(即曲线与横坐标之间 包围的面积)也会显著增大。据研究，绝对黑体的积分辐射能力与 其绝对温度的四次方成正比。1884年波尔兹曼用热力学理论证明 了这一点。在全部波长范围内对普朗克公式进行积分就可以得到 斯蒂芬—波尔兹曼公式。

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；

方式和手段
❖ 60年代以后，随着红外、微波、激光、声学和电子 计算机等新技术蓬勃开展，对大气信号的认识普及 紫外、可见光、红外、微波、声波、无线电波等波 段，形成了光学大气遥感、激光大气遥感、红外大 气遥感、微波大气遥感、声波大气遥感等各个分支。
❖ 大气遥感被广泛应用于气象卫星、空间实验室、飞 机和地面气象观测，成为气象观测中具有广阔开展 前景的重要领域。
辐射产生的原因
❖ 光辐射 ❖ 依靠入射光补充能量而导致的辐射〔如夜光等〕 ❖ 电辐射 ❖ 依靠放电补充能量而导致的辐射〔如日光灯等〕 ❖ 化学辐射 ❖ 依靠化学反响补充能量而导致的发光 ❖ 热辐射 ❖ 物体因吸收外界的热量或减少本身的内能而产生
的辐射，也称为温度辐射
❖ 在物理学中，直接把辐射作为电磁波 ❖ 每份能量的辐射称为光子。每个光子的能量
❖ 近年来人类活动造成的地球大气气候变迁成为大气 科学研究热点，其原因也在于人类活动所排放的某 些物质会改变地球大气中的辐射过程所致。
简史—现代大气辐射学的理论根底
基尔霍夫 Gustav Robert Kirchhoff (1824-1887)
德国物理学家 1859：Kirchhoff’s Law 基尔霍夫定律：
1871：Rayleigh Scattering
瑞利散射：
尺度远小于入射光波长 的粒子所产生的散射现象。 分子散射强度与入射光的波 长四次方成反比, 且各方向的 散射光强度是不一样的。
简史—现代大气辐射学的理论根底
Gustav Mie (1868-1957) 德国物理学家 1908：Mie theory 米散射理论
❖ 利用上述研制的实验设备，建立从大气信号 物理特征中提取大气信息的理论和方法，即 反演理论，是大气遥感研究的根本任务。

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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 大气中水汽总量、 湿度分布、降水区 和降水量的分布
空间环境状况的监 测
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气象卫星的发展 Development
这个部分介绍世界气象卫星的发展史，主要将分为三个阶段对世界气象 卫星发展历程进行介绍。
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短周期重复观测
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资料来源连续、实时性强
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轨道（高轨低轨）
低轨就是近极低太阳同步轨道，简称 极地轨道，轨道高度在800-1600km，南北 绕地球运转，对南北宽约2800km的带状 地域进行观察。
高轨是指地球同步轨道，轨道高度在 36000km左右，绕地球一周需要24小时， 卫星公转角速度与地球自转角速度相同， 相对于地球似乎固定与高空某一点，故 称地球同步卫星或静止气象卫星。3-4颗 卫星形成空间监测网，对全球中低纬进 行监测。
资料。
静止气象卫星
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气象卫星工作分区
遥感器
接收和测量地球及 其大气的可见光、 红外与微波辐射， 并将它们转换成电 信号传送到地面
地面接收站
把电信号复原绘 出各种云层、地 表和洋面图片
分析中心
发现天气变 化的趋势
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卫星云图的拍摄
陆地表面状况的 观测
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 以及地气体系向 太空的红外辐射
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风云1号气象卫星
2007年5月，风云气象卫星未发现 鄂伦春旗火场有明显火点。（对 火情进行观测）

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。
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§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
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波长(m) 6000K(近似太阳)和288K(近似地球)的黑体发射辐射光谱
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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

② 圆锥扫描微波成像探测器(CMIS),可以对陆表和海表环境进行全 天候观测,并兼有微波成像和探测功能,探测数据包括大气温湿度廓线、 云、液态水和海面风速；
③ 横跨轨道扫描红外探测器(CfiS),有1000个红外通道,用于探测大 气的温度和湿度垂直廓线,温度探测精度≤1开,相对湿度探测精度≤10%；
风云气象卫星MVISR探测器的通道序号及主要用途
风云三号卫星的主要任务是：提供全球的温、湿、 云、辐射等参数，实现中期数据预报；监测大范围的自 然灾害和生态环境；探测地球物理参数，研究全球气候 变化与环境变化的规律；为航空、航海等提供全球及地 区的气象信息等。
风云三号卫星与美国、欧洲新一代的极轨气象卫星 一起成为国际上最重要的三大极轨气象卫星，已纳入世 界气象组织业务气象卫星系统，将在国际对地观测体系 占有重要的、不可缺少的地位，成为全球对地观测系统 的重要数据源。
第六阶段：2010年左右后，再更新，进入NOAAO-Q 系列，将分别於2008年，2010年，2013年，2015年发射。
在NOAAO-Q 系列上的新仪器先放在NASA极轨平台上试验， 如果没问题，再移植到NOAA卫星上来。
预计在这一卫星系列上的仪器：功能更强的AVHRR和HIRS， 探测高层大气的AMSU，太阳后向散射紫外辐射仪SBUVR，臭氧 总量绘图光谱仪（TOMS）等。NOAAO-Q系列卫星将可安装有 1000多个通道的红外大气探测器（AIRS）。
第二阶段：从1970到1978年，以美国ITOS卫 星为代表，13颗。
红外波段的图像使人们可以昼夜观测地球大 气，气象卫星的观测做到了全天候，出现了用于 大气温度垂直廓线观测的探测仪。
气象卫星观测数据从空间向地面模拟传递。 由于数据传递过程中夹带了噪音；气象卫星观测 数据的定量处理和应用尚不能做到，卫星观测资 料的应用方法主要还是云图的定性判读。

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风云2号气象卫星
2010年1月风云二号卫星气象卫星 云图。
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风云三号卫星
风云三号气象卫星是为了满足中国天气预报、气候 预测和环境监测等方面的迫切需求建设的第二代极 轨气象卫星，由三颗卫星组成（FY-3A卫星、FY-3B 卫星、FY-3C卫星），1994年“风云三号”列入航 天技术“九五”规划，风云三号气象卫星2000年11 月国务院正式批准立项。 风云三号气象卫星的目 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。
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风云3号气象卫星
2011年10月，FY-3A/MERSI水情监 测多通道合成图。
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气象卫星特点 Characteristic
这一部分介绍气象卫星在运行轨道、用途、成像等方面上对其进行介绍。
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气象卫星的特点
轨道（低轨和高轨）
成像面积大
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气象卫星发展史
20世纪60年代 第一代气象卫星
1970-1977 第二代气象卫星
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1978至今 第三代气象卫星
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第一代气象卫星
（1）泰诺斯，电视和红外辐射卫星。 1960-1965年共收射了10颗。均为级轨卫 星。 （2）艾萨，即环境科学服务业务卫星。 （3）云雨实验气象卫星。专用于进行新 的观测仪器的实验，以及对船舶，浮标站 等气象观测资料的收集方式进行实验。 （4）艾托斯，即应用技术实验卫星，是 静止卫星。
短周期重复观测
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资料来源连续、实时性强
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轨道（高轨低轨）