NOAA气象卫星系列综述

NOAA 气象卫星系列综述
学年论文
学院：海洋科学与工程学院 姓名：李春霖
学号：09053207 指导老师：李伟
NOAA 气象卫星系列综述
李春霖
(天津科技大学 海洋科学与工程学院,天津 300457)
摘 要：利用 NOAA 气象卫星收集的数据，在众多领域都可以发挥出它的用途。 本文简要介绍 NOAA 气象卫星在农业、土地利用以及水文监测这三个方面的应用 举例。 关键词：NOAA；气象卫星
二、卫星简介
NOAA 卫星是美国国家海洋大气局的第三代实用气象观测卫星，第一代称为 “泰罗斯”（TIROS)系列（1960-1965 年），第二代称为“艾托斯”（ITOS)/NOAA 系列（1970-1976 年），其后运行的第三代称为 TIROS--N/NOAA 系列。目前我国 接收、存档和使用的 NOAA 系列卫星主要分为美国第四代（NOAA-9--NOAA-14）和 第五代（NOAA-15--NOAA-17）极轨气象卫星[1]，它们的共同点是卫星姿态为三轴 稳定，扫描率为 6 条扫描线/秒，对地扫描角±55.4 度，星下点分辨率 1.1 公里， 卫星轨道是太阳同步轨道，高度在 800-850 公里之间，倾角为 98.6-99.1 度之间， 偏心率小于 10-4。周期 101-102 分。24 小时内卫星绕地球运行 14 圈左右。回归
一、引 言
从 20 世纪 60 年代后期开始，美国国家海洋大气局（NOAA）发射的 NOAA/TIROS （诺阿/泰罗斯）系列气象卫星使用可见光和红外波段的传感器为气象学提供了 大量有重要价值的图像。中国气象局自 80 年代初期以来已开展了 20 余年的 NOAA/TIROS 卫星的信号接收和资料分发工作。NOAA/TIROS 卫星系统每天可输出 全球范围的 16000 个地点的大气探测数据，20000~40000 个地点的海表面温度数 据。这些资料被广泛应用于天气预报以及海洋、渔业、农业、水文、交通和地质 等领域的研究，取得了越来越显著的社会经济效益。
Summary of NOAA Meteorological Satellites
Li Chunlin
(Tianjin University of Science and Technology, Tianjin
300457, China)
Abstract: With the data collected by NOAA meteorological satellite, we can make much use of it in various fields. This paper chiefly studies examples of the use of NOAA meteorological satellite in agriculture, the use of land and hydrological monitoring. Key words: NOAA; Meteorological satellite
1998 年长江全流域、松嫩平原百年一遇的特大洪水，水位高，持续时间长， 洪水量大，其造成的巨大损失已严重影响了我国国民经济的正常运行和人民生命 财产的安全。由于受汛期天气条件限制(主要是云的影响)，无法做到逐日监测， 根据数据条件分别选取了嫩江流域 7 月 21 日、29 日、31 日和 8 月 1 日、19 日、 20 日、24 日、25 日 8 个时相的 NOAA 影像，其中 7 月 21 日位于第一次洪水过后、 第二次洪水发生前，7 月 29 日、31 日和 8 月 1 日位于第二次洪水期间，余下的 位于第三次洪水期间。对所有 NOAA 影像进行纠正、配准，选取通道 1、通道 2、 通道 3 进行 RGB 合成，结果见图 5。
表 4 2005 年 1 月 16 日 06:58 地面观测数据与 NOAA/AVHRR 监测结果对比
表 5 2008 年 11 月 24 日 05:35 地面观测数据与 NOAA/AVHRR 监测结果对比
由表 4 可知，2005 年 1 月 16 日 6 时 58 分 NOAA/AVHRR 监测结果与地面观测 结果一致的样本有 67 个，其监测准确率为 82.6%，这与前人研究结果比较一致。 2008 年 11 月 24 日 05:35NOAA/AVHRR 监测与地面监测一致的样本有 44 个，估算 其监测准确率为 55.8%(表 5) 。2008 年 11 月 24 日 05:35 雾监测结果精度较低 的主要因素是研究区内出现大片的低层云，降低了雾判识的准确性；卫星过境时 间与地面观测二者之间有一个时间上的差异，分别相差近 1 h 和 2.5 h，一定程 度上影响了检验结果。
料(见图 4)。
表 7 卫星判识的大庆地区 5 个市(县)各种土地类型面积(单位:h ㎡)
图 4 大庆地区土地利用卫星遥感分类图 ( 图中的色阶由上到下依次代表：明水体，牧草地，森林，耕地，城镇和工业用地，荒漠)
4、水文监测 中国是世界上洪涝灾害频繁、损失严重的国家之一，每年由于各种灾害所造
成的经济损失高达数千亿元[5]。遥感技术对灾害监测评估有特殊的优势和潜力， 尤其是对洪涝灾害的监测评估，可以充分发挥其宏观、快速、经济等特点。
选取 2005 年 1 月 16 日 06:58(冬季)、2008 年 11 月 24 日 05:35(秋季) 2 个时次的 NOAA/AVHRR 卫星数据，利用夜间雾监测模型进行试验分析，见图 2、 图 3。
图 2 2005 年 1 月 16 日 6:58(a) NOAA/AVHRR 多通道影像和(b) 监测的夜间雾区分布图
周期 9 天左右，所不同的第五代卫星在 AVHRR 探测器安装改进的甚高分辨率辐射 计 3 型（AVHRR/3），增加 CH3A（同 CH3B 进行时间切换），同时 TOVS 变为 ATOVS， 增加微波探测器等先进仪器，并且预处理生成的 1B 文件由压缩形式改变成二进 制长字节文件。现将卫星某些轨道参数介绍如下，见表 1
下垫面高温点、夜间云图、森林火灾、火山活动
4
10.30~11.30
昼夜图像、海表和地表温度、土壤湿度
5
11.50~12.50
昼夜图像、海表和地表温度、土壤湿度
三、应用举例
1、气象 这里以 NOAA/AVHRR 遥感数据在夜间雾监测中的应用来举例。雾是一种灾害
性天气现象，可能严重危害到航空、航海和陆路交通安全[2]。及时监测雾的动态 变化对防止因雾造成的损失及因雾造成的事故，保障人民生命财产安全具有重要 的意义。传统观测雾的手段主要依靠是地面人工观测，但是常规的监测方法受到 观测站点分布及观测时间的限制，尤其是对大范围的雾的监测无法动态监测，而 气象卫星遥感具有覆盖范围广、时间分辨率高、信息量丰富等优势，可对雾进行 宏观、动态、连续监测，克服常规监测方法因站点设置和观测密度不够的缺点。
表 6 各省市建立的遥感模式
3、土地利用 对地表覆盖状况进行正确的区分对政府部门、农、林、牧各业都有现实的应
用价值。与资源卫星相比,NOAA 气象卫星在应用上具有覆盖面广、循环周期短、 价格便宜等特点，用 NOAA 卫星资料进行土地覆盖分类比人工进行调查要节约大 量的人力、物力、财力，对人际罕至的地区更显出其优越性[4]。用 NOAA 气象卫 星的 AVHRR 资料和黑龙江省大庆地区 5 个县的行政县界资料，将大庆地区土地 初步分为 7 种类型，得到该地区土地覆盖类型的数值资料(见表 7)和彩色图象资
最大扫描角（度）
49.5
48.33
48.95
55.4
星下点分辨率
20.4/18.9
45
15.0
1.1
扫描带宽（km）
2248
2226
2168
2400
甚高分辨率辐射仪（AVHRR/3）包括 5 个波段，可见光红色波段、近红外波
段、中红外波段和两个热红外波段，如表 2 所示，其中 3a 白天工作，3b 夜间工
表 2 TOVS 和 AVHRR 传感器基本参数
仪器参数
HIRD/3
AMSU-A
AMSU-B
AVHRR/3
通道数
20
15
5
6
IFOV(度)
1.4/1.3
3.3
1.1
1.3 毫弧度
扫描周期（秒）
6.4
8
2.67
0.1
对地扫描视场数
56
30
90
2048
视场步进角（度）
1.8
3.33
1.1
1.362 毫弧度
作。其波段的说明如表 3。
通道序号
波长范围（µm）
表 3 AVHRR/3 波段说明
主要用途
1
0.58~0.68
白天图像、植被、冰雪、气候…
2
0.725~1.00
白天图像、植被、水/路边界、农业估产、土地利用调查…
3a
1.58~1.64
白天图像、土壤湿度、云雪判识、干旱监测、云相区分…
3b
3.55~3.93
图 3 2008 年 11 月 24 日 5:35(a) NOAA/AVHRR 多通道影像和(b)监测的夜间雾区分布图
为了验证 NOAA/AVHRR 数据监测夜间雾的模型的精度，利用地面气象站常规 观测资料对监测结果进行检验。地面气象观测数据来源于江西省气象局，包括现 有的 86 个气象观测站点的能见度，云状、云量等数据。由于基准站是每小时观 测 1 次能见度，而基本站是每 6h 才观测 1 次能见度。为了统一地面观测数据的 时间，分别选用 2005 年 1 月 16 日 08:00 和 2008 年 11 月 24 日 08:00 的地面观 测数据进行验证。NOAA/AVHRR 监测结果与地面观测对比见表 4、表 5。
NOAA-11 NOAA-12 NOAA-14 NOAA-15 NOAA-16 NOAA-17 NOAA-18 NOAA-19