卫星气象学

太阳常数：指在不考虑大气作用，在平均日—地距离处，垂直于太阳入射的表面上接收到太阳的辐照度。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,通过探测器接受来自被测物体(目标物)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.星下点：是指卫星与地球中心的连线在地球表面上的交点，用经纬度表示。由于卫星运动和地球的自转，星下点在地球表面形成一条连续的运动轨迹，这一轨迹称为星下点轨迹。截距：由于卫星绕地球公转的同时，地球不停地自西向东旋转，所以当卫星绕地球转一周后，地球相对卫星转过的度数称之为截距。可见截距是两个升交点之间的经度差。大气窗：通常把电磁波通过大气层时较少被反射、吸收或者散射而透过率较高的波段称做大气窗。太阳同步卫星轨道(极轨卫星轨道)：指卫星的运行的轨道平面与太阳始终保持固定的取向，由于这种卫星轨道的倾角接近90°选择性辐射体：如果物体的吸收率(或发射率)随波长而变，则这物体称做选择性辐射体黑体是指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l，这种物体称为黑体。黑体：液态水、新雪；灰体：陈雪、冰；选择性吸收体：液态水云、卷云、土壤、草地、沙漠、森林、混凝土、城市；辐射平衡：如果一个物体在某一温度从外界得到辐射能，恰等于物体因辐射而失去的辐射能，则该物体的热辐射达到平衡，而温度保持不变，这一热辐射过程称做平衡热辐射或辐射平衡。局地热力平衡：可设想大气中存在如下状态：在这个状态中，气体的每一体积元量犹如处在热力平衡状态中(对这个体积温度而言)，这样的平衡称局地热力平衡。基尔霍夫辐射定律：指的是在同样的温度下，各种不同物体对相同波长的单色辐射出射度与单色吸收比之比值都相等，并等于该温度下黑体对同一波长的单色辐射出射度。大气的散射效应：主要起因于大气中悬浮的气溶胶粒子，如尘埃、水滴、冰晶等对电磁辐射的散射作用，它将使辐射在大气中传输时改变方向，散射过程中辐射能量将在空间重新分配，分配方式与辐射波长、粒子尺度和形状以及粒子的折射率有关。散射作用：太阳辐射在长波过程中遇到小微粒而使传播方向改变，并向各个方向散开。改变了电磁波的传播方向；干扰传感器的接收；降低了遥感数据的质量、影像模糊，影响判读。大气散射集中在太阳辐射能量最强的可见光区。因此，散射是太阳辐射衰减的主要原因。瑞利散射：当微粒的直径比辐射波长小得多时，此时的散射称为瑞利散射。瑞利散射的强度随着波长变短而迅速增大。紫外线是红光散射的30倍，0.4微米的蓝光是4微米红外线散射的1万倍。瑞利散射对可见光的影响较大，对红外辐射的影响很小，对微波的影响可以不计。米氏散射：当微粒的直径与辐射波长差不多时的大气散射。云、雾的粒子大小与红外线的波长接近，所以云雾对对红外线的米氏散射不可忽视。无选择性散射：当微粒的直径比辐射波长大得多时所发生的散射。符合无选择性散射条件的波段中，任何波段的散射强度相同。滴、雾、尘埃、烟等气溶胶常常产生非选择性散射。亮度温度Tb：如果物体发射的辐射亮度（辐射强度）与温度为Tb的黑体辐射亮度温度相等我们称黑体的温度Tb为该物体的亮度温度。卫星云图的增强处理是对灰度或辐射值进行处理，通过灰度变换，将人眼不能发现的目标物细微结构清楚地表示出来。行星反照率:地球-大气系统的反照率称为行星反照率，它表示射入地球的太阳辐射被大气、云及地面反射回宇宙空间的总百分数。空间分辨率：这是指卫星在某一时刻观测地球的最小面积灰度分辨率或温度分辨率：在红外或可见光云图上，当两个瞬时视场内目标物的温度或反照率，能够分辨的最小温度差或反照率差值称之温度分辨率或灰度分辨率。时间分辨率：是指卫星对同一地区观测的时间间隔。主动雷达：测雨雷达云剖面雷达CPR云廓线雷达。涡旋云系:是一条或多条不同云量和云类的螺旋云带朝着一个公共中心辐合形成的。近极地太阳同步卫星轨道的定义及其优缺点：指卫星的运行的轨道平面与太阳始终保持固定的取向，由于这种卫星轨道的倾角接近90°，卫星近乎通过极地，所有又称它为近极地太阳同步卫星轨道，通常简称极地轨道，极地卫星几乎以同一地方时（只对轨道的升段或降段）经过世界各地优点：①轨道预告、资料接收定位都十分方便；②极轨卫星可观测全球，尤其是极地区域；③能得到稳定太阳能，保障卫星正常工作。缺点：①时间分辨率低，对某一地区的观测时间间隔长，一颗极轨卫星的每天只能对同一地区观测两次，不能满足气象观测要求，不能监视生命短、变化快的中小尺度天气系统；②相邻两条轨道的观测资料不是同一时刻的，需要进行同化。1、极轨卫星和静止卫星的观测特点是什么？优缺点。（1）极轨卫星（太阳同步轨）1）优点有：①由于太阳同步轨道近似为圆形，轨道预告、接收和资料定位都很方便；②有利于资料的处理和使用；③太阳同步轨道卫星可以观测全球，尤其是可以观测两极地区；④在观测时有合适的照明，可以得到充足的太阳能。2）缺点是：①可以取得全球资料，但观测间隔长，对某—地区，一颗卫星在红外波段取得两次资料；②观测次数少，不利于分析变化快，生命短的中小尺度天气系统。③相邻两条轨道的资料不是同一时刻，这对资料的利用不利。(2)静止卫星1）优点：①是卫星高度高，视野广阔，一个卫星可对南北70°S--70°N，东西140个经度，约占地球表面1／3；②是可以对某一固定区域进行连续观测，约半小时提供一张全景圆面图；③是可以连续监视天气云系的演变，特别是生命短，变化快的中小尺度天气系统。2）不足是：①它不能观测南北极区。②由于其离地球很远，若要得到清楚的图片，对仪器的要求很高。③卫星轨道有限。2、什么是可见光云图？有什么特征？可见光云图是卫星扫描辐射仪在可见光谱段测量来自地面和云面反射的太阳辐射，如果将卫星接收到的地面目标物反射的太阳辐射转换为图像，卫星接收到的辐射越大就用越白的色调表示，而接收到的辐射越小则用越暗的色调表示，就可得到可见光云图。特点：1、反照率对色调的影响，在一定的太阳高度角下，反照率越大色调越白，反照率越小，色调越暗（1）水面反照率最小，厚的积雨云最大（2）积雪与云的反照率相近，仅从可见光云图上色调难以区分（3）薄卷云与晴天积云，沙地的反照率项接近难以区分2、太阳高度角对色调的影响，太阳高度角决定了观测地面照明条件，太阳高度角越大光照条件越好，卫星接收到的反射太阳辐射也越大，否则越小3、什么是红外云图？有何特征？(1).卫星在红外波段选用的通道有：3．55—3．93微米和10.5—12.5微米。把3.55—3.93微米通道云图称短波红外云图，而把10.5—12.5微米通道云图称长波红外云图。被测物体温度越高，卫星接收的辐射越大，温度越低，辐射越小。将这种辐射转换成图象，辐射大温度高用黑色表示，辐射小温度低用白色表示。即为一张黑白色红外云图。红外云图是一张物体的亮度温度分布图，而不是实际的温度分布图。(2).红外云图的特点红外云图上地面、云面色调随纬度和季节而变化。黑赤道白极地，地面和云面温度向高纬度地区递减，在高纬度，云面和地面的温度相近不容易区分。2：红外云图上水面和路面色调的变化。海温和陆温。在白天陆地上干燥的地表温度变化大，色调变化也大。潮湿或有植被覆盖的地方，色调变化小。4、什么是水汽图像？有何特征？(1)红外波段5．7—7．3微米是水汽强吸收带，中心波长约为6．7微米。卫星在这一吸收带测得的辐射主要是大气中水汽发出的。将卫星在这一波段测得的辐射转换成图象就得到水汽图，通常在水汽图上色调愈白，表示水汽越多，色调越黑，水汽越少。(2)水汽图象的基本特征：①在水汽图上积雨云和卷云的表现十分清楚。②难以在水汽图上看到地表和低云。③在水汽图上水汽的表现远比在红外云图上的云区宽广。④在水汽图上色调浅白的地区是对流层上部的湿区，色调韦黑区是大气的干区。卫星云图的增强处理：反差增强：它是使原来两个灰度差异很小的像素点，扩大其灰度范围，即突出像点间的灰度差异，使黑的更黑，白的更白，从而区别它们。分层增强分层增强是将图像上各灰度值，按其需要将其合并或分解成若干等级间隔，对每个间隔赋予一个灰度值，这样每一个像素的灰度由其本身落入那个间隔的、所给定的灰度值来确定。5、红外云图上海陆色调有什么变化？在冬季中高纬地区，海面温度高于陆面温度，因此海面的色调比陆面的要暗，但是到夏季，陆面温度要高于海面温度，特别是在我国北方沿海地区，春末夏初白天陆地增温快，如山东半岛地区就表现为较暗的色调。如果陆地与水面的温度相近，则他们的色调相近，水陆界限也不清楚。在白天的陆地上，干燥地表的温度变化大，其色调变化也大；潮湿或有植被覆盖的地区，温度变化较干燥的地区小，故其色调变化也小。6、卫星云图上识别云的主要依据是什么？在卫星云图上识别云，一般是根据云的六个基本特征来判别，这六个特征是结构型式、范围大小、边界形状、色调、暗影和纹理。(一)、结构型式：(二)、范围大小：(三)、边界形状：(四)、色调（亮度）：色调也称亮度或灰度，它指的是卫星云图上物象的明暗程度不同通道云图上色调代表的意义也不同。在可见光云图上的色调与反照率、太阳高度角有关。对云而言，色调与云的厚度、云中粒子性质和云面光滑程度有关，一般说来，云的色调随云的厚度加大而变白，在云厚和照明条件相同的情况下大水滴的云要比冰区白，大而厚的积雨云最白；水面的色调决定于水面的光滑程度、含盐量、混浊度和水层的深浅，一般说来，光滑的水面表现为黑色，水愈混浊和水层愈浅，其色调愈浅。在红外云图上，物象色调决定于其本身温度，并随物象温度变低而变白。(五)、暗影：暗影是指在可见光图像上，在一定太阳高度角之下，高的目标物在低的目标物上的投影，所以暗影都出现在目标物的背光一侧。暗影可以出现在云区里面或云区边界上，表现为一些细的暗线和斑点。(六)、纹理：纹理是用来表示云顶表面光滑程度的一个判据。7、卫星云图上卷状云、层状云、积状云的基本特征是什么？（1）卷云的一般特点卷云的高度最高，由冰晶组成，具有透明性，反照率低，在可见光图像上呈现淡灰色到白色不等，有时还可透过卷云看到地面目标物。由于卷云的温度比其它云都要低，在红外图像上表现为白色，与地表、中低云间形成明显的反差。在水汽图像上卷云是白亮的。（2）层状云：在可见光云图上，表现为一片光滑均匀的云区，尺度范围大。在可见光云图上，色调从灰色到白色，且边界光滑整齐清楚，受地表影响较大。（3）积状云表现为云带、云线和细胞状结构，纹理为多皱纹、多起伏和不均匀。边界不整齐不光滑，在可见光云图上是白色。8、可见光和红外云图上地表特征如何识别？可见光云图上，地表的色调主要取决于反照率而反照率又与土壤湿度、粗糙度、土壤类型及粒子大小和覆盖于地表上的植被等有关。一般情况下，陆地表面呈现淡灰到深灰。红外云图上，陆面的色调决定于地表的温度分布，地表温度越高，色调越暗，否则越浅。目标物间的温度差异越大，目标物边界处的温度梯度越陡，则越容易区别它们。另外，陆面的色调也随纬度、季节和昼夜变化。9、卫星云图上能识别出哪些天气尺度的云系？1带状云系：是一条大体上连续、具有明显的长轴且其长宽之比至少为4：l的云系。2涡旋云系：是一条或多条不同云量和云类的螺旋云带朝着一个中心的云系3逗点云系：形如逗号的云系。。4斜压叶状云系：气象卫星图像上，与高空西风急流中的锋生相联系的一种植物叶片状云型。5变形场云系：6细胞状云系：卫星图像上的形似细胞状的云称作细胞状云系。10、各种云系与天气系统有何关系？1带状云系：急流、锋面、赤道辐合带都表现为带状云系；2涡旋云系：台风和气旋（锋面气旋的后期变为涡旋云系）；3逗点云系：高空槽前逗点云系，锋面气旋的初期，高空槽正涡度平流，高空急流；4斜压叶状云系：西风带中的锋生区和气旋生成有关；5变形场云系：高空急流、锋面、高空槽线、正涡度平流；6细胞状云系：对流活动强、急流轴。12、冷暖锋云系的主要特征是什么？（1）冷锋云系：活跃的冷锋表现为一条长达数千公里的完整云带，它常与一个涡旋云系连接在一起，云带向南凸起，呈气旋形弯曲，其气旋形弯曲的曲率表示=冷风后冷空气推进的方向和强度，一般曲率越大冷空气强度越大。云带位于高空槽前，暖湿