卫星气象学-1.1
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
卫星气象学气象卫星观测系统ppt课件
章节内容
4.1 A-Train卫星编队 4.2 TRMM热带降水卫星 4.3 GOSE静止卫星系列 4.4 NOAA极轨卫星系列
2
4.1 A-Train卫星编队 Aqua卫星
3
AQUA卫星介绍
AQUA卫星携带的仪器有：
★云与地球辐射能量系统测量仪CERE S (Clouds and the Earth's Radiant Ene rgy System)
5个
MODIS、MISR、CERES、 MOPITT、ASTER
S波段 X波段（8212.5MHz)
3,000瓦 5年
AQUA 2002年5月4日 DELTA CLASS 太阳同步，705公里
98.8分钟 下午1：30
16天 2,934公斤 2.68m×2.49m×6.49m
6个
AIRS、AMSU－A、CERES、 MODIS、HSB、AMSR-E
Telescope(望远镜)
直径17.78cm
Size(体积)
1.0m×1.6m×1.0m
Weight(重量)
250kg
Power(功耗)
225 W
Data Rate(数据率)
11 Mbps
Quantization(量化)
12 bits
Spatial Resolution (空间分辨率)
250 m(bands 1-2)、500m (bands 3-7)、
9
MODIS的技术指标
项目
指标
705km，降轨上午10:30过境(Terra)，
Orbit(轨道) 升轨下午1:30过境(Aqua)，太阳同步，
近极地圆轨道
Scan Rate(扫描频率)
风云四号卫星定量降水估计产品的检验评估
作者简介 钟宇璐（1996-），女，四川泸州人，主要从事气象卫星资料研究。 收稿日期 2020-12-15
96
农业灾害研究 2021，11（3）
该像元在本小时内的小时降水量；若只 有 1 个时次的降水量大于 0，则将该降 水量作为小时降水量；若所有时次的产 品数据均为 0，则该像元的小时降水量 为 0。这样处理后得到的“小时平均降水 量”最接近地面小时降水量的定义，即 1 h 内降落到水平面上，假定未经渗漏、 流失、蒸发，累积起来的水层深度。
以地面观测的降水量为基准，将小 时 降 水 量 分 为 4 个 等 级：小 雨 (0.1~2.4 mm)、中 雨 (2.5~7.9 mm)、大 雨 (8~15.9 mm)、暴雨 ( ≥ 16 mm)。分别统计 4 个降 水等级的平均偏差 MB、平均绝对误差 MAE、均方根误差 RMSE，评估降水产 品在每个雨量等级的对降水量值的估计 效果，及其对总体降水量估计的影响。
2018 年 5 月 14 日—2019 年 12 月 31 日的卫星产品和地面资料经时空匹配 后，共匹配上 3 971 个时次，2 167 个站 点，8605 157 个 样 本。图 1 是 以 2018 年 5 月 22 日 4：00 为 例，展 示 时 空 匹 配 的 结果，其中，图 1a 是按地面站点经纬度 显示的地面台站观测的小时降水量， 图 1b 是按卫星行列号换算的经纬度显 示的 AGRI level 2 业务降水估计产品经 上述处理后的“小时平均降水量”。图 1a 中，在西南地区有较集中的降水区域， 图 1b 显示卫星产品对该区域的降水落 区的估计基本正确，但周围有部分空报 区域，且卫星估计的降水量值偏大。图 1a 中，在东部有大片的降水区域，但图 1b 卫星未正确估计出这部分的降水落 区，存在漏报情况。
气象学课件--气团和锋面
锢囚锋
锋的分类示意图（4） 锢囚锋 (a) 冷式 (c) 中性 (b) 暖式
锋的分类示意图（5） 锢囚锋 典型的中纬度波动性气旋中冷式锢囚锋 形成过程的物理图像。
在图的上半部为波动性气旋中锢囚锋形成过程平面图，其下半部为经过平面 图中AB两点，跨越锋面的垂直剖面图。图a表示成熟性波动气旋，此时尚未 形成锢囚锋，冷锋继续向前运动，逐渐赶上暖锋；图 b表示部分锢囚性波动 气旋，此时在气旋的中心附近，出现锢囚锋；图 c表示锢囚性波动气旋，此 时出现比较成熟的锢囚锋。
3.1.3 风场特征
• 由于地面锋位于气压槽中，锋线附近的风场具有气旋性切变，而
地面摩擦作用可使这种气旋性切变更加明显。
• 锋面附近的风场气旋性切变包括风速切变和风向切变。在有些情
况下，风速切变要比风向切变明显，有时风向切变要比风速切变明 显，有些情况下两者都非常明显。 • 由于锋区的水平温度梯度要比其周围的水平温度梯度大，由热成风关系
大气的变量是连续的，而锋面被看成是具有明显梯度的区域，带状锋 模式正适合这种观点。 • 在带状锋模式中，锋面具有一定的水平宽度和垂直厚度，在锋面的
过渡带（锋区中的水平温度梯度要比锋区的两侧大得多，而水平温度 梯度的强烈变化发生在锋区与锋区外侧的冷空气团（或暖气团）边缘 的比较窄的区域里。
锋 面 云
Margules锋面坡度公式
基本假定： 1）锋面两侧冷暖空气的温差较小，即Tw-Tc «T*； 2）锋面是南北方向； 3）不考虑湍流影响，使锋面保持陡的不连续面。
基本公式： 1）地转运动方程 (p25) 2）静力平衡方程 (p25) 3）沿任意等温面的个别变化方程: δT= 0
地转运动
地转风 Geostrophic Wind
卫星气象学知识点汇总
卫星⽓象学知识点汇总10 级⼤⽓基地班⼀、名词解释《卫星⽓象学》习题集 (最终版)1.轨道⾯:根据理论⼒学，卫星在地球引⼒（有⼼⼒）作⽤下的运动为平⾯运动。
该平⾯称为轨道⾯，轨道⾯过地⼼。
2.轨道周期:指卫星绕地球运⾏⼀周的时间。
3.轨道数:指卫星从⼀升交点开始到以后任何⼀个升交点为⽌环绕地球运⾏⼀圈的轨道数⽬。
4.倾⾓:指⾚道平⾯与轨道平⾯间的（升段）夹⾓。
5.截距:连续两次升交点之间的经度差。
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。
7.升交点:轨道的升段与⾚道的交点称升交点。
(极轨卫星才会有升降交点)8.降交点:轨道的降段与⾚道的交点称降交点。
9.轨道摄动:由地球扁率、⼤⽓阻⼒和太阳⽉亮的引⼒等的影响，卫星轨道会偏离轨道平⾯,轨道参数会随时间缓慢变化，与卫星运动三定律得出的轨道总有偏离，这种偏离叫做卫星轨道的摄动。
10.卫星蚀:若太阳、地球和卫星在⼀条直线上时，⼈造卫星进⼊地球的阴影区，就出现卫星蚀。
11.电磁波谱:不同波长的电磁波有不同的物理特性，因此可以⽤波长来区分辐射，并给以不同的名称，称之为电磁波谱。
12.⽴体⾓ : 锥体所拦截的球⾯积σ与半径 r 的平⽅之⽐，单位为球⾯度 (sr:Steradians)， ? = σ。
r 213.辐射通量:辐射功率φ (或 Radiant Flux 辐射通量 W )是单位时间内通过任意表⾯的辐射能量，单位 J / S 。
14.辐射强度 I :点辐射源在某⽅向上单位⽴体⾓内传送的辐射通量。
I =λφ单位 ?ω为W ? sr ?1 ，如果点源是各向同性则 I = φ。
4π 15.辐照度:指投射到⼀表⾯上的辐射通量密度。
16.辐亮度 L(辐射率 ):是指⼀个辐射源在单位时间内通过垂直⾯元法线⽅向 n r 上这单位⾯积、单位⽴体⾓的辐射能，即 L (n r ) =3Q A t ω ?2φ = ?A ?ω = ?F ，单位为 ?ωW ? m -2 ? sr -1 .17.亮度温度(Tb):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。
南京信息工程大学卫星气象学
卫星气象学名词解释升交点：卫星由南半球飞往北半球那一段轨道称为升段，把轨道的升段与赤道的交点称为升交点。
降交点：卫星由北半球飞往南半球那一段轨道称为降段，把轨道的降段与赤道的交点称为降交点。
轨道面：根据理论力学，卫星在地球引力（有心力）作用下的运动为平面运动。
该平面称轨道面，轨道面过地心。
轨道倾角：指赤道平面与轨道平面间的（升段）夹角。
探测周期（T）：指卫星绕地球运行一圈的时间。
截距（L）:连续两次升交点之间的经度数。
（L=T*15度/小时）。
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。
轨道数：指卫星从一个升交点开始到下一个升交点为止环绕地球运行一圈的轨道序数。
遥感：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、分类和识别的一项技术。
三大宇宙速度：①环绕速度：7.912km/s②逃逸速度：11.2km/s③卫星脱离太阳系进入银河系的最小速度：16.9km/s自旋稳定：若卫星绕自身对称轴以一定的角度旋转，在没有空气阻力的情况下卫星的角动量守恒，因而自转轴方向始终不变，这种卫星稳定的方式称为自旋稳定。
三轴定向稳定：卫星三个方向上始终保持稳定，取卫星的三个方向为轴并使其保持稳定：①俯仰轴：与卫星轨道平面垂直，控制卫星上下摆动②横滚轴：平行于轨道平面，且与轨道方向一致，控制卫星左右摆动③偏航轴：指向地球中心，控制位卫星沿轨道方向运行入轨速度：火箭将卫星送入轨道的瞬时速度。
黑体：某一物体在任何温度下，对任意方向和任意波长的吸收率或发射率都等于1。
即α（λ）恒等于1.灰体：物体的吸收率与波长无关，且为小于一的常数。
选择性辐射体：物体的吸收率随波长而变化，即a=a（λ）。
辐射能Q：指电磁辐射所携带的能量，或物体发射的全部能量，其单位为J（焦耳）。
辐射通量φ：指单位时间内通过某一表面的辐射能。
辐射强度I：指对于点辐射源在某一方向上单位立体角内的辐射通量。
《卫星气象学》第3章-2
2 S0 rearth S0 Q 2 4 rearth 4
3
地球截获的太阳辐射
大气顶处的太阳辐射
地球轨道偏心率平均为 0.017，变化很小；日地平均距离的平方对其平均值的变化为 3.3%。考虑这些因素，达到大气顶的辐射通量密度可表示为：
F S0
被地表反射的太阳辐射与物体的反照率和太阳高度角有关
20
①
地面反照率（地面及其覆盖物）
物体的反照率随波长、地面颜色、干湿度、粗糙度而变。
21
因子 裸地 土壤粒子
土壤水分
影响 土壤粒子的减小会导致地面反照率的增大
一般来讲，湿度增加，反照率减小；当湿度达到一定 值时，反照率将缓慢减小；当土壤达到吸湿极限时， 反照率几乎不变。 谱段（可见光谱段、近红外谱段及中红外区）不同， 反照率也有明显的不同 积雪的反照率在可见光波段（0.6~0.7μm）接近100%， 大约从0.8μm开始直到红外波段（1.5~2.0μm）降到几乎 0。 新的雪要比陈的雪有更大的反照率。因此在其他条件 相同的情况下，可以由积雪的亮度估算积雪的时间。 对于深度小于20cm的积雪，地表降低雪的反照率，雪 越薄越明显。可利用该点区别积雪区的深度。
加热作用 吸收紫外线转化为热能加热大气
温室气体的作用 对流层上部和平流层底部，臭氧减少会产生地面 气温下降的动力
15
南极臭氧层空洞： 1985年，英国南极考察队在60°S地区观测发现 臭氧层空洞，引起世界各国极大关注 。 1986年，美国宇航局（NASA）观测到南极臭 氧层空洞。 破环机理： 极地平流层云（PSCs）对南极臭氧层空洞的形成是至关重要的。 南极特殊的环境（高山）和气候状况，造成了南极冬季的极地旋涡， 极地旋涡内的持续低温使凝结的水蒸气和 HNO3滞留形成 PSCs，使 得ClONO2和HCl等物质（氟氯烃）不断积聚其中。当春季来临(9月
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 2v ）/2（动能）– μm/r （势能） = –μm/2a 因此，卫星在轨道上的运行速度为2v = μ（ 2/r – 1/a ） —— 卫星活力公式 3. 卫星运行周期椭圆轨道: 2T = 4μπ/32a圆轨道: 2T = 42π(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。
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卫星气象学
——绪论
授课教师：刘毅
中国科学院大气物理研究所
2015.3.11
绪论
卫星气象学是利用卫星探测资料研究大气的一门学科，它是随着人造地球卫星的出现，而发展起来的大气科学分支。
（气象）卫星遥感:利用（气象）卫星作为探测平台（对大气）进行的遥感探测。
气象卫星的组成\分类\观测对象\探测原理\
反演方法\如何应用\发展现状\发展趋势
历史进程
卫星气象学是二十世纪60年代初开始出现一门新兴学科。
从1960年4月1日发射第一颗专用气象卫星TIROS-泰罗斯后，经历几个重要发展阶段。
70年代以前，气象卫星获得的主要资料是云图，并定性地应用于天气分析、天气预报和气象研究；70年代初期，卫星红外辐射仪投入业务应用，地面资料处理能力提高，使定量或半定量卫星探测资料，开始应用于大气科学各个分支。
80年代，随着气象卫星探测能力和对探测资料的处理能力提升，气象卫星提供更广泛资料，使卫星云图分析工作由纯定性分析向半定量和定量分析发展；以大尺度天气系统为主，向中小尺度天气系统发展；以气象分析应用为主，向气象、水文、海洋等多学科分析应用发展。
90年代，随着气象卫星对温度、风和湿度等探测精度提高，将资料更有效地应用于大气模式，以改进数值天气预报的结果，这是目前卫星气象学研究一个重要方面。
2000年以来，卫星观测臭氧、气溶胶、温室气体浓度、大气辐射平衡，都极大促进了数值天气预报、气候变化、环境监测研究。
Paul Crutzen, Mario Molina, and Sherry Rowland receive the 1995 Nobel Prize in Chemistry for their seminal discoveries
concerning the chemistry of ozone
阶段1：臭氧洞形成初期（2008年8月28日）阶段2：臭氧洞发展阶段
（2008年9月21日）
阶段3：臭氧洞初具规模
（2008年9月26日）
阶段4：臭氧洞加剧
（2008年9月30日）
阶段5：臭氧洞开始减弱（2008年10月8日）阶段6：臭氧洞继续减弱
（2008年10月13日）
阶段7：臭氧洞开始消亡
（2008年11月1日）
阶段8：臭氧洞消失
（2009年1月14日）
CO2探测仪初样结构
光机结构以三个光谱仪组件为主体支撑结构，其它组件固定在上面材料选择上充分考虑温度膨胀的影响，提高谱线测量精度
中国科学院长春光学精密机械与物理研究所
初样整机光机装调
光谱仪装调
观测
光谱
Lamont地基观测
(科学通报
（2）夏季青藏高原对流层O3低值与夏季风爆发
[ GRL 2009a]
对流层顶
对流层顶
对流层顶
对流层顶
对流层顶
对流层顶
对流层顶
对流层顶
高原
高原
高原高原
高原高原高原
高原
沿31°N 东西向剖面沿93.75°E 南北剖面1997年6月
1998年6月
1999年6月
2000年6月
共10次
对流层
“微型臭氧洞”
25 km
平流层
热带降水测量卫星TRMM
（Tropical Rallfall Measuring Mission ） TRMM
卫星观
测台风
“云塔”
眼墙和
整体三
维结构
中纬度天气系统的卫星云图分析
中纬度地区大尺度云系分析
逗点云系与低空风场实例
右侧的红外图迭有低空气
流。
环绕逗点云涡旋中心是气
旋性环流风场，因该逗点
云没有明显的尾部云带，
故未出现低空变形场
低空风场与逗点云系（2008.4.9.02）
风云卫星已成为国际对地观测星座的核心成员
GPM Constellation Concept
GPM Core Observatory
(NASA/JAXA, 2014 )DPR (Ku & Ka band)GMI (10-183 GHz)
65o Inclination 407 km altitude 5 km best footprint
Suomi NPP (NASA/NOAA)
MetOp B/C
(EUMETSAT)
JPSS-1 (NOAA)
DMSP
F17/F18/F19/F20(DOD)
GCOM-W1(JAXA)
NOAA 18/19(NOAA)
Megha-Tropiques
(CNES/ISRO)
Next-Generation Unified Global Precipitation Products Using GPM Core Observatory as Reference
27
TRMM?
(NASA/JAXA)。