卫 星 气 象 学（复习）
第一章 绪 论
1、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、雷电等天气现象的卫星。 2、象卫星观测的特点
○1在空间固定轨道上运行对地球大气进行观测 ○3实现全球和大范围的观测
○2在空间上自上而下进行观测
○4使用新的探测技术（遥感探测）
○5提供丰富的观测资料，受益面广（气象+其他领域）有利于新技术的发展和推广应用。
3、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。 4、遥感探测的分类：○1按工作方式分为：被动遥感和主动遥感；
○2按波段分为：紫外遥感、可见光遥感、红外遥感和微波遥感； ○3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。 5、权重函数概念:
○1形状：横钟形曲线
○2意义：一条曲线与卫星观测仪器的一个通道对应。通道中心频率为f。
卫星在频率为f的通道接受的能量来自于其权重函数不为零的大气薄层内。 权重函数最大处对应的高度为薄层的代表高度。
○3卫星在频率为f的通道接受到的能量的大小，由该薄层内的温度和某种气体分子浓 度决定。分子 种类与频率f对应，即，这种分子吸收频率为f的电磁辐射、也发射频率为f的电磁辐射。
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○4权重函数半宽度：权重最大值的一半所定义的宽度，用于衡量权重函数宽度（“胖瘦”） 的指标。 6、基于权重函数概念的推论:
○1如果f仅与O2 或CO2有关，而大气中O2或CO2的含量短期固定，则f通道所测得能量仅与该薄 层内的温度有关，由此可由测得f处能量计算对应薄层内的大气温度。
○2如果大气温度T已知，则根据另一通道（记为f1）能量就可确定与f1有关的分子的含量。例如， 6.7微米通道可以用来确定水气分子浓度。
○3选取一系列不同的频率（即一系列不同的通道），即可测量不同高度上的温度和湿度。
○4理论上通道个数越多越好，但通道个数过多会使权重函数重叠即通道相关，此时并不能提供更多 有效信息。因此权重函数越“瘦”越好。
第二章 卫星的运动和气象卫星
1、气象卫星飞行速度及轨道周期
在圆轨道上：V圆=[u/r圆]1/2=[u/（R+H）] 1/2 T^2= 4pi^2(R+H)^3 /u FY-1: H=830km V=[u/（R+H）]1/2=7.06（km/s） T=6080s=101.3min FY-2: H=35860km V=[u/（R+H）]1/2=3.07（km/s） T=24小时 2、周期(T)：指卫星绕地球运行一周的时间；
截距(L)：连续两次升交点之间的经度数。 L=T*15度/小时。 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。
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。
3、气象卫星业务系列分为近极地轨道（又称近极地太阳同步轨道）卫星和地球静止轨道（又称地球同步 轨道）卫星两类。
4、卫星轨道的摄动：地球并非是理想的均匀球体，卫星轨道参数是随时间变化的，与开普勒定律得出的 轨道总是有偏离，这种偏离叫做卫星轨道的摄动。 5、近极地太阳同步卫星轨道
卫星轨道面与太阳的相对取向保持不变，即，每天过升交点的局地时间相同；由于这种卫星轨道倾角接近90度，卫星近乎接近极地，所以又称近极地太阳同步卫星轨道 6、太阳同步卫星轨道的实现
利用卫星轨道在地球扁率作用下的进动去抵消卫星轨道平面随地球绕太阳运行时引起的 转动，使卫星 轨道平面始终与太阳保持固定的取向。卫星轨道平面随地球公转的同时做平动运动，相对太阳的取向 是自东向西的，因此取倾角大于90度即后退轨道时，卫星的 轨道平面是自西向东的。 7、阳同步轨道的特点 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；
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（2）相临两条轨道的观测资料时间差达100多分钟，拼图不利。 8、地球同步/静止卫星轨道（GEO)
如果卫星倾角为0度，赤道面与轨道面重合，卫星在轨道上空运行；又若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）。 9、地球同步卫星轨道的实现 ①轨道倾角i=0 ③ 轨道偏心率e=0
②卫星运行方向与地球自转方向相同；
④ 卫星运行周期T=23小时56分04秒。
H=[（u/4pi^2）T2]^1/3-R = 35860（Km） V=[u/（R+H）]^1/2=3.07（千米/秒） ▲实际卫星轨道会有点椭圆形，倾角也很难正好等于0，常有~1点在以赤道为中心的两侧产生“8”字形的摆动。
10、卫星食：若太阳、卫星、地球在一条直线上，人造卫星进去地球的阴影区，就出现卫星 食 11、太阳干扰：当太阳、卫星、地球在一条直线上时，地球接收天线正好对准太阳。卫星进 入接收天线 波束期间，强烈的太阳射电噪声影响下，接受电波收到严重干扰，地面接受天线收不到
讯号，这样的干扰称太阳干扰。 12、地球同步卫星轨道的优缺点 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。 13、GPS掩星探测：
探测原理：无线电波因穿过电离层和大气层发生相互作用而折射。当GPS卫星和低轨 道卫星发生掩星事件时，通过测量低轨卫星上的GPS接收机接收到的GPS信号 折射角、折射指数而反演得到，90KM以上电离层电子浓度及其随高度有分布， 5—60KM 的P、密、T 随高度的分布。
第三章 气象卫星遥感大气的基本原理
1、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。
x 射线： 波长10-5 —0.0045um，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10-5—0.35 um，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。
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可见光：波长0.35 —0.76um，生成：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 —1000um，生成：分子、原子的振动转动，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。 2、吸收谱线及其特征表达
Loren谱型函数tz
F（f,f0）?1?2?(f-f0）??
???0(pT0?)()??1/2,p0?1atm,T0?273Kp0T3、吸收系数计算： k ( f ) ? f ? S ? F f , f S：线强，与跃迁能态、共振频率等特征有关。
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4?c??k的单位：dB/km（1 dB/km =0.2303Np/km) 4、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能量。 单位:焦耳（J）
?=?Q/?t 单位:焦耳/秒（W）
▲ 辐射通量密度(F)：指通过单位面积的辐射通量。 F=?/A F=??/?A 单位:焦耳/米2.秒（W/m2） ▲ 辐射通量(?)：指在单位时间内通过某一表面的辐射能。?=Q/t 对辐射源面称其为出射度，对接收面称其为辐照度. 如果辐亮度L各向同性（朗伯面、朗伯体），可得F=πL
▲ 辐射强度(I)：描述点光源的辐射特性。定义:点辐射源在单位时间内向某一方向上单位立体角内的辐 射能量。 I=??/?? 若点源各向同性,则 I=?/4?
▲ Radiance(辐射率,辐亮度）：沿S方向传输
（1）辐射源表面dA其单位面积在单位时间内向S方向单位立体角内发射的辐射能 , 称为沿S方向的辐亮度： L（s）= L(θ,?) =?Q/?A?t?wcosθ （2）辐射接收面dA
33??Q/?t?? 单位:瓦/球面度（W/Sr）
S方向单位立体角内接收的辐射能, 称为来自S
方向的辐亮度： L（s）= L(θ,?) =?3Q/?A'?t?w'cosθ ▲平均辐射率与朗伯源
平均辐射率: 对所有立体角元dω求积分，再除以
，得
1L?4??2???L(?,?)sin?d?d?
001?若辐射率是方位对称的，则上式成为L??L(?)sin?d?20若辐射率与方向无关，L
?L(?)?常数 称此为各向同性。这样的源称朗伯源。
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▲黑体：吸收率总等于1，与温度、方向和波长无关。 吸收能力和发射能力均为最大，对所有波长有 ▲ 灰体：其吸收率与波长无关且小于1的常数。
▲ 选择性黑体：其吸收率在有些波长处为1。 aλ=ελ= 1 ▲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。
▲辐射体Emissivity(发射率,比辐射率,ε）： 定义：自然物体的出射度
与同一温度下“理想物体（黑体）”的出射度M的比值。 之间。 与波长有关、与方向有关。
波长间隔内的平均发射率为 ???21??M'/M
1）ε(λ)：辐射表面在波长处发射率。在
???(?)M(?)d??21
??M(?)d?2）?n：辐射表面法线方向的发射率 3）??：辐射表面在5、辐射基本定律
▲普朗克定律
“理想物体（黑体）”的辐射通量密度（出射度）可用普朗克定律表示
角方向的发射率
2?c2hM??5hc/?kT(w?cm-2?um-1)----分谱辐射通量密度?(e-1)2c2hB??(w?cm-2?um-1?sr-1)----普朗克福亮度公式22?ch5?(ehc/?kT-1) 普朗克函数给出辐射强度随波长和温度的变化特征。 ▲基尔霍夫定律
记??是物体的比辐射率或发射率，??是物体的吸收率。 在物体所处的热力平衡系统中，有 意义:
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。 ▲维恩位移定律 令?B?(T)/??
?????
?0 得 ?maxT?0.2897885,cm?K
?max时的波长。
λmax表示B?(T)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。 ▲斯蒂芬-波尔兹曼定律 定义全谱辐亮度：B(T)??B?(T)d??bT4
0?常数b=2(pi*k)^4/（15c^2h^3）。
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卫星气象复习
