气象卫星总复习.doc

第2章 卫星的运动和气象卫星
l 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。
l 升交点与降交点：卫星由南半球飞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。
l 轨道倾角(i)：指赤道平面与轨道平面间的（升段）夹角。
l 周期(T)：指卫星绕地球运行一周的时间。
l 截距(L)：连续两次升交点之间的经度数。L=T*15度/小时。
l 星下点：卫星与地球中心连线在地球表面的交点称为星下点。
l 轨道数：指卫星从一升交点开始到下一个升交点为止环绕地球运行一圈的轨道序数。
l 近极地太阳同步卫星轨道（LEO)：卫星轨道面与太阳的相对取向保持不变，即，卫星几乎以同一地方时（升段或降段）经过世界各地。
优点：（1）轨道为圆形，轨道预告、接收和资料定位方便；（2）可实现包含极地的全球观测；（3）在观测时有合适的太阳照明，有利于资料处理和使用；（4）仪器可以得到充分的太阳能供给。
缺点：（1）对中低纬度同一地点观测的时间间隔太长（相对于GEO)，不利对中小尺度天气系统的监测；（2）相临两条轨道的观测资料时间差达100多分钟，拼图不利。
l 地球同步/静止卫星轨道（GEO)：卫星的倾角等于0，赤道平面与轨道平面重合，卫星在赤道上空运行；卫星周期正好等于地球自转周期（23小时56分04秒）卫星公转方向与地球自转方向相同。卫星相对于地球而言是静止的（没有任何方向上的运动）。
特点：①轨道倾角i=0°，地球赤道平面与卫星轨道平面重合；②卫星运行方向与地球自转方向相同；③ 轨道偏心率e=0，即轨道是圆形；④ 卫星运行周期T=23小时56分04秒。 H=[（μ/4π2）T2]1/3-R= 35860（Km） V=[μ/（R+H）]1/2=3.07（千米/秒）
优点：（1）高度高，视野广；（2）对同一地区连续观测；（3）监视中小尺度天气系统；（4）圆轨道，定位、处理、接收方便。
缺点：（1）不能观测两极；（2）高度高，精度难提高。

第3章 气象卫星遥感大气的基本原理
l 辐射能（Q):指电磁波携带的能量或物体发射辐射的全部能量。单位:焦耳（J）
l 辐射通量(φ)：指在单位时间内通过某一表面的辐射能。φ=Q/t=∂Q/∂t 单位:焦耳/秒（J/t）
l 辐射通量密度(F)：指通过单位面积的辐射通量。F=φ/A =∂φ/∂A 单位:焦耳/米2.秒（J/m2t）
l M出射度：指辐射体表面发射出的辐射通量密度
l E辐照度：指投射到一表面上的辐射通量密度 F=M=E
l Radiance(辐射率,辐亮度）(L)：一个面辐射源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。单位：瓦·米－2·球面度－1（ W.m-2.Sr -1） 
l 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
l Emissivity(发射率,比辐射率,ε）：指辐射体的出射度M’（辐射通量密度）与同一温度下黑体的出射度M的比值 ε=M’/M ， ε∈[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(λ)。
l 灰体：指其吸收率与波长无关，且为小于1的常数的物体。a(λ)=C<1
l 选择性黑体：指其吸收率随波长而变的物体。a = a(λ)
l 辐射平衡：指一个物体在某一温度从外界得到的辐射能量正好等于本身热辐射而失去的能量，使物体温度保持不变的辐射过程。  
l 普朗克定律：普朗克函数将发射的单色强度与物质的温度和频率联系起来；黑体的辐射强度随温度的升高而增大，但最大辐射强度的波长却又随温度的升高而减小。
l 维恩位移定律：1.通过测量最大单色辐射强度来确定黑体的温度。 2.注意λmax与T呈反比。
l 斯蒂芬-波尔兹曼定律：黑体表面发射的全波长通量密度与T4成正比。
l 基尔霍夫定律：1、一物体在一定温度下发射某一波长的辐射，则该物体在同 一温度下吸收这种波长的辐射。2、一个良好的吸收体，在同一温度下、相同波长处，也一定是一个良好的发射体；反之亦然。
l 亮度温度（Tb）: 在给定波长处，如果物体的辐射亮度Lλ（T）与温度为Tb的黑体辐射亮度相等，即Lλ（T）=Bλ（Tb）则称Tb为该物体的亮度温度。亮度温度（Tb）又称等效黑体温度或辐射温度。由于Bλ（T）> Lλ（T） =Bλ（Tb），所以Tb < T。
l 透过率：在仅考虑吸收的情况下，分谱透过辐射Lλ与分谱入射辐射L λO之比称为辐射通过介质0→l距离的分谱辐射透过率
l 大气对地球-大气辐射的吸收：地球-大气辐射在大气中传输时，受大气吸收和散射的影响。但当λ>3 μm时，雷利散射很小，可忽略。所以造成地球-大气辐射能衰减的主要原因是大气气体的吸收。
l 大气吸收带：太阳或地球-大气的辐射在大气中传输时被大气中的某种气体所吸收。吸收随波长变化很大，在一些波段吸收很强，在另一些波段吸收很弱或没有吸收。对辐射吸收很强的波段就称为该气体的吸收带；
l 大气窗：太阳或地球-大气的辐射在大气中传输时被大气中的某种气体吸收很弱或没有吸收的波段称为大气窗（因为这些波段的辐射可以象光通过窗户那样透过大气）。
l 气象卫星接收到的辐射包括： ① 地面和云面发射的红外辐射；② 地面和云面反射的太阳辐射；③ 地面和云面反射的大气向下的红外辐射；④ 大气各成分发射的红外辐射 ；⑤ 大气对太阳辐射的散射辐射
l 权重函数的定义：某高度处大气透过率随高度的改变率，它表示高度p处大气发射的辐射到达卫星的权重
l 图象灰阶规则：VIS：反射强,辐射测量值大，用白色表示，如厚云区；反之，用黑色表示。IR：温度低, 辐射测量值小，用白色表示，如厚云区；反之，用黑色表示。
l 可见光云图观测原理
在一定的太阳天顶角θ日下，物体反照率rsλ越大，卫星观测到的辐射Lλ(θs）就越大，在云图上色调就越亮； 而rsλ越小， Lλ(θs）就越小，卫星云图色调就越暗。（辐射大用白色表示；辐射小用黑色表示）；
在反照率rsλ相同的条件下，太阳天顶角θ日越小（太阳高度角越大），卫星观测到的辐射Lλ(θs）就越大，卫星云图的色调就越亮； θ日越小， Lλ(θs）就越小，卫星云图的色调就越暗。
l 可见光(0.5-0.6微米)云图的特征
1.在一定的太阳高度角下，物体的反照率越大，它的色调就越白；反之，就越暗。云的反照率决定于云的厚度和相态。水面反照率一般小于陆地，但镜面反射除外。
2.太阳高度角越大，它的色调就越暗；反之，就越白。故有色调日变化、季节变化等。
3.外空不反射太阳光，为黑色。 有时会看到月亮。
l 红外云图观测原理
卫星观测到的辐射Lλ(θs）与物体温度有关。 物体温度越高，卫星观测到的辐射Lλ(θs）就越大，卫星云图的色调就越暗；物体温度越低，卫星观测到的辐射Lλ(θs）就越小，卫星云图的色调就越亮。（辐射大用黑色表示，辐射小用白色表示）。
外太空：可见光黑色，辐射能小，r=0 ；红外白色，辐射能小, g=0, TB=0
l 长波红外(10.5-12.5微米)云图的特征：卫星观测到的辐射越大，云图像素色调就越暗；辐射越小，云图像素色调就越亮。即，黑灰像素：物体温度高。白亮像素：物体温度低或ε小或辐射被衰减。
1.地面色调随纬度和季节而变化。纬度越高，色调越白；夏季的色调比冬季的色调要暗（清晰）。
2.海陆色调差异的季节变化：在北半球中高纬度地区，冬季海面温度高于陆面温度，云图上海面的色调比陆面要暗；而夏季正相反。
3.云色调与云顶高度、云层厚度有关。受视场的影响;受光学路径的影响。
4. 外空热辐射近为0，为白色。
l 短波红外云图（3.55—3.93μm）
  3.55-3.93微米大气窗通道位于太阳辐射和地气辐射的重合区，在白天 Lλ(θs）包括反射的太阳辐射和地面云面发射的辐射两项，云图色调的变化较复杂，辐射大用黑色表示，增加了图象识别难度。对于地表温度遥感而言，短波红外通道在白天受太阳污染，主要在夜间测温。
l 水汽图观测原理
  大气中水汽含量越大，对其下发出的辐射吸收就越强，到达卫星的辐射就越小。所以，水汽图色调越白，表示水汽越多。反之，色调越黑，表示水汽越少。
l 水汽图（6.5-7.2um）的特征：水汽含量越多，色调越白；水汽含量越少，色调越暗。

第4章 卫星资料的预处理和产品
l 卫星资料预处理
（1）数据解调、数据流分离（按通道、按数据特征）
（2）卫星资料定位数据：①象素定位：每一扫描点的位置； ②经纬网格：图象加经纬网格； ③卫星资料场的各种投影变换
（3）卫星资料定标数据（目的：得到卫星计数值与物理量的转换关系。 Ri=Si Ci+Ii 可见光，Ei=Si Ci+Ii 红外、微波 。式中 Si、Ii为定标系数， i—通道号 ， Ci 是卫星观测值， Ri是定标后反射辐射卫星遥感值，Ei是定标后红外辐射卫星遥感值。参考源：仪器内部黑体；高反射率的沙漠；宇宙空间。标定方法：制作定标曲线。实验室定标、在轨定标。）
（4）太阳天顶角θ日订正： Ec=E（θ日）/cos（ θ日）
（5）卫星天顶角θ订正------临边变暗订正 ： TBc =TB (θ) +△TB(θ)
（6）卫星资料的质量控制
（7）卫星数据库的建立： 数据库的设计和结构应考虑：全球还是区域；通道选择；分辨率, 精度；存储方式等。
（8）极轨卫星三轨拼图显示
l 云导风：是利用三张连续时次云图推导出风的信息。根据这些云图中云的移动，可以计算出不同高度层的风向和风速。

第五章 卫星云图的识别
l 卫星云图上识别云的判据：结构型式：带状、涡旋状、细胞状和波状等 ；范围大小 ；边界形状：直线、圆形、扇形和气旋性弯曲等 ；色调（亮度或灰度） ；暗影 纹理
l 卷状云（纤维状卷云、卷云砧、密卷云）：全为高云，冰晶组成；可具有一定透过率；反照率低；纹理为纤维状/条带状。
l 层状云（卷层云、高层云、雾、层云、雨层云）：与稳定的大气层结有关，带、片状;覆盖范围大；云顶表面均匀、光滑，无一定的组织；低的层状云，水滴组成，边界常与地形等高线一致。
l 积状云（积云、浓积云、积雨云、高积云、层积云、 卷积云）：是大气不稳定的表征，团状结构。尤其是Cu-Cb: 积云单体近圆形细胞状；群体结构有带状、线状、细胞状；纹理不均匀；可见光云图上常具有暗影；Cu cong-Cb会有卷云砧；积雨云的尺度差别很大。积雨云色调最白，云顶比较光滑，近圆形。

第6章 天气尺度系统和云系
l 带状云系
（1）云带：宽而连续的云型，具有清晰的弯曲或不弯曲的长轴，长宽之比＞ 4：1，且宽度＞1纬距。如：锋面、ITCZ、急流等。
（2）云线：长宽之比＞ 4：1，长30—数百公里不等，且宽度<1纬距。
（3）云盾：长宽之比≤ 4：1
l 涡旋云系：由一条或多条不同云量和云类的螺旋云带朝着一个公共的中心辐合形成，如：台风、气旋等。
l 逗点云系：形状如逗号“，”的云系。
l 斜压性叶状云系：形状如叶的宽云带，由S形后边界、逗点状头部和v形缺口的尾部构成。表示高空槽、低槽、冷锋等天气系统。S形北段主要是卷云；中段为多层云系，南段为积状云。
l 细胞状云系：直径40—80km，主要是局地热力对流产生。
开口（未闭合）细胞，呈指环、U形，大气不稳定，可发生在湿地表或洋面上积云线和对流单体之间，主要由浓积云Cu cong,Cu组成。
闭口（闭合）细胞，呈团球状，大气较稳定，主要由Sc组成。
l 波状云系：重力波引起
积状云系：山脉或半岛地形的背风坡一侧，如图。
卷云云带内：与风向垂直
l 锋面云系
1. 冷锋：活跃，不活跃 冷锋。带状，长，从顶—尾，宽—窄，连续—不连续，多层云—中低云，厚—簿，亮—暗，后边界整齐，气旋弯曲，锋面依据云形态而定。
2. 暖锋：多层云，上有卷层云，亮，前界云短而宽，反气旋弯曲，锋面多在后界。
3. 锢囚锋：多层云，厚，亮，云带气旋弯曲，锋面多在后界或内界。
4. 静止锋云系
天山静止锋：横亘天山北里，东西带状，连阴雨，锋面在南界。
昆明静止锋：西南山地以东，片状，低云为主，云顶均匀，色暗，锋面沿西南山地，连阴雨。
华南静止锋：南岭以北，东西带状、片状，低云为主，云顶均匀，色暗，锋面沿南岭山地，连阴雨。弱时云带不连续。
梅雨锋：长江流域，带状，准直线形，长数千公里，以层状云为背景，其上分布着各种大小不同强度各异的对流云团，色调差异很大，连续性降水中有暴雨，锋面在云带南界以内的云带中。
l 温带气旋云系：温带气旋云系通常由斜压叶云系、涡度逗点云系和变形场云系三部分组成，呈涡旋状、逗点状。完整的温带气旋伴有冷、暖、锢囚锋三种锋面的云带。
l 温带气旋生命史
1. 波动阶段
①移动缓慢的冷锋或静止锋云系上有波动发生，锋面云带变宽；②云区向冷气团一侧凸起（这表明西南暖湿气流在加强，出现暖锋锋生）；③云区的色调变白、中高云增多（上升运动加大）和顶部卷云表现反气旋弯曲（出现高空辐散）；云带向冷气团凸起的地方就是地面旋发展的地方。在波动阶段，云区没有涡旋结构，地面天气图上也没有环流出现，但是在卫星云图上已可确定其发生。
2. 发展阶段 　　
①锋面云带向冷区凸起部分越来越明显；②在锋面云带向冷区凸起的中高云区后部边界开始向云区内部凹，表示干冷空气从气旋后部侵入云区，干舌开始形成；③在这凹的地方出现一些不连续的断裂云系。这一阶段是气旋发展最强烈的时期，暖锋云区最宽广，降水强度最大，冷锋云带开始形成。
3. 锢囚阶段 (成熟) 　　
①螺旋云系最典型，云带可以绕气旋中心旋转一周以上；②干舌伸至气旋中心，表明水汽供应已被子切断；③涡旋云系中心与地面到500百帕高低空的低压中心相重合，表明气旋不再继续发展。
4. 消散阶段
①螺旋云带断裂，云系不完整；②云区内中高云甚少，以中低云为主，云区中出现无云区，在夏季云区是有时出现孤立的对流云小单体；③冷锋云带与螺旋云区分开，这时的螺旋云区在500百帕上一般有冷中心，地面是一个完整消散的低压。
l 高空冷涡：高空冷性涡旋，圆形、逗点状或半月形云区，云系分布不均，涡区及其附近常有造成强对流天气的对流云发展。
l 高空急流云系
1. 中高云区，带状、盾状，北边界整齐、反气旋弯曲，对应急流主轴。
2. 当卷云纹理清楚时急流风速一般³30m/s。当急流轴北边界上有横向波动生成时，表明急流很强，急流风速一般在40-50 m/s。
3. 80—90%的急流可在卫星云图上识别。
4. 急流可分为极锋急流和副热带急流。

第七章 热带天气系统的云图分析
l 热带云团：热带洋面上的Cb。~20—100平方公里。10%发展为热带气旋。
分类：季风云团、信风云团、爆米花云团；
变化特征：风暴前、发展、保守、消亡；
结构：流入层，垂直上升层，流出层。风垂直切变小、上升强，水平气旋性切变；底层辐合，水汽输入；高空辐散。
l 热带辐合带（ITCZ）云系：ITCZ是北半球夏季东北风与赤道高压北侧的西南风（季风槽）或北半球东北风与南半球东南风之间的辐合（信风槽） ，主要是积状云构成的大型云带，平行于赤道，有时呈波状、叉状。热带气旋的发源地。分活跃期和衰弱期。
l 副热带高压：强：晴空无云；弱：在晴空背景上有少量稀疏的积状云。
l 东风波云系：性质：热带波动；位置：副热带高压南侧；云类：积状云；意义：~15%可发展为热带气旋，表现形式：常为倒V形、逗点状涡旋、积云团。
l 大洋中部高空冷涡（TUTT）：位置：大洋中部（太平洋中部）；性质：高空 (200百帕)冷性气旋性涡旋；表现形式：半月形云区，中心少云或无云，积状云区分布在中心以外200—400km的东—东南—南部；意义：常为热带气旋的发展提供有利的高空辐散场，只有非常少的冷性涡旋会扰动加强为热带气旋
l 赤道反气旋：又称赤道缓冲带或赤道无风带，晴空无云；从南半球向北推进的气流经过推进、转向、切断、混合、爆发和相互作用阶段形成。
l 台风的云系结构：其中心一暗黑的无云眼区、围绕眼区的中心稠密云区、环绕稠密云区的外围螺旋云带。
l 热带气旋的生成条件：①在热带洋面上，热带云系的分布形式表明有一个初始的热带扰动， ②洋面温度>26.5度， ③离赤道5度以上， ④低空有辐合流入气流， ⑤高空有明显的辐散气流， ⑥风的垂直切变小
l 热带气旋的发展加强：①云形由不规则逐渐变圆，云系范围变大，环流中心越来越明显；②云系的偏南方向在低空有大量的对流云，以与中心云区较大交角辐合流入；③云系高空至少在大于180度的范围有由卷云羽表示的明显辐散流出；④云与移动前方的其它对流云团合并； ⑤远离极锋系统云系25个纬距以上。
l 热带气旋定位依据：有眼时眼以及云区大小、形状、结构；无眼时螺旋云带的曲率中心以及云系边界的积云线曲率中心。
l 强度估计依据：眼区的有、无，眼区范围大小、形状, 眼区温度；中心稠密云区范围大小，云顶温度；螺旋云带的有无、多少，云带云顶温度；螺旋云带环绕中心稠密云区的紧密程度。
l 热带气旋移动影响因素：环境云场，自身云形特征……
1、环境云场影响热带气旋的移动
2、热带气旋自身云系特征影响： ①向其长轴方向移动；② 向其强稠密云区方向移动；③呈“9”字型的热带气旋西行；④呈“6”字型的热带气旋北上或转向； ⑤由热带气旋云区长轴的旋转判断其移向。