卫星气象学第二章气象卫星发展概况
卫星气象学讲义 第二章 卫星的运动和气象卫星
云图、云迹风、高垂直分辨率T、 P、Q廓线、云参数、OLR、SST、地表 特征、闪电分布
METEOSAT
MSG
主
自旋、3通道可见、
要
红外成像仪
自旋、12通道可 见红外成像仪
功 能
云图、云迹风、OLR、 SST、云参数
云图、云迹风、OLR、SST 云参数、地表特征
GOES 卫星
METEOSAT 卫星
第二章 卫星的运动和气象卫星
第一节 卫星的运动规律
一、卫星的运动方程
设想：① 地球、均质、理想球体，质心就是地心； ② 卫星—地球的距离≫卫星本身的大小，质点； ③ 卫星质量/地球质量，忽略卫星的质量； ➃ 忽略其它天体。
取地心为原点，地心指卫星近地点为极轴方向的平面极座 标系，根据引力定律可得到卫星在空间运动的方程组
面间的（升段）夹角。
升交点赤径（）：卫星由南半球飞
春分点 方向
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。升交点的位置用赤径表示。
偏心率（e）； 轨道半长轴（a）；
N’
D
r
A
B
倾角
F
轨道平面
NOAA-K 卫星
极轨业务气象卫星（续1）
发射国家
现状
未来发 展
中国
主 要 功 能
FY-1C、D
FY-3
10 通 道 可 见 光 、 红 外 扫 描 辐 射仪
可见红外线成像仪、高分辨 率红外分光计、微波成像仪、 微波辐射仪、、紫外臭氧探 测器、中分辨率成像光谱辐 射仪
气象卫星发展回顾与展望
气象卫星发展回顾与展望气象卫星发展回顾与展望一、引言气象卫星作为现代气象观测的重要手段，经历了数十年的发展历程，在气象预报、灾害监测等方面发挥着重要作用。
本文将回顾气象卫星的发展历程，并展望未来的发展趋势。
二、气象卫星的发展历程1. 初期发展20世纪60年代，随着人类进入太空时代，气象卫星开始被应用于气象观测。
最早的气象卫星是TIROS-1，于1960年由美国发射成功。
这标志着人类首次通过卫星获取大范围的气象数据。
随后，法国、苏联等国也相继发射了自己的气象卫星。
2. 技术进步从1970年代到2000年代，气象卫星的技术得到了快速发展。
卫星传感器的分辨率不断提高，可以获取到更精细的气象数据。
同时，卫星平台的稳定性和寿命也有了显著提高，使得观测数据的准确性和可靠性大幅提升。
3. 数据共享与国际合作为了更好地利用气象卫星数据，国际上建立了各种合作机制和数据共享机制。
例如，美国、日本、欧洲等地的气象卫星数据可以通过WMO（世界气象组织）进行共享，以供全球气象预报机构使用。
这种国际合作极大地促进了气象卫星的应用和发展。
4. 多元化应用随着气象卫星技术的不断发展，其应用范围也越来越广泛。
除了传统的天气预报，气象卫星还可以用于海洋监测、农业灾害监测、城市气候分析等领域。
它为各行各业提供了重要的气象信息，对人类社会的发展产生了深远影响。
三、气象卫星发展的挑战1. 技术难题尽管气象卫星已取得了巨大的成功，但仍存在一些技术难题需要解决。
传感器的灵敏度、分辨率等方面仍有提高空间；卫星平台的稳定性和寿命也需要进一步改进。
只有不断推动技术进步，才能更好地满足人们对气象观测的需求。
2. 成本问题气象卫星的发射、运行等成本巨大，这对于发展中国家而言是一个严重的挑战。
如何降低气象卫星的成本，使其更加普及和可负担，是一个亟需解决的问题。
3. 数据处理和模型建立随着气象卫星数据的不断增加，如何高效地进行数据处理和模型建立也成为一个难题。
气象卫星技术
气象卫星技术随着科技的不断进步，气象卫星技术在现代气象学中扮演着非常重要的角色。
气象卫星技术通过利用卫星对地球大气进行观测，提供了海量且准确的气象数据，并为气象预报、灾害预警等工作提供了可靠的支持。
本文将对气象卫星技术的原理、应用和发展前景进行探讨。
一、气象卫星技术的原理气象卫星技术基于遥感原理，通过搭载在卫星上的各类传感器对地球大气进行观测。
传感器可以探测可见光、红外线、微波等不同波段的辐射，将这些辐射信号转换为图像或数据传回地面。
这些传回的数据可以提供有关地球大气的温度、湿度、气压、云量、云高、降水等信息。
卫星传感器通过扫描或成像方法对地球大气进行遥感观测，其原理可以简单概括为以下几个步骤：1. 接收辐射：卫星传感器接收来自地球表面和大气的辐射信号。
2. 辐射传输：辐射信号在大气中传输，被大气吸收、散射或反射。
3. 接收卫星信号：卫星传感器接收经过大气传输后的信号。
4. 数据处理：通过算法对接收到的信号进行处理，提取有用的气象信息。
5. 数据传输：将处理后的数据传回地面，供气象预报和科学研究使用。
二、气象卫星技术的应用气象卫星技术的应用范围非常广泛，主要体现在以下几个方面：1. 气象预报：气象卫星技术提供了海量的气象数据，可以用于分析和预测天气变化趋势。
通过对云量、降水、温度等数据的监测和分析，气象预报机构可以预测出未来数小时、数天甚至数周的天气情况，为社会各界提供准确的天气预报服务。
2. 灾害监测：气象卫星技术可用于监测台风、暴雨、干旱等气象灾害。
卫星传感器可以及时探测到这些灾害的形成和发展过程，为防灾减灾工作提供重要的信息支持。
同时，卫星图像还可以用于灾区的实时监测和评估，帮助相关部门做出及时合理的应对措施。
3. 气候研究：气象卫星技术对于研究地球气候变化具有重要意义。
通过长期观测和监测，科学家们可以获得大范围、连续的气象数据，并分析、验证气候变化模型。
这些数据和模型有助于了解气候系统的演变规律和影响因素，为制定应对气候变化的政策和措施提供科学依据。
遥感-气象卫星.概要
2、美国“泰罗斯”号气象卫星系列：
美国发射的世界第一个试验气象卫星系列， 1960～1965年共发射10颗，除最后两颗为 太阳同步轨道外，其余的轨道倾角为48° 和58°。为红外观测卫星。呈十八面柱体， 质量是122～138千克，采用自旋稳定，星 上的主要遥感设备是电视摄象机，
3、“艾萨”号卫星：
美国第一代太阳同步轨道气象业务应用 卫星。1966～1969年间先后发射了9颗, 轨道倾角约102 °，轨道高度约1400公 里，云图的星下点分辨率为4公里。
4、“泰罗斯N/诺阿”卫星系列：
这个系列的第一颗卫星在1978年10月13日发射，第二颗卫星和第三颗卫星分别于1979 年和1980年发射。共计划发射8颗卫星，每年一颗，使用到1985年左右。卫星长3.7米， 直径1.9米，发射重量约1400千克，太阳电池阵在最小光照下可提供420瓦功率，采用 太阳同步轨道，倾角99°，高度约850千米，形状近似圆形，周期102分钟。由两颗卫 星同时观测，彼此相隔90°。 卫星携带的气象观测仪器主要有：改进型甚高分辨率扫描辐射计（ AVHRR）和泰罗斯 业务垂直探测器（TOVS）。改进型甚高分辨率扫描辐射计有5个波段通道 。它拍摄的 云图等数据可以实时用137兆赫和1700兆赫两个频段传向地面；泰罗斯业务垂直探测器 由高分辨率红外分光计、微波探测计、平流层探测计3种气象遥感仪器组成 ，它们的星 下点分辨率分别为17、109和147千米。
5、“静止气象卫星”(GMS) ：
日本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。
气象发展历程
气象发展历程气象学作为一门研究天气现象的学科，其发展历程可以追溯到人类文明的早期。
在古代，人们通过观察自然现象，如云彩、风向和气温等来判断天气变化，并在农业和航海中发挥作用。
然而，真正的气象学始于17世纪。
17世纪初，人们开始建立气象观测台，记录天气现象，以便研究和推测天气的变化规律。
1654年，法国人Evangelista Torricelli发明了气压计，并且研究了气压与天气之间的关系。
这是气象学史上的重要里程碑，为后来的气象学发展奠定了基础。
18世纪，气象学取得了重大的进展。
德国科学家Daniel Gabriel Fahrenheit发明了温度计，建立了摄氏温标。
他的研究使气象学能够更准确地测量和记录温度变化。
此外，法国天文学家Pierre-Simon Laplace提出了动力学理论，并将其应用于气象学中，解释了气压和风速之间的关系。
19世纪，气象学取得了更大的进步。
1842年，美国科学家Samuel Morse建立了第一个全国性的天气观测网络，使天气数据能够在更大范围内进行收集和分析。
此外，瑞士物理学家和气象学家Auguste Piccard发明了探空气球，并利用其升空到大气中进行观测和研究。
他的工作为气象学提供了更准确的数据和更深入的了解。
20世纪初，气象学发展迅速。
1904年，挪威物理学家Vilhelm Bjerknes提出了动力气象学的理论，奠定了现代天气预报的理论基础。
随后，雷达和气象卫星的发明和应用进一步改变了气象观测和预报的技术水平。
此外，计算机的发明和发展使得气象数据的处理和模拟成为可能。
近年来，气象学的发展取得了显著的成果。
通过高精度的观测设备和先进的计算模型，气象学家能够更准确地预测和解释天气现象。
此外，气候变化的研究也成为了气象学的一个重要领域，对全球气候变化进行模拟和预测，提供了重要的科学依据。
总的来说，气象学的发展历程可以看作是人类不断认识和探索自然界的过程。
从最早的观察和记录，到现代的高科技观测和预测，气象学为人们提供了更准确的天气信息和更全面的气候知识，对于人类的生产生活以及环境保护都起到了重要的作用。
气象卫星
气象卫星是对地球及其大气层进行气象观测的人造地球卫星，具有范围大、及时迅速、连续完整的特点，并能把云图等气象信息发给地面用户。
气象卫星的本领来自于它携带的气象遥感器。
这种遥感器能够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。
地面接收站再把电信号复原绘出各种云层、地表和洋面图片，进一步处理后就可以发现天气变化的趋势。
气象卫星的轨道大致有两种，一种是太阳同步轨道，一种是地球静止轨道。
按照前一种轨道运行，卫星每天对地球表面巡视两遍，其优点是可以获得全球气象资料，缺点是对某一地区每天只能观测两次。
若运行于地球静止轨道，则可以对地球近1/5的地区连续进行气象观测，实时将资料送回地面，用四颗卫星均匀地布置在赤道上空，就能对全球中、低纬度地区气象状况进行连续监测；它的缺点是对纬度大于55度地区的气象观测能力差。
这两种卫星如果同时在天上工作，就可以优势互补。
气象卫星：从太空对地球及其大气层进行气象观测的人造地球卫星。
卫星气象观测系统的空间部分。
卫星所载各种气象遥感器，接收和测量地球及其大气层的可见光、红外和微波辐射，并将其转换成电信号传送给地面站。
地面站将卫星传来的电信号复原，绘制成各种云层、地表和海面图片，再经进一步处理和计算，得出各种气象资料。
气象卫星按轨道的不同分为太阳轨道（极轨道）气象卫星和地球静止轨道气象卫星；按是否用于军事目的分为军用气象卫星和民用气象卫星。
气象卫星观测范围广，观测次数多，观测时效快，观测数据质量高，不受自然条件和地域条件限制，它所提供的气象信息已广泛应用于日常气象业务、环境监测、防灾减灾、大气科学、海洋学和水文学的研究。
气象卫星也是世界上应用最广的卫星之一，美国、前苏联/俄罗斯、法国和中国等众多国家都发射了气象卫星。
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，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，消灭了全球4/5地方的气象观测空白区，使人们能准确地获得连续的、全球范围内的大气运动规律，做出精确的气象预报，大大减少灾害性损失。
气象卫星发展的历史,现状及趋势
气象卫星发展的历史,现状及趋势
气象卫星是指专门用于观测地球大气、地表和海洋的卫星。
早在1960年代，气象卫星就已经开始发展。
随着技术的进步和需求的增加，气象卫星的规模和数量也在不断增加。
历史上，气象卫星的发展经历了三个阶段。
第一阶段是手动控制
和定时观测的阶段，这种卫星主要用于采集图片和简单的数据。
第二
阶段是数字化控制和自动化观测的阶段，这种卫星可以实现多光谱、
高精度、高分辨率的遥感观测。
第三阶段则是多元化和多功能化的阶段，这种卫星可以实现多尺度、多分辨率、全天候、全光谱的综合观测。
目前，气象卫星已经成为了重要的气象观测手段之一。
它可以有
效地观测气象灾害、天气变化、冰雪积雨、海洋环境、农业生产等重
要气象信息，为全球气象预报和气候变化研究提供了丰富的数据和信息。
同时，气象卫星还广泛应用于航空、军事、交通、电力、通信、
测绘等领域，为人们日常生活和生产带来了巨大的便利和经济效益。
未来，气象卫星的发展趋势将继续向多学科、多波段、大数据、
智能化等方向发展。
随着技术的进步和需求的增加，人们对气象卫星
的精度、分辨率、覆盖范围和观测能力都有不断提高的要求。
因此，
气象卫星将继续发挥着重要的作用，为人类的生产和生活创造更美好
的未来。
气象学中的气象卫星应用
气象学中的气象卫星应用随着现代科技的快速发展，气象学的发展也越趋完善。
近年来，气象卫星的发射和使用日益广泛，成为气象预报的重要工具之一。
本文将讨论气象学中的气象卫星应用，包括气象卫星的分类、定位原理、应用场景，以及未来的发展趋势。
一、气象卫星的分类气象卫星按照使用目的的不同，可以分为实时监测卫星和气象预报卫星两种类型。
实时监测卫星主要用于气象灾害的监测和预警，具有实时高分辨率的观测能力。
其主要用途包括对风暴、洪水、地震、火灾等自然灾害进行监测和预警。
实时监测卫星还可以用于监测城市建设和交通情况，例如监测城市的交通拥堵情况以及城市绿化覆盖率。
气象预报卫星主要用于气象预报和气象科学研究，其观测周期比实时监测卫星长，观测分辨率也相对较低。
气象预报卫星可以提供气象数据，如云层高度、气温、湿度等，帮助专业人士进行气象预测。
这些数据可用于气候变化研究、预测天气状况、预测气象灾害等方面。
二、气象卫星的定位原理气象卫星可以分为静止卫星和低轨卫星两类。
不同类型的卫星使用的定位原理也不同。
静止卫星是气象亚洲区域域网的主要卫星，其高度约在35,800公里处。
静止卫星利用CERES和CERES-TK等技术对太阳光谱进行观测和分析，获取太阳辐射等数据，并实现了极地-极光圈全域数据的获取。
低轨卫星是气象卫星中的另一大类，主要用于天气预测和探测气体浓度变化。
它的高度通常在600-2000公里之间。
低轨卫星更适合对小尺度和强透射性的目标进行观测。
低轨卫星的定位原理是利用卫星探测器和观测器之间的距离变化来确定其所处位置。
三、气象卫星的应用场景气象卫星在气象学中发挥了重要作用。
其应用范围包括：1. 自然灾害监测和预警：卫星可以实时对自然灾害进行监测和预警，如风暴、洪水、地震、火灾等。
2. 气象预测：利用卫星数据可以对天气情况进行科学预测，为人们的工作和生活提供便利。
3. 环境监测：卫星可以监测大气、海洋、陆地等环境要素，对环境变化进行研究和监测。
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自1960年4月1日美国第一颗试验气象卫星TIROS-1（泰 罗斯-1）号发射成功以来，世界上先后有美、苏、日、中、 印、法国和欧洲空间组织等多个国家和地区发射了气象卫 星，世界各国发射的气象卫星已有130多颗。卫星种类从 60年代初单一的近极地轨道卫星系列，发展到今天的近极 地轨道和地球静止轨道两类气象卫星轨道系列。星载探测 仪器从早期的照相机发展到现在的多光谱高精度扫描辐射 仪。观测内容也从早期在白天能获取低分辨率单光谱云图 的观测发展到目前昼夜都能准确地提供大气不同高度的温、 湿、风、云资料，大气现象的观测资料。气象卫星探测技 术有了显著的提高和改进，气象卫星探测已经成为大气科 学之中不可缺少的有用的现代化探测工具。
TOS/ESSA（托斯/艾萨）业务卫星系列 （1966年2月3日——1969年2月26）,是泰罗 斯业务卫星的简称,。
在第一代实验卫星取得成功后，开始业务 气象卫星历程。卫星发射入轨后，取名为艾 萨卫星，环境监测的意思。共发射9颗。奇 数号卫星装有高级光导摄象机。卫星观测资 料储存在卫星上的磁带上，发送到专门的资 料指令站。偶数号卫星装有APT，实时向地 面发送资料。我国最早接收的卫星资料就是 该类卫星ESSA-8卫星观测发送的云图资料。
近极地轨道气象卫星的未来： 新一代NOAAK——M系列的第一颗将于1998
年4月升空（表1）
星上装有两台20通道的微波探测装置MSU）。
取代现在星上的平流层探测器（SSU）和微波探测 器（MSU）。其中AMSU-A用于大气探测，AMSU-B用 于水汽探测。有了这些微波仪器，即使在有些地 区被云覆盖，也同样可以得到全球范围的资料。卫 星上的AVHRR新增加了一个1.6微米的光谱通道，便 于对于大气气溶胶的监测。另外，卫星的ARGOS （全球自动观测中继系统），资料与定位系统也有 所改进，提高了资料收集速率。这个卫星系列之后， 还将发射NOAAN和N卫星，与欧洲发射的METOP联合 构成极轨气象卫星计划（见欧洲卫星介绍）。该系 统卫星将一直延续到2005——2010年。
ITOS/NOAA（艾托斯/诺阿）业务卫星系列（1970 年12月11日——1979年6月27日），意为改进的泰罗 斯业务卫星。从第二颗卫星起改 名为诺阿卫星，共发射6颗。
与第一代业务卫星比较有相当大的改进：。主要 有：（1）以扫描辐射仪取代光导摄象机，能昼夜获 取云图，提高了观测能力。
（2）增加了甚高分辨率辐射计，提高了观测分 辨率，星下点分辨率达0.85KM。
（3）首先使用大气温度垂直廓线仪，获取大气 温度垂直廓线。
（4）卫星姿态改为三轴定向稳定，仪器能连续 对地面观测。
（5）采用太阳电池，提供充分N（TIROS-N）卫星（1978年10月13日——1998年4月）， 1978年10月13日发射成功。是一颗实验业务卫星，即卫星发射成功，观 测仪器工作正常，就转为业务使用。这颗卫星发射成功，也标志着第三 代近极地轨道业务卫星系列的开始。从IROS-N之后，这一系列共发射8 颗卫星。
第二代实验和业务卫星系列：
雨云（NIMBUS）卫星系列（1964年8月28日— —1978年10月24日）。顾名思义，探测云、雨的 气象卫星。雨云卫星是一种较复杂的实验卫星系 列，共发射7颗。
它的任务是发展、试验各种新的先进的探测仪 器，资料传输和处理技术。
在雨云卫星上，先后曾对30多种遥感仪器进行 了实验研究，其中高级光导摄象机，高分辨率扫 描辐射仪，垂直温度探测仪，微波探测器以及数 据收集，数据中转设备等都在雨云卫星上进行了 实验，然后转到业务卫星上正式使用。此外，雨 云卫星的观测还对业务气象卫星资料起补充作用。
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。
1.1 近极地轨道气象卫星的发展
在世界上，发射过近极地轨道气象卫星的国家
有美国、苏联和中国。世界上第一颗气象卫星是 由美国最先发射的泰罗斯号，是一颗实验性的近 极地轨道的气象卫星。至今美国共发射了50多颗 近极地轨道的气象卫星。世界气象组织全球大气 观测计划中的两颗近极地轨道气象卫星在空中运 行观测，及时向世界各地提供观测资料。美国也 是最先把空间遥感技术应用于大气科学的国家。 在气象卫星发展的30多年历程中，美国无论在发 射数量，卫星遥感技术的开发、还是气象卫星资 料的应用方面均处于领先的地位。因而，这里首 先简要介绍美国近极地轨道气象卫星的发展概 况。。
摄取了几万张云图，试验成功，为第一代业务气象卫星奠定了 良好的基础。
第一代实验气象卫星存在的问题是： （1）卫星姿态不合适，卫星探测仪器只能在很短时间对地 面照相，大部分时间朝向空间。 （2）卫星相对于太阳的位置经常变化，没有良好的照明。 （3）卫星只限于对中低纬的观测，对极地观测不到。这些 问题为第一代业务气象卫星的研制制提出了具体的改进意见。
1.1.1 美国发射的近极地轨道气象卫星
美国发射近极地轨道气象卫星的目的：
（1）系统地、定时地对全球大气进行 昼夜监测，获取大气温度、水汽、风、云 分布等观测资料。
（2）收集并转发漂浮站、船泊站、自 动气象站、飞机和气球等观测平台资料。
（3）提供业务使用的卫星资料产品， 发展卫星资料的应用技术。
美国近极地轨道气象卫星大体上经历了 三代实验和三代业务应用的发展过程。
第一代实验和业务卫星系列：
泰罗斯实验卫星系列（1960年4月1日——1965年7月2日）
是电视和红外卫星的简称，共发射10颗。 发射目的:对卫星携带各种气象观测仪器进行试验，为建
立气象业务卫星观测系列作准备。 卫星携带的观测仪器:光导管电视摄象机和中、低分辨率红
外辐射仪等。 摄取白天云图，温湿分布和热平衡。这一系列卫星成功地
其功能比第二代业务卫星有相当大的提高。表现在： （1）增加观测次数，这一代卫星同时有两颗星在空中运行，一颗在 上午8时左右，一颗在下午15时左右，分别通过降交点和升交点，地球 上任一接收站,每日可收4次观测资料。 （2）增加了观测光谱通道，如云图观测就有5个光谱通道。 （3）加强了资料在星上的处理能力，消除了云图资料的边缘畸变。 （4）高分辨率云图采用数字传输，提高了传输速率。 （5）扩大了资料观测内容，提供给更多用户使用。 （6）卫星具有数据收集系统，能收集自动气象站等各种观测平台发 出的资料。