卫星气象学

《卫星气象学》第一章1、卫星常用的通道和相关的观测目的可见光：白天云/地表特征，大气污染近红外：水体边界、冰雪融化、植被短红外：高精度海温、火山、森林火灾、夜间情况长红外：海温、日、夜云2、何谓遥感？遥感就是在一定距离之外，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。第二章1、卫星运动三定律第一，卫星运行的轨道是一圆锥截线（圆锥被一平面所截出的曲线，可以是圆、椭圆、抛物线），地球位于其中的一个焦点上。第二，卫星的向径（卫星与地心连线）在相等的时间内，在地球周围扫过的面积相等。第三，卫星轨道周期的平方与轨道半长轴的立方成正比。2、风云系列卫星风云2系列卫星属于静止卫星风云1系列卫星属于极轨卫星3、卫星入轨速度卫星在地面入轨时所需要的最小速度是第一宇宙速度。地面发射一颗行星所需的最小速度是第二宇宙速度。卫星脱离太阳系进入银河系的速度为第三宇宙速度4、静止卫星和极轨卫星的优缺点。静止卫星作为一个气象观测平台有许多优点：①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约1.7亿平方公里进行观测；②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，特殊需要时，3—5分钟对某小区域进行一次观测；③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。把间隔为5分钟的图片连接成电影，可以连续观察天气云系的演变。静止卫星的不足是：①它不能观测南北极区。②由于离地球很远，若要得到清楚的图片，对仪器的要求很高。③卫星轨道有限。太阳同步轨道的优缺点太阳同步轨道的优点有：①太阳同步轨道近似为圆形，轨道预告、资料接收定位都很方便；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。太阳同步轨道的缺点是：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。第三章1、大气窗通过大气的太阳辐射或地球大气辐射将被大气中某些气体所吸收，这些吸收随波长的变化很大，在某些波段的吸收很强，而在另一些波段的吸收则很弱，在这些吸收最弱的波段，太阳辐射和地球大气辐射可以象光通过窗户那样透过大气，这些波段称做大气窗。第四章1、气象卫星探测的分辨率卫星在某一时刻观测地球的最小面积，以最小面积的直径表示的是空间分辨率。在卫星云图上能分辨的最小温度差或反照率差值就是温度分辨率或灰度分辨率。卫星对同一地区观测的时间间隔就是时间分辨率。2、可见光云图的观测特点和原理卫星主要接收来自地面、云面对太阳辐射的反射辐射，对地面、云面和大气的散射辐射可忽略不计。若把这些波段测到的辐射转换成图象就得到可见光云图。卫星观测到的辐射与物体反照率和太阳天顶角有关。如果太阳天顶角越小和目标物反照率越大，卫星接收的辐射就越大，反之亦然。把接收的辐射转换成图象，辐射越大用越白的色调表示，辐射越小用越黑的色调表示，在一定的太阳天顶角下，反照率越大，其色调越白，而反照率越小，色调就越暗。3、可见光云图中，卫星观测到的辐射与哪些因子有关？卫星观测到的辐射与物体的反照率和太阳天顶角有关。4、红外云图的特点红外云图的观测中，卫星接收的辐射只与温度有关，温度越高，接收到的辐射越大，色调越暗，反之，温度越低，接收到的辐射越小，色调越白。5、红外云图色调的特点冬季中高纬度地区，海面的温度高于陆地温度，所以海面的色调比陆面要暗。夏季相反。红外云图上，从赤道到极地，色调越来越变白。6、水汽图的观测原理和特点红外波段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。7、根据判据如何判断云系？各种云系有不同的特征，六种判据分别包括结构型式、范围大小、边界形状、色调、暗影和纹理。8、各类云的识别在可见光云图、红外云图和水汽图上，色调最白的是积雨云。卫星云图上无法区别层云和雾，原因是卫星无法判断云底是否到达地面。第五章1、高空槽前的边界的类型有哪些？平行急流边界；“斜压叶”边界；干涌边界；底涌边界；内边界；回流边界2、水汽云图上的边界包括伴随头阻塞出现的头边界和内边界，与干冷空气活动有关的干涌边界和底涌边界，与急流有关的急流水汽边界，斜压叶水汽边界，回流边界。3、大尺度云系的分析卫星云图上，常见的与高空斜压区相联系的云系是表现为“叶子状”的云型，是斜压叶状云系。在连续的静止卫星云图上观测到的与变形场相联系的云系是变形场云系。卫星云图上形如逗点负号的云系是逗点云系。4、何谓水汽头边界？水汽图上边界整齐光滑，向上游一侧凸起，一侧为里冷的湿区和高云区，另一侧为狭窄的干黑带。5、冷暖锋云带冷锋云带以气旋性曲率弯曲。暖锋云带以反气旋性曲率弯曲。《雷达气象学》第一章1、雷达截面的意义以入射波能流密度乘上雷达截面，得到一个散射粒子的总散射功率；当散射粒子以这个总功率作各向同性散射时，散射到天线处的功率密度正好等于该粒子在天线处造成的实际的后向散射能流密度。雷达截面的大小反映了粒子所造成的后向散射的大小。2、雷达反射率单位体积内全部降水粒子的雷达截面之和。反映了单位体积内一群云、雨滴在天线处造成的回波功率的大小。3、雷达反射率因子雷达反射率因子为Z的大小只取决于云、雨滴谱的情况，与粒径的6次方成正比少数大粒子将提供散射回波功率的绝大部分。它是判别回波强弱的根据。4、雷达电磁波特征雷达不是连续发射电磁波而是每隔一定的时间作一次短时间的发射。第二章1、电磁波的衰减电磁波能量沿传播路径减弱的现象，称为衰减。衰减是吸收和散射两种作用的总和。造成衰减的物理原因，是因为当电磁波投射到气体分子或云、雨粒子时，一部分能量被散射，另一部分能量被吸收而转变为热能或其它形式的能量，从而使电磁波减弱。2、吸收雷达波的大气气体主要是水汽和氧气。第三章1、如何去除雷达回波的起伏现象？相对雷达的位置随时随地地作不规则运动，回波存在起伏现象。可以在大量粒子彼此独立，并且在空间作无规则分布的情况下，只要测定的时间足够长，总的回波功率的时间平均值等于各个粒子的回波功率之和。2、天线的增益G的物理意义是什么？物理意义是：由方向性天线把辐射能量集中到一个方向上，使这个方向上的辐射能流密度增加了G倍，这就好像天线发射功率增加了G倍。第四章1、折射指数随高度变化的几种形式以及各种高折射产生的条件。包括标准大气折射；临界折射；超折射（大气波导传播）；无折射；负折射。2、等效地球半径设想地球半径加大到某一数值Rm’时，使得Rm’为半径的球面上沿直线传播的超短波的最大探测距离和真实地球表回上沿折射曲线轨道传播的最大深测距离相同，则Rm’就称为等效地球半径。3、超折射当波束路径的曲率大于地球表面的曲率时，即雷达波束在传播过程中将碰到地面，经地面反射后继续向前传播，然后，再弯曲到地面，再经地面反射，重复多次，雷达波束在地面和某层大气之间，依靠地面的反射向前传播，与波导管中的微波传播相似，故称大气波导传播，又称超折射。第五章1、何谓亮带混合型降水—雨与雹、雪或是冻雨混合，会产生大的反射率因子值，引起降水率的过高估计。当冰晶下落通过溶化层时，它们的外表面开始溶化。正好位于溶化层（0°层面）下面，这些包着水外衣的冰晶反射率因子是高的，产生增强的雷达信号，在PPI上象弧形结构，在常规天气雷达上叫做“亮带”。2、雷达定量测量降水的常用方法雷达定量测量降水的方法有好几种，其中日常工作中最常用的是Z-I关系法。第六章1、最大不模糊距离与距离折叠最大不模糊距离：最大不模糊距离是指一个发射脉冲在下一个发射脉冲发出前能向前走并返回雷达的最长距离。距离折叠是指雷达确定的目标物方位是正确的但距离是错误的。当目标物位于雷达最大不模糊距离之外时会发生这一现象，也就是说，目标物的定位是模糊的。换句话说，当目标物位于雷达的最大不模糊距离（Rmax）之外时，雷达却把目标物显示在Rmax以内的某个位置，我们形象地称之为‘距离折叠’。2、最大不模糊速度与速度模糊如何理解？最大不模糊速度Vmax：最大不模糊速度是雷达能够不模糊地测量的最大平均径向速度，其对应的相移是180度。速度的可能值v-2nVmax或v+2nVmax，无法指示出目标物的正确速度，即速度模糊。3、多普勒效应当接收者或接收器与能量源处于相对运动状态时，能量到达接收者（器）时频率的变化。4、多普勒两难是什么？最大不模糊速度Vmax：最大不模糊速度是雷达能够不模糊地测量的最大平均径向速度，其对应的相移是180度。最大不模糊距离Rmax：最大不模糊距离是指一个发射脉冲在下一个发射脉冲发出前能向前走并返回雷达的最长距离。二者都与PRF有关，由于没有唯一的PRF能使得Vmax和Rmax都能达到最大，所以要使用变化的PRF。这就是多普勒两难。5、解决测速模糊的方法是什么？用双脉冲重复频率扩展多普勒雷达可测速区间；用退折叠技术消除多普勒速度的折叠。第七章1、晴空回波雷达在大气中的无云区，或由不可能被探测到的很小粒子所组成的云区内探测到的回波。2、非气象回波指那些回波？这类回波形成的直接来源是地物、飞机等非气象目标物对电磁波的反射以及由于雷达的性能而引起的虚假回波。但在这类回波中，有些回波的出现也和气象条件有关，如海浪回波的强弱与海面上大风强度有关，超折射间波和大气中逆温层的存在有关。这类回波包括：地物回波、超折射回波、同波长干扰回波、飞机、船只等的回波、海浪回波、由天线辐射特性造成的虚假回波。3、圆点状回波雷达回波显示器上表现为离散的小亮点，主要是由鸟和昆虫所造成，这类回波称为圆点状回波。4、脉冲多普勒天气雷达径向速度场分析从哪些方面考虑多普勒径向速度场基本特征的研究，可按零径向速度线；朝向雷达分量(负)、离开雷达分量(正)范围、分布及中心；强多普勒径向速度梯度带三个方面进行分析。5、冰雹云的雷达回波特征是什么？冰雹云出现在超级单体风暴云里，此概念模式，就是倾斜上升气流把云滴迅速带到摄氏－40度高度后，才能增大到雷达波能探测的尺度。因此上升气流区下方就成为缺少雷达回波的“穹窿”结构。穹窿区内为由肉眼可看到由小水滴组成的厚密暗黑的云，最大的冰雹是落在环绕“穹窿”边缘的地带，常伴有强风，局地暴雨，下击暴流，甚至龙卷。若以不同仰角探测超级单体风暴云的回波特征，可能出现钩状回波、空洞回波（无回波穹隆）、指状回波。在PPI强度回波图上，冰雹云有四种主要特征：钩状回波与指状回波、V形缺口回波和喷焰回波。6、零度层亮带形成的原因（1）融化作用，层状云中的冰晶或雪花下降到摄氏零度层以下，融化成水滴，介电常数增大，使回波强度增强约5倍左右。（2）碰并聚合效应，粒子在下降融化过程中，有强烈碰并聚合作用，使粒子直径增大，散射能力也增大。图中表示各个因子对零度层亮带形成的贡献的估计。（3）速度效应，冰晶或雪花当完全融化后，由于表面张力的作用，迅速转变成圆球形水滴，降落速度增加，从而使单位体积内降水粒子数目减少，导致总散射能力减小，于是亮带以下回波强度减弱。（4）粒子形状的作用，冰晶或雪花在下降融化过程中，常不呈球形，绝大多数情况下，非球形粒子的散射能力比球形粒子大。四种作用总和可使散射返回雷达接收机的能量增加。由图可以看到总效应使亮带中心的反射因子比其上部干的冰晶、雪花大20倍，比其下面的雨滴的反射因子也大好几倍，因而就形成亮带。雷暴消散阶段，降水性质从对流性逐步转化为层状云降水时，也可能观测到零度层亮带。在PPI和RHI上出现完整的零度层亮带，它是层状云连续性降水7、典型流场的PPI多普勒径向速度模式（1）风向不变,风速随高度变化的各种图象风向若在所有高度上保持一致，那么其多普勒速度图象中就总有一条直的零值带，图象的其他部分就反映了风速的垂直廓线。风速若不随高度变化，是个非零常