卫星气象学 PPT
合集下载
卫星气象学气象卫星观测系统ppt课件
1
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)
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)
卫星气象学课件：第5章 卫星云图分析基础0-1
5、微波（MV）图像，即地气系统在微波段（1mm~10cm; 3~300GHz）发射及散射辐射的图像，微波的频率范围较宽， 常用的有19、22、37、85GHz等频率的水平和垂直极化通 道，业务上常用的微波图像大多是由多通道组合反演得到的 产品图像
卫星云图分析的主要内容有：
1) 区分不同通道的云图，即是可见光还是红外云图？
27
表5.1是各种云和地面目标物体的反照率，
可见：
①水面的反照率最低，厚的积雨云最大； ②积雪与云的反照率十分接近，所以仅从可见 光云图上的色调难以区别云和积雪； ③薄卷云与晴天积云、沙地的反照率也很接近， 也不易区别它们。
太阳耀斑区
水体反照率小在云图 上呈黑色。但是，如果太 阳光从水面单向反射到卫 星仪器内，在可见光云图 上会出现一片色调较浅的 区域，或是小而明亮的区， 这些区称做太阳耀斑区； 它表明水面有微波或水面 平静。
可见光图像的黑白程度表示地球和大气中各种云对可 见的太阳光的反射辐射强度（主要决定于物体的反射 率），故其观测原理与照相原理相似。
较黑色调代表低亮度（低反照率辐射强度）
较亮色调……
L
L ()
E ()sun
其中Eλ（∞）是入射大气顶的辐射，通常可以当作定值， ρL（λ）地面反照率，μsun是太阳天顶角的余弦。
太阳高度角对可见光云图上色调的影响
太阳高度角对可见光云图上色调的影响
太阳高度角对可见光云图上色调的影响
太阳高度角对可见光云图上色调的影响
青海湖
L
CR A
D T
1975年8月14日9：00（UTC）的可见光图像
可见光云图解释中存在的问题
1 区分云与地面雪盖：都较为白亮，容易混淆
…因此关于地表状况的地理知识在云图解释中极其重要。 山脉上覆盖的积雪在黑色无雪的山谷衬托下表现出白色 和树枝状。另外，与云不同，地面雪盖是准静止的，利 用动画显示的图像可以区分
卫星云图分析的主要内容有：
1) 区分不同通道的云图，即是可见光还是红外云图？
27
表5.1是各种云和地面目标物体的反照率，
可见：
①水面的反照率最低，厚的积雨云最大； ②积雪与云的反照率十分接近，所以仅从可见 光云图上的色调难以区别云和积雪； ③薄卷云与晴天积云、沙地的反照率也很接近， 也不易区别它们。
太阳耀斑区
水体反照率小在云图 上呈黑色。但是，如果太 阳光从水面单向反射到卫 星仪器内，在可见光云图 上会出现一片色调较浅的 区域，或是小而明亮的区， 这些区称做太阳耀斑区； 它表明水面有微波或水面 平静。
可见光图像的黑白程度表示地球和大气中各种云对可 见的太阳光的反射辐射强度（主要决定于物体的反射 率），故其观测原理与照相原理相似。
较黑色调代表低亮度（低反照率辐射强度）
较亮色调……
L
L ()
E ()sun
其中Eλ（∞）是入射大气顶的辐射，通常可以当作定值， ρL（λ）地面反照率，μsun是太阳天顶角的余弦。
太阳高度角对可见光云图上色调的影响
太阳高度角对可见光云图上色调的影响
太阳高度角对可见光云图上色调的影响
太阳高度角对可见光云图上色调的影响
青海湖
L
CR A
D T
1975年8月14日9：00（UTC）的可见光图像
可见光云图解释中存在的问题
1 区分云与地面雪盖：都较为白亮，容易混淆
…因此关于地表状况的地理知识在云图解释中极其重要。 山脉上覆盖的积雪在黑色无雪的山谷衬托下表现出白色 和树枝状。另外，与云不同，地面雪盖是准静止的，利 用动画显示的图像可以区分
卫星气象学ppt课件
15
立体角的计算
d rd r sind
d d sin d d
r2
16
辐射场物理量包括： • 辐射能； • 辐射功率； • 辐射强度； • 辐射通量密度； • 辐亮度，等。
17
• 辐射能Q：焦耳、热力学卡（1k=4.1840J）； • 辐射功率φ（或Radiant Flux 辐射通量W）：
特 征：与温度有关。 微 波：波长：1mm —30cm。大于30厘米的波称无线电波。
产生：内部分子的转动引起的。
8
Electromagnetic radiation is characterized by its frequency ,
wavelength , wave number
or photon energy
= c, E = h v = h c /
E = Energy (joules, or j), h = Planck’s constant = 6.63 x 10-34 j -s, v = frequency (1/s or s-1)
c = speed of light in a vacuum (m / s), = wavelength (m)
n
n
s
dω
s
dω’
dA
d A’
21
如果辐射率与方向无关，则称各向同性, 这样的源称朗伯源。 如果考虑整个空间，则对所有角求积分，再除以4，就得平均 的辐射率
L 1
2
L( ,)sin d d
4 0 0
若辐射是方位对称的，则上式为
L 1
L( ) sin d
20
22
Emissivity(发射率,比辐射率,ε）：指同一温度下辐射体 的出射度M与黑体的出射度M的比值，它表征了物体的辐射能 力。
立体角的计算
d rd r sind
d d sin d d
r2
16
辐射场物理量包括： • 辐射能； • 辐射功率； • 辐射强度； • 辐射通量密度； • 辐亮度，等。
17
• 辐射能Q：焦耳、热力学卡（1k=4.1840J）； • 辐射功率φ（或Radiant Flux 辐射通量W）：
特 征：与温度有关。 微 波：波长：1mm —30cm。大于30厘米的波称无线电波。
产生：内部分子的转动引起的。
8
Electromagnetic radiation is characterized by its frequency ,
wavelength , wave number
or photon energy
= c, E = h v = h c /
E = Energy (joules, or j), h = Planck’s constant = 6.63 x 10-34 j -s, v = frequency (1/s or s-1)
c = speed of light in a vacuum (m / s), = wavelength (m)
n
n
s
dω
s
dω’
dA
d A’
21
如果辐射率与方向无关，则称各向同性, 这样的源称朗伯源。 如果考虑整个空间，则对所有角求积分，再除以4，就得平均 的辐射率
L 1
2
L( ,)sin d d
4 0 0
若辐射是方位对称的，则上式为
L 1
L( ) sin d
20
22
Emissivity(发射率,比辐射率,ε）：指同一温度下辐射体 的出射度M与黑体的出射度M的比值，它表征了物体的辐射能 力。
卫星气象学课件：第1章 绪论0
卫星观测方法优势
资料一致性优势
与地面和高空常规观测相比，卫星资料具有内在的均 一性和好的代表性；
尽管世界气象组织（WMO）已经颁布了一系列规范， 来统一常规观测仪器的性能和观测方法，但仍不能避 免不同国家和地区、使用不同仪器和方法获得的资料 的不一致性；
站分布的不均匀等使资料的不确定性增加(点)； 气象卫星是在较长一段时期内使用同一仪器对全球进
第3节 气象卫星的种类及其发展概况
一、气象卫星的种类
按轨道分：
1、极轨卫星和静止卫星
按所承担的任务分：
2、实验卫星和业务卫星
二、气象卫星的发展历史
1、 极轨卫星的发展历史
1.美国的极轨业务卫星 TOS/ESSA（TIROS业务卫星/环境科学管理局卫星）系列 ITOS/NOAA（改进的TIROS业务卫星/国家海洋大气管理局）系列 TIROS-N/NOAA系列
3、气象卫星资料的接收、处理和存贮、质量控制；
4、气象卫星资料在天气预报、大气科学研究中的应 用，以及在其它有关领域中的应用（如监测森林大火 等）。
二、气象卫星遥感
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，通过探测仪器接收来自被测 物体反射或发射的电磁辐射信息，并对其进行 处理、分类和识别的一种技术。
在河南、安徽和山东三省交界地区出现了轻到大雾（包括雾凇）天气，其中部分雾区被云覆盖。 经估算雾区面积大约有2.1万平方公里。雾区给当地的交通带来不同程度的影响。
强沙尘暴监测 2001.4.7.
气象卫星监测到新疆南部塔里木盆地出现了沙尘天气。受冷空气影响，塔里 木盆地东部发生沙尘天气，沙尘在偏东大风的输送下自罗布泊向西南方向扩散。 由于沙尘强度较弱，且发生在荒漠地区，其造成的影响有限。
卫星气象学课件7-09热带云系 Microsoft PowerPoint 演示文稿
2．热带辐合云带的变化 热带辐合云带云系随时间而变，分为长期变化和短期变化： (1)长期变化(季节变化) 长期变化是一种年变化。与大气环流的季节变化相关联，图 7．8为1月和7月的地面环流。图7．9为1967年至1970年全球热带地 区一年四季的平均云量分布，从图可见以下几种现象： ①ITCZ各个季节在南北方向的位移； ②洋面副高的势力随季节而增强或减弱，导致东太平洋面上层 积云云量的季节变化； ③热带对流云的变化，特别是在大陆地区对流云系的变化； ④地形和地表反照率对平均云量的影响。 亚洲大陆和西太平洋间，云带强度和位置海陆影响明显；太平 洋中部、东部，云带年变化小，位置稳定，全年5一10º N范围内。 随大气环流变化，1月份，亚洲冬季风强，辐合带位置最南，云量 最少；7月份，夏季风所控制，辐合带位置最北，有双辐合带。
(2)短期变化 热带辐合带在短时间内(几天到十几天)，强度和位置发生明显 的变化。由稀疏云带，演变成长几千千米、宽几个纬距的云带。这 种加强减弱与周边各天气系统有关 ： ①热带辐合云带加强的特征： 当热带辐合云带向北推进时，云系一般加强。盛夏季节，副高 北进加强，梅雨结束时，辐合云带加强更显著； 当热带辐合云带南侧，西南季风加强，或云带南侧的西南季风 与北侧的偏东信风同时加强，则热带辐合云带加强； 当副高加强时，南侧偏东信风加强，则辐合云带加强。 ②热带辐合云带减弱的特征： 当热带辐合云带内有台风生成和加强，台风环流作用，该云带 将断裂、破坏，从而减弱消失； 当热带辐合云带内有台风西移，强烈风浪引起冷水上涌，抑制 云系发展，副高南退，云带消失； 赤道反气旋北上，辐合云带北进，而原辐合云带减弱消失。
③云团内的水平风速切变： 表7．1所示云团内低空气旋性切变，晴空区为反气旋切变，风暴前 期云团气旋性切变最大；
卫星气象学课件：第7章 热带天气分析0-3
2
②冷水面：当处于暖水区的热带气旋经过温度梯度很大的区域进 入冷水区，其强度显著减弱。
③海区范围：热带洋面的范围大小对热带气旋的强度也有明显作 用，如西太平洋的台风强度明显大于南海台风。当西太平洋台 风通过菲律宾进入南海区域，强度明显减弱（应该是下垫面的 热力差异的原因）。
2．大气强风速垂直切变的作用 当台风上空的垂直风切变加强，云在垂直方向上发生倾斜，不 利于台风中的对流发展，强度减弱。
34
（五） T指数24小时的预报
按过去2 4h强度变化趋势，通常D、W为每日一个T指数变化；若 出现急剧变化征兆，D、W可分别按一日1.5—2T指数变化。
（六）T指数与风速及气压的对应关系
根据中央气象台近年用的CI指数与风压关系，确定 台风中心最 大风速和最低海平面气压。
*本方法中所用的云图是四级增强：黑（-33~-46˚C）、深灰（-46~-57˚C）、 浅灰（-57~-74˚C）和白（〈-74˚C）
≥0.3
0.4~0.5 0.6~0.8 0.8~1.0
T 指数
1.5±0.5
2.5
3
3.5
注：对“弯曲云貌型”量取一条或两条主要云带的长度， 求平均值。
调整参数： 1）当云带为浅灰色，DT-0.5; 2）当长度>1.0时，应用眼法确定T指数。
28
3、低云中心型 量度云系中心至主要云带边缘的距离L
L（纬距） >1.5
36
37
38
39
当有一块云团与台风云系接触时会与之迅速合并这种过程使台风加速跳向其附近的这块云团台风移速出现急剧加速且明显加强当台风移向前方高亮度的小云块对台风移速也有指示作用未来台风将向高亮度云块所在方向高亮度云块是不稳定雷雨区
②冷水面：当处于暖水区的热带气旋经过温度梯度很大的区域进 入冷水区，其强度显著减弱。
③海区范围：热带洋面的范围大小对热带气旋的强度也有明显作 用，如西太平洋的台风强度明显大于南海台风。当西太平洋台 风通过菲律宾进入南海区域，强度明显减弱（应该是下垫面的 热力差异的原因）。
2．大气强风速垂直切变的作用 当台风上空的垂直风切变加强，云在垂直方向上发生倾斜，不 利于台风中的对流发展，强度减弱。
34
（五） T指数24小时的预报
按过去2 4h强度变化趋势，通常D、W为每日一个T指数变化；若 出现急剧变化征兆，D、W可分别按一日1.5—2T指数变化。
（六）T指数与风速及气压的对应关系
根据中央气象台近年用的CI指数与风压关系，确定 台风中心最 大风速和最低海平面气压。
*本方法中所用的云图是四级增强：黑（-33~-46˚C）、深灰（-46~-57˚C）、 浅灰（-57~-74˚C）和白（〈-74˚C）
≥0.3
0.4~0.5 0.6~0.8 0.8~1.0
T 指数
1.5±0.5
2.5
3
3.5
注：对“弯曲云貌型”量取一条或两条主要云带的长度， 求平均值。
调整参数： 1）当云带为浅灰色，DT-0.5; 2）当长度>1.0时，应用眼法确定T指数。
28
3、低云中心型 量度云系中心至主要云带边缘的距离L
L（纬距） >1.5
36
37
38
39
当有一块云团与台风云系接触时会与之迅速合并这种过程使台风加速跳向其附近的这块云团台风移速出现急剧加速且明显加强当台风移向前方高亮度的小云块对台风移速也有指示作用未来台风将向高亮度云块所在方向高亮度云块是不稳定雷雨区
卫星气象学课件：卫星资料估计风
云中部
2.0 1.0 5
云顶
2.8 1.1
对于示踪云与时间分辨率的关系问题，必须选取示踪云寿命期大于 时序图的时间间隔，否则就无法跟踪示踪云的移动。
在选取示踪云时，必须避免选取以下几种云：①处于发展阶段或消
散阶段的云；②均匀的云；③山脉背风一侧的波状云等。经验指出，通 常选取与天气尺度有关的云作为示踪云。在估计低空风时，挑选由浓积 云、积云组成的积云群为示踪云；而估计高空风时，常使用变化缓慢的 卷云作为示踪云。
一、云迹或耙云的选择
在静止卫星云图上,并非所有的云都能作为示踪云或云迹,有些云的移动与 风之间有较好的关系,而有些云与风无关,在选择示踪云时需要考虑其移动与 风之间的关系。表9.2和表9.3给出了积云、卷云与风场之间的关系。可以 看 出，积云与低空 风场间的关系较好。
平均 标准差 例数
表9.2 积云与风场之间的关系
二、自动法 由自动法选取示踪云是通过计算机处理实现的。该方法先按一定的经、
纬度划分成若干区域，然后求取各区域内像点按亮度分布的直方图，再由 直方图定出示踪云，如在NESS的自动选择示踪低云过程中，按2.5 ° × 2.5 °划分为32 × 32 个像点的正方形区域,并作直方图,把低于700hpa 高度 的温度值数据消去，高于700hpa的数据为低云。在ESA，采取可见光红外双 光谱资料制作二维直方图，选取踪云。
二、云风的计算
• 由静止卫星云图计算风也分手工法和自动法两种。手工法计算风是把间隔为
半小时的云图制成环形胶卷，然后在一固定的屏幕上投影，则可得一云移动 矢量。这种方法效率低、速度慢。现已为自动法代替。自动法计算风一胶采 用二张间隔为半小时的云图，先在tl时刻的第一张云图上选取包含示踪云的数 据样品阵列，然后在另一张云图上选取相应较大区域的数据样品平移阵列， 计算这两组数据的相关系数：
卫星气象学课件：第四章 卫星观测仪器和观测要素及分辨率
图别
甚高分辨率云图（美）
泰罗斯－N云图（美）
流星云图（前苏联）
葵花云图（日本，全景）
葵花云图（日本，区域）
风云二号B云图（中国）
可见光
3.2 km 0.85 km
4 km 1.25 km
2.5 km 4 km
1.25 km
红外
7.2 km 0.85 km
4 km 15 km
5 km 7 km 5 km
3、时间分辨率：
指卫星对同一地区观测的时间间隔。如极轨卫星每12 小时对全球观测一次，静止卫星则每半小时对某一固定区 域进行一次观测。
4、几种分辨率之间的关系（相互制约）：
1）低的空间分辨率（较大瞬时视场）可以有较好的灰度 分辨率或温度分辨率和时间分辨率；
2）当仪器的瞬时视场和灵敏度一定时，温度分辨率和仪 器的扫描速度有关，扫描速度慢，对目标物的停留时间较 长，则能接收更多的辐射能，从而具有较高的温度分辨率。 反之，则温度分辨率降低。
辐射信息 收集转递 系统
辐射能收 集的光学 系统，包 括：光栅 ，聚焦装 置等
辐射/光 电转换系 统
感应辐射 能，并将 辐射能转 换为电信 号。分量 子、热探 测器两种
电信号处 理和发送 系统
对探测 器信号 进行放 大、模 /数转 换等处 理
将处理 好的信 号发送 给天线 或记录 到存储 设备中
第一节 卫星观测仪器
第四章 卫星观测仪器和观测要素及分辨率
一、卫星观测仪器 二、卫星云图的图像表示和增强处理
掌握重点：卫星观测的空间分辨率、灰度（或 温度）分辨率和时间分辨率的概念及其相互关 系、卫星云图的增强处理方式
卫星观测仪器
扫描仪 光学系统 探测器
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
特 征：与温度有关。 微 波：波长：1mm —30cm。大于30厘米的波称无线电波。
产生：内部分子的转动引起的。
Electromagnetic radiation is characterized by its frequency ,
wavelength , wave number
or photon energy
= c, E = h v = h c /
E = Energy (joules, or j), h = Planck’s constant = 6.63 x 10-34 j -s, v = frequency (1/s or s-1)
c = speed of light in a vacuum (m / s), = wavelength (m)
• 例如：紫外线：uv-C(0.150-0.28) uv-B(0.28-0.315), uv-A(0.315-0.4), unit: um • 红外线：近红外(0.7-2.5)，远红外(2.5-1000)；微波：1mm到1m波段。
电磁波谱
太阳
地球大气 辐射
电离
电磁振荡
电子跃迁
分子振动转动
r
宇
射
宙
线
特征：波长短，频率高能穿透密 度很大的物质。 紫外线：波长10-5-0.35 m，产生：原子和分子内部的电子状 态改变；
特征：频率较高，各种物质对短的紫外线有吸收。 可见光：波长0.35 -0.76 m，产生：原子内部的电子状态；
特征： 对人眼有特殊的刺激。 红外线：波长0.76 -1000 m，产生：分子、原子的振动转动；
第一节 辐射基础
一、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。
• Most significant spectral regions associated with radiative energy transfer in atmosphere lie between ultraviolet light and microwaves.
f=（ EJ EI）/h 电磁辐射既有波动特性，也有粒子特性。
波长较长的可见、红外线波动性表现明显； 波长较短的r、x射线，其粒子性表现明显。
二.描述辐射的基本物理量
2.1 描述辐射场的物理量
预备知识 ① 通量的概念
② 平方反比定律：表示辐射能通过空 间传播方式的原则,表示光的强度与 到光源的距离的平方成反比。
卫星气象学
第三章 气象卫星遥感 大气的基本原理
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。
• 第一节 辐射基础
• 第二节 地球大气与辐射的相互作用
• 第三节 辐射在大气中的传输与卫星接 收到的辐射
远红外
1.5
15
紫 蓝青 绿 黄 橙 红
0.40 0.43 0.45 0.50 0.57 0.60 0.63
0.76微米
750 m
产生 机制
光谱区
波长 频率 (Hz)
r 射线： 波长10-11 -10-4nm，产生：放射性元素蜕变； 特征：具有很高的能量，几兆电子伏特。
x 射线： 波长10-5 -0.0045m，产生：原子内部的电子从激发 态恢复到稳态；
③ 立体角概念：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）。
r2
Solid angle units are steradians [sr]. For a sphere of surface area 4r2, the solid angle subtended by the entire sphere is 4, by a hemisphere is 2, etc.
单位时间内通过任意表面的辐射能量，单位J/s。
bo.qian@,Dept. of Atmos. Sounding, Nanjing Univ.of Info. Sci.& Tech.(NUIST)
2、电磁波各参数的关系和使用单位
参数：
波长 f 频率
波数（单位长度内含有的波数，波长的倒数） c 光速=3108米/秒。
立体角的计算
d rd r sind
d d sin d d
r2
辐射场物理量包括： • 辐射能； • 辐射功率； • 辐射强度； • 辐射通量密度； • 辐亮度，等。
• 辐射能Q：焦耳、热力学卡（1k=4.1840J）； • 辐射功率φ（或Radiant Flux 辐射通量W）：
射
线
紫可 红
外 线
见
外
光线
亚毫 厘 分 毫米 米 米 米波 波 波 波
微波
超 短
短中
长
波 波波 波
X 射线
无线电波
迟缓电振荡
1nm
1m
1cm
1m
31022 31020 31018
31016 31014 31012 31010 3108 3106 3104 3102
可见光 近 红 外 中红外
c =f 波在真空中的速度。
n= /n波在介质的波长。 V=f n 波在介质中的速度。 n=（r/r）1/2介质折射指数。r 介电常数, r导磁率。
关系： f=c
f=C/ =c/f =1/ =f/c
单位：
1千兆赫（GHz ）= 103兆赫（MHz ）= 106千赫（KHz ）= 109赫（Hz ） 1米(m)=102厘米（cm）=103毫米（mm）=106微米（m）=109纳米（nm）
3、电磁波的量子特性
从量子的观点看，电磁辐射可以看作是一粒一粒以光速c运动的粒子 流，这些粒子称为光量子，每一光量子具有的能量为
Q=hf Q 能量，h 普朗克常数。电磁辐射看成是粒子
p=mc=h/= hf/c 电磁辐射的发射或吸收是由于物质内原子或分子的能量状态发生改变 引起的，若物质中原子的状态由高能级EJ跃迁到低能级EI，便发出辐射； 若从EJ EI便要吸收辐射。发出或吸收辐射时光量子的频率
产生：内部分子的转动引起的。
Electromagnetic radiation is characterized by its frequency ,
wavelength , wave number
or photon energy
= c, E = h v = h c /
E = Energy (joules, or j), h = Planck’s constant = 6.63 x 10-34 j -s, v = frequency (1/s or s-1)
c = speed of light in a vacuum (m / s), = wavelength (m)
• 例如：紫外线：uv-C(0.150-0.28) uv-B(0.28-0.315), uv-A(0.315-0.4), unit: um • 红外线：近红外(0.7-2.5)，远红外(2.5-1000)；微波：1mm到1m波段。
电磁波谱
太阳
地球大气 辐射
电离
电磁振荡
电子跃迁
分子振动转动
r
宇
射
宙
线
特征：波长短，频率高能穿透密 度很大的物质。 紫外线：波长10-5-0.35 m，产生：原子和分子内部的电子状 态改变；
特征：频率较高，各种物质对短的紫外线有吸收。 可见光：波长0.35 -0.76 m，产生：原子内部的电子状态；
特征： 对人眼有特殊的刺激。 红外线：波长0.76 -1000 m，产生：分子、原子的振动转动；
第一节 辐射基础
一、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。
• Most significant spectral regions associated with radiative energy transfer in atmosphere lie between ultraviolet light and microwaves.
f=（ EJ EI）/h 电磁辐射既有波动特性，也有粒子特性。
波长较长的可见、红外线波动性表现明显； 波长较短的r、x射线，其粒子性表现明显。
二.描述辐射的基本物理量
2.1 描述辐射场的物理量
预备知识 ① 通量的概念
② 平方反比定律：表示辐射能通过空 间传播方式的原则,表示光的强度与 到光源的距离的平方成反比。
卫星气象学
第三章 气象卫星遥感 大气的基本原理
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。
• 第一节 辐射基础
• 第二节 地球大气与辐射的相互作用
• 第三节 辐射在大气中的传输与卫星接 收到的辐射
远红外
1.5
15
紫 蓝青 绿 黄 橙 红
0.40 0.43 0.45 0.50 0.57 0.60 0.63
0.76微米
750 m
产生 机制
光谱区
波长 频率 (Hz)
r 射线： 波长10-11 -10-4nm，产生：放射性元素蜕变； 特征：具有很高的能量，几兆电子伏特。
x 射线： 波长10-5 -0.0045m，产生：原子内部的电子从激发 态恢复到稳态；
③ 立体角概念：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）。
r2
Solid angle units are steradians [sr]. For a sphere of surface area 4r2, the solid angle subtended by the entire sphere is 4, by a hemisphere is 2, etc.
单位时间内通过任意表面的辐射能量，单位J/s。
bo.qian@,Dept. of Atmos. Sounding, Nanjing Univ.of Info. Sci.& Tech.(NUIST)
2、电磁波各参数的关系和使用单位
参数：
波长 f 频率
波数（单位长度内含有的波数，波长的倒数） c 光速=3108米/秒。
立体角的计算
d rd r sind
d d sin d d
r2
辐射场物理量包括： • 辐射能； • 辐射功率； • 辐射强度； • 辐射通量密度； • 辐亮度，等。
• 辐射能Q：焦耳、热力学卡（1k=4.1840J）； • 辐射功率φ（或Radiant Flux 辐射通量W）：
射
线
紫可 红
外 线
见
外
光线
亚毫 厘 分 毫米 米 米 米波 波 波 波
微波
超 短
短中
长
波 波波 波
X 射线
无线电波
迟缓电振荡
1nm
1m
1cm
1m
31022 31020 31018
31016 31014 31012 31010 3108 3106 3104 3102
可见光 近 红 外 中红外
c =f 波在真空中的速度。
n= /n波在介质的波长。 V=f n 波在介质中的速度。 n=（r/r）1/2介质折射指数。r 介电常数, r导磁率。
关系： f=c
f=C/ =c/f =1/ =f/c
单位：
1千兆赫（GHz ）= 103兆赫（MHz ）= 106千赫（KHz ）= 109赫（Hz ） 1米(m)=102厘米（cm）=103毫米（mm）=106微米（m）=109纳米（nm）
3、电磁波的量子特性
从量子的观点看，电磁辐射可以看作是一粒一粒以光速c运动的粒子 流，这些粒子称为光量子，每一光量子具有的能量为
Q=hf Q 能量，h 普朗克常数。电磁辐射看成是粒子
p=mc=h/= hf/c 电磁辐射的发射或吸收是由于物质内原子或分子的能量状态发生改变 引起的，若物质中原子的状态由高能级EJ跃迁到低能级EI，便发出辐射； 若从EJ EI便要吸收辐射。发出或吸收辐射时光量子的频率