卫星气象学气象卫星遥感大气的基本原理
卫星遥感在气象学中的应用
卫星遥感在气象学中的应用卫星遥感技术的发展改变了人们对自然环境的认识与理解。
在气象学中，卫星遥感技术的应用对于天气预报、气候变化研究、灾害监测及预警等方面都有着非常重要的作用。
本文将介绍卫星遥感在气象学中的应用，探讨其意义及应用前景。
一、卫星遥感技术在气象学中的应用1.天气预报卫星遥感技术在天气预报中的应用主要体现在对气象要素的探测与监测，如云图、温度图、水汽图等。
遥感卫星上配备的对地观测仪器可以从高空观测地球表面的状况，同时还可以实现全球范围内的监测，为天气预报提供了非常重要的信息。
2.气候变化研究卫星遥感技术可以对地球环境进行长时间的监测，同时能够实现全球范围的监测。
这使得气候变化的研究有了更加全面、具体的信息支撑，从而更加精确地预测未来气候变化趋势。
此外，利用卫星遥感技术还可以开展对全球温度、海平面变化、冰盖和雪盖等方面的研究。
3.灾害监测及预警卫星遥感技术可用于地质灾害、气象灾害、水文灾害等多种灾害的监测。
例如，卫星图像可以检测地震引起的地形变化和地面位移情况，及时地监测和预警地震以及其它自然灾害的发生，减轻或避免灾害造成的损失。
二、卫星遥感技术在气象学中的意义卫星遥感技术在气象学中的应用，为人们提供了一种更加全面、系统的天气预报、气候变化研究、灾害监测及预警的手段。
它的出现，使得人们对自然环境的认识更加深入，并得出更加准确的结论。
例如，通过卫星遥感技术得出的全球温度趋势，得以预测气候变化，因而更好地预防和应对自然灾害，从而减轻或避免其造成的损失。
同时，气象学已成为人们生活中不可或缺的一部分。
气候变化不仅影响着自然环境，也影响着人类社会的经济、农业、能源等各个方面。
因此，掌握气候变化的变化趋势，有利于人们更好地规划未来的经济发展和社会生活。
三、卫星遥感技术在气象学中的应用前景卫星遥感技术具有全球性、超时空的优势，正逐渐成为气象学领域中的重要手段。
例如，卫星遥感技术在监测和预警气象灾害方面，实时性非常重要。
卫星遥感数据在气象学中的应用
卫星遥感数据在气象学中的应用气象学作为一门多学科交叉的科学，主要研究大气动力学、气象物理、气象化学等方面，旨在探讨大气环境的演化规律和地球气候变化的趋势。
而卫星遥感数据在气象学中的应用越来越广泛，对于实现现代化气象观测及天气预报、气候变化等科学问题的研究具有重要意义。
一、卫星遥感在气象观测中的应用卫星遥感在气象观测中的应用主要涉及以下方面:1. 气象卫星对地球表面海气系统的观测气象卫星能够对地球表面海气系统进行全天候全球性观测，获取多种数据信息，包括海洋表面温度、海洋波高及海流信息、大气温度、水汽含量、云层信息等。
这些信息对于天气预报、气候变化研究及海洋资源开发有着重要意义。
2. 卫星遥感在气象灾害预警及预测中的应用卫星遥感技术能够获取及时的气象数据信息，对于气象灾害监测及预警非常有用。
例如，在遭受台风侵袭的地区，卫星遥感技术能够提供风暴的路径、范围及强度信息，为相关部门提供准确的预警信息，帮助人们采取及时的防护措施。
3. 卫星遥感在大气环境及气候变化研究中的应用卫星遥感技术能够获取全球大气环境及气候变化的系列重要信息，如全球温度变化、海平面上升、极地冰川融化等。
这些数据信息对于理解全球气候变化趋势及在制定应对气候变化政策等方面有着重要的意义。
二、卫星遥感在天气预报中的应用卫星遥感技术在天气预报中也有着非常广泛的应用。
卫星遥感技术能够获取地球表面的信息，包括温度、湿度、风速风向等一系列气象要素。
获得的数据信息可作为天气预报的输入数据，提供更加精确的气象预报及预警信息。
1. 非常规气象数据探测卫星遥感技术能够获取非常规的气象数据信息，如雾、霜、云、气溶胶等方面的数据。
这类信息是传统气象观测手段无法获得的，对于提升天气预报准确性有着重要的作用。
2. 气象大数据的处理卫星遥感技术能够获得大量的气象数据信息，因此需要借助大数据分析及处理技术。
通过这些数据能够加强对大气环境的监测和气象过程的分析，提高警报反应速度，准确预测降雨、气旋的路径等，为口岸、港口、基础设施的安全运营提供保障。
气象卫星遥感大气的基本原理和资料产品PPT课件
射率φλ
I(λ，T)＝ φλ B(λ，T)
15
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。
8
波长(m) 6000K(近似太阳)和288K(近似地球)的黑体发射辐射光谱
9
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
10
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。
卫星监测大气原理
卫星监测大气原理卫星监测大气原理是利用卫星从太空中获取有关大气层的各种信息的一种技术方法。
卫星会通过测量大气层中的各种物理参数，如温度、湿度、气压、风速、云量等来监测大气的变化和演变过程，从而对大气的气候与气象状况进行分析和预测。
卫星监测大气的原理首先是利用卫星携带的遥感仪器来观测大气的光学、热学、电学等性质，并将其转换成电磁波信号。
然后，这些信号会通过卫星上的接收机传回地面的接收站，接收站将信号转化为可读取和分析的数据。
在卫星监测大气的过程中，主要采用的遥感技术包括：红外线遥感、微波遥感和紫外线遥感。
红外线遥感主要通过测量大气层放射和散射的红外线辐射来监测大气温度、湿度和云量等；微波遥感主要是通过测量大气层散射和吸收微波辐射来获取大气中的水汽含量和云量等信息；紫外线遥感则是通过测量大气层阻挡和散射的紫外线辐射来获取臭氧等特定气体的浓度。
卫星监测大气的原理是基于大气层各种物理参数与辐射的相互作用关系来实现的。
大气层中的不同气体对不同波长的辐射具有不同的吸收和散射特性，而这些特性又与气体的浓度和温度等因素相关联。
通过测量大气层中不同波长辐射的强度和特征，可以间接推断出大气层中的各种物理参数和气候状况。
卫星监测大气的数据主要通过卫星观测仪器的遥感能力来获取，这些仪器通常具有高分辨率、多频道、宽波段等特点，能够对大气层进行全天候、全时段的观测。
通过卫星获取的遥感数据可以进行数字处理、图像重建和数据分析等，从而揭示大气的结构、演变和变化趋势等。
卫星监测大气的原理在现代气象学和气候学中起着重要的作用。
通过卫星遥感技术，不仅可以获得大范围、高时空分辨率的大气观测数据，还能提供多种气象要素之间的相互关系和变化趋势分析。
这些数据对气象预报、气候变化研究、环境监测和灾害预警等方面都具有重要的应用价值。
卫星监测大气的原理是通过利用卫星上的遥感仪器观测大气辐射的吸收、散射和发射等特性，以推断大气层中的各种物理参数和气候状况。
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
遥感的工作原理
遥感的工作原理
遥感（Remote Sensing）是通过利用遥感仪器获取地球表面信
息的一种技术与方法。
它通过感知地球物体在不同波段下的电磁辐射能量，记录和测量这些能量在传输过程中的变化，从而获取地表物体的信息。
遥感技术主要利用了物体与辐射之间的相互作用。
当遥感仪器向地表发射电磁辐射时，它会与地表物体相互作用并发生反射、散射、透射和吸收等过程。
根据不同的物体特性，不同的波段的电磁辐射会被物体反射、散射或吸收。
遥感仪器接收并记录这些经过物体相互作用后的辐射能量的细微变化，进而推断出地表物体的特征。
遥感遵循着电磁辐射与物体相互作用的基本原理。
电磁辐射具有波粒二象性，通过空间传播的波动性特征可以用电磁波的频率、波长等来表征，而通过微观粒子（光子）与物质的相互作用则体现了粒子性特征。
遥感仪器主要使用光学器件、多光谱成像仪、红外传感器以及雷达和卫星等设备来检测和记录这些电磁辐射能量。
遥感技术可广泛应用于地球环境监测、土地利用与覆盖变化、资源勘探、自然灾害监测等领域。
通过分析遥感图像，可以提供大范围、多源、高分辨率的地表信息，帮助科学家们获取地理空间数据，进行地球科学研究，并为资源管理、环境保护和人类社会发展等提供支持。
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。
大气遥感第一章：大气遥感
4
学科体系
5
学习、研究的意义
❖ 辐射是地气系统与宇宙空间能量交换的唯一方式 ❖ 数值天气预报中需要定量化考察大气辐射过程 ❖ 辐射传输规律是大气遥感的理论基础 ❖ 气候问题——辐射强迫
r2
如：对表面积为
4πr2的球，
它的立体角为4πsr。
35
立体角
❖ 以发射体为中心的球坐标中，立体角定义为：
d rd rsind
d
d
r2
sin d d
❖ 是极坐标中的天顶角[0，90]
❖ 是方位角[0,360]
36
常用辐射量
辐射能量 Q 电磁辐射是具有能量的，它表现在：
• 使被辐照的物体温度升高 • 改变物体的内部状态 • 使带电物体受力而运动 ……
Lord Rayleigh
英国物理学家 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。
11
简史—现代大气辐射学的理论基础
Gustav Mie (1868-1957) 德国物理学家 1908：Mie theory 米散射理论
性实际正是电磁辐射本质在不同方面的表现。
26
1.1.2 辐射的物理本质
自然界一切物体都时刻不停地以电磁波（电 场和磁场的交变波动）的形式向四周传递能 量，同时也接收外界投射来的电磁波，这种 能量传递的方式称为辐射。 以这种方式传递的能量，称为辐射能。
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? ? L ? 1
? 2?
L(? ,? )sin ? d? d?
4? 0 0
若辐射是轴对称的，则上式为
? 1
L?
?
L (? ) sin ? d ?
20
由L（n）=?3Q/?A?t?? =?2? /?A?? =?F/?? 式辐射通量 密度与辐射率的关系为
?? ?? ? 2? r
? 2? r
F ? ?0 ?0 L s cos? d? ? ?0 ?0 L s cos? sin? d? d?
? n= ?/n波在介质的波长。
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=102厘米（cm）=103毫米（mm）=106微米（? m） =109纳米（nm）
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； 而波长较短的r、x射线，其粒子性表现明显。 电磁辐射在空间传播时，常显示出波动性质； 电磁辐射的吸收和发射时，显示出粒子的性质。
二.基本辐射量
▲ 辐射能（Q):指电磁波携带的能量或物体发射辐射的全部
辐射源在某一方向上单位立体角内的面积
的辐射通量。
I=?? /??
若各向同性则I=? /4?
单位:瓦/球面度（W/Sr）
▲ 辐射率（辐射亮度） (L)：在单位时间内通过 垂直面元法线方向上单位面积、单位立体角的辐 射能。
在垂直法线方向： L （n）=?3Q/?A?t?? =?2? /?A?? =?F/??
能量。
单位:焦耳（J）
▲ 辐射通量(? )：指在单位时间内通过某一表面的辐射能。
? =Q/t ? =?Q/?t 单位:焦耳/秒（J/t）
▲ 辐射通量密度(F)：指通过单位面积的辐射通量。
F=? /A F= ?? /?A
若M为出射度，E为辐照度，则
F=M=E
单位:焦耳/米2.秒（J/m2t）
▲ 辐射强度(I)：用于描述点光源的辐射特性。其定义是点
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 电磁波谱和辐射度量
一、电磁波谱
电磁波谱包括太阳辐射、热辐射无线电波等从 10-10（宇宙射） — 1010（无线电波）。
3? 1010 3? 108 3? 106 3? 104 3? 102
产生 机制 光谱区
波长 频率
可见光
近 红 外 中红外
远红外
1.5
15
750微米
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
图3-1 电磁波谱
▲ r 射线： 波长10-11 —10-4nm，生成：放射性元素蜕变，特征：几 兆电子伏特。
1、电磁波段的划分
太阳 地球大气
辐射
电离
电磁振荡
电子跃迁
分子振动转动
宇 宙 射
r 射 线
紫可 红
外 线
见
外
亚毫 分 厘 毫米 米 米 米波 波 波 波微 波
超 短中 长
短 波
波波
波
线
X 射线
光线
无线电波
迟缓电振荡
1纳米
1微米
1厘米
1米
3? 1022 3? 1020 3? 1018
3? 1016 3? 1014 3? 1012
▲ 红外线：波长0.76 —1000 ? m，生成：分子、原子的振动转动，特 征：与温度有关。
▲ 微 波：波长：1毫米 —30厘米。大于30厘米的波称无线电波。
2、电磁波各参数的关系和使用单位
▲ 参数：? 波长 ? 波数（1厘米长度内含有的波数目）
f 频率 c 光速=3? 1010厘米/秒。
V=f ? 波在介质中的速度。
▲ x 射线： 波长0.0045 —10-5? m，生成：原子内部的电子从激 发态 恢复到稳态，特征：波长短，频率高能穿透密 度很大的 物质。
▲ 紫外线：波长0.35 —10-5 ? m，生成：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，生成：原子内部的电子状态，特征： 对人眼有特殊的刺激。
▲辐射体 黑体：指在任何温度、对任意方向和任意波长，其
吸收率（或发射率）都等于1的物体。 a(λ )≡1
灰体：指其吸收率与波长无关，且为小于1的常数的 物体。
如果对面元的单面立体角（半球空间）进行积分， 就得单面辐射通量密度
? ? ??r ? /2 2?
F?
L s cos? sin ? d? d?
00
如果L与?，? 无关，即在各向同性的情况下，上式 又可以写成
F=? L
▲ 发射率（比辐射率）（ε ）：指辐射体的出射度M?与同
一温度下的黑体的出射度M的比值。
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，就一定有质量m和动量p。
m=Q/c2=hf/c2
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
在S方向： L （s）=?3Q（?）/?A?t?? = ?3Q（?）/?A?t?? cos?
n
?
dA
?
s dω
如果面源的辐射率与方向无关，则称各向同性,这样的 源称朗伯源。辐射率不是位置的函数,则它是均匀的。如果 面源很小，可以当作点源，它在? 方向的辐射亮度就为
L（? ）=L? Acos? =L0cos? 如果考虑整个空间，则对所有角求积分，且除以4? ， 就得平均的辐射率
ε =M?/M
ε 介于0~1之间。由于辐射体发射的辐射随波长而变 ，所以发射率也是波长的函数，写为ε （? ）。对于? 1~?2
波长间隔的发射率为
??
??2 ? (? ) M (? )d ? ?1 ??2 M (? )d ? ?1
ε ?：与辐射表面成?角方向的发射率
ε n：辐射表面法线方向的发射率
三.辐射基本定律