气象卫星的发展趋势PPT课件

1、气象卫星的发展趋势,By ： 一个有一只学灰+一群学霸的小组,1,小组分工,收集资料：张司琪（负责未来卫星气象卫星布局和总体发展） 姜琳皓（负责卫星传感器方面改进与发展趋势） 高元勇（负责卫星资料传输-地基站处理的发展趋势） 梁涵洲（负责卫星在大气科学前沿探索中的应用的发展趋势） 许舒雅（负责气象卫星在其他科学领域的应用趋势） PPT制作：戴绍康 成果汇报：冯则皓,2,我国气象卫星未来发展方向,3,风云四号气象卫星是我国第二代静止气象卫星，主要发展目标是：卫星姿态稳定方式为三轴稳定，提高观测的时间分辨率和区域机动探测能力；提高扫描成像仪性能，以加强中小尺度天气系统的监测能力；发展大气垂直探测和

2、微波探测，解决高轨三维遥感；发展极紫外和X射线太阳观测，加强空间天气监测预警。风云四号卫星计划发展光学和微波两种类型的卫星。据悉，经过多次论证，多通道可见光红外扫描成像仪和红外高光谱探测仪（干涉式大气垂直探测仪）以及星地相关技术的科技攻关，已取得了较大进展。“风云四号”是第二代静止气象卫星，充分考虑海洋、农业、林业、水利以及环境、空间科学等领域的需求，以实现综合利用。据透露，“风云四号”卫星主要探测仪器为10通道二维扫描成像仪、干涉型大气垂直探测器、闪电成像仪、CCD相机和地球辐射收支仪，地球圆盘图成像时间为15分钟,风云四号,4,晨昏轨道是指地方降交点时间（ETC）6:00左右的卫星观测轨道

3、。发展晨昏轨道卫星，将完善和丰富我国现有的现代气象业务观测体系。发展晨昏轨道卫星，将使我国风云极轨气象卫星具有自己的特色，在业务上形成同欧美卫星的等价互补之势。 发展晨昏轨道卫星，将完善和丰富我国现有的现代气象业务观测体系。晨昏轨道卫星可向我国8点钟的业务会商提供微光、红外和微波的综合观测信息，在凌晨时刻台风、暴雨和强对流等的卫星监测中发挥积极作用。 晨昏轨道观测有效补充了6小时同化窗内卫星观测资料的空白，对南北半球预报和洲际尺度的区域预报有积极的贡献。晨昏轨道卫星弥补了全球观测资料的不足，上午卫星（ETC 10:00左右）、下午卫星（ETC 13:00左右）、晨昏轨道卫星三星组网观测可以使6

4、小时同化窗内卫星资料100%全球覆盖，对4-7天500hPa位势高度的预报半球尺度（北半球）提高2-3个百分点，区域尺度（北美洲）提高2-10个百分点。 晨昏轨道卫星的主要仪器载荷配置有：微波温度计、微波湿度计、红外高光谱大气探测仪、GPS掩星探测仪以及双频微波主动散射雷达,晨昏轨道卫星,5,美国气象卫星未来发展方向,6,联合极轨卫星系统”卫星的研制计划目前已经比较明确，联合极轨卫星系统1卫星基本是克隆“国家极轨环境业务卫星系统预备项目”卫星，不同点是星上通信设备不同。“国家极轨环境业务卫星系统预备项目”对“联合极轨卫星系统”卫星的有效载荷进行飞行验证，以降低“联合极轨卫星系统”卫星的风险。“

5、联合极轨卫星系统”卫星的载荷技术也代表了美国民用极轨气象卫星载荷技术在未来数年内的发展水平。联合极轨卫星系统1预计于2017年发射，联合极轨卫星系统2预计于2019年发射。未来 5 10 年美国气象卫星系统将进行全面更新换代 ,NOAA 将完成 POES 与 DMSP 系统合并及 GOES 2 R 系统研制 , 实现现有极轨业务环境卫星系统向国家极轨业务环境卫星系统 (NPOESS) 转型和 GOES 系统过渡升级 , 并积极探索后续任务实施,联合极轨卫星系统,7,8,新一代气象卫星系统发展特点,9,新一代极轨大气与海洋环境卫星除维持任务连续性外,重点着眼于卫星技术性能的全面升级,在设计概念、

6、系统结构、遥感器配置等方面都有很大的改进。极轨业务环境卫星系统通过集成现有先进遥感器技术,在成像分辨率、 探测精度等方面将进一步提高 , 特别是数据传输将采用地面光纤网络技术等手段 , 有效缩短时间延迟,提高预报准确率。静止轨道业务环境卫星系统在探测通道数量、 分辨率、全盘成像时间方面都将提高 1 倍以上,增加了静止轨道海洋水色探测能力,并初步具有自适应成像的能力,特别是静止轨道微波探测能力的实现 , 将极大地提高大气与海洋环境的现有探测能力,新一代卫星系统能力将实现变革性飞跃,10,由于大气与海洋过程是多种因素作用的综合过程,一个状态变量通常是多个参变量的函数 , 很难由一种遥感器测量众多参

7、变 ,需要多种遥感器配合测量。因此 , 美国 NPOESS、GOES2R业务环境卫星系统都采用集大气、海洋和空间环境等多种探测能力于一体的发展模式 ,在极轨卫星系统上集成了EOS 系统微波成像能力,增加了雷达高度计等多种大气和海洋环境探测仪器,在静止轨道卫星系统新一代遥感器上配置了海洋水色探测能力,同时还增加了多种用于空间环境探测的仪器,以进一步实现多种探测能力的高度集成,多种环境探测能力集成发展的特点越趋明显,11,新一代大气与海洋环境卫星系统非常注重新的技术概念和技术手段的探索与验证 ,根据任务需求和系统发展中所遇到的技术难题,不断提出新的技术概念和创新思路。针对静止轨道卫星长寿命低风险要

8、求、 静止轨道缺乏微波探测手段、 传统高度计交轨方向分辨率较低、 高光谱遥感分光技术实现等一系列情况提出并试验卫星平台分布式系统结构、 合成稀疏孔径辐射计、 宽幅雷达高度计、 静止轨道傅里叶变换光谱仪等一系列新的技术概念。这些技术概念和试验技术的发展成熟 , 将极大提升现有对地观测卫星系统能力,大量新的技术概念不断涌现并逐步发展成熟,12,卫星获取数据方向的改进,13,1、极轨气象卫星系列中的红外探测器，目前而言最先进的当属美国，美国于2011年以后，发射的气象卫星均采用可见光/红外成像仪和辐射计组件（VIIRS）的短波/中波红外、热红外波段均采用HgCdTe红外焦平面，工作温度在80K，航线

9、交叉红外探测器的短波、中波和长波红外波段均采用3*3元光伏型HgCdTe器件，工作温度分别在98K（短波和中波）和81K（长波,红外探测器,14,2、静止气象卫星系列用红外探测器，中国的FY4将在FY2基础上增加成像扫描辐射计的探测通道，提高天气分析和地球环境变化动态监测能力，增加大气探测垂直探测仪，获取大气垂直探测资料，实现高频次三维探测，探测功能比起FY2将有较大幅度提高,15,16,2.1频率越来越高，向高频段发展的好处是可以获得更多的探测频段，获得更多的探测信息，可以避开干扰信号。 2.2向更细化探测目标发展，这样可以更加细致的了解探测对象的物理性质，特别是对于大气温度和湿度廓线的探测

10、，细化探测分层将有利于提高三维反演精度。 2.3向一体化发展，多频多极化同时对地观测可以获得对观测目标更全面、更细致的了解，减小微波辐射计的体积、重量。 2.4向更高地面分辨率发展，通过采用更高的观测频率和增大天线尺度来提高地面分辨率,微波辐射计,17,3.1气象卫星多传感器图像融合的可靠性，由于多传感器图像融合技术仍然是一门新兴技术，在理论和实际应用中仍有许多亟待解决的问题，因此，可靠性仍然是最需要解决的问题之一。 3.2多传感器图像融合的实时性研究，犹豫期数据量很大，在某些领域的实时性要求很高，因此必须解决海量数据的实时融合方法。 3.3多传感图像融合技术可发展性的研究，由于气象卫星的重要

11、应用价值，预计在未来，气象卫星及气象卫星传感技术将以前所未有的速度发展，不同平台的多传感器图像数据也将随之大量涌现，因此研究图像融合技术必须考虑融合处理的可扩展性，使其能够对新型图像数据能有较好的适应能力,多传感器图像融合,18,气象卫星数据接受处理系统的发展趋势,19,现有气象卫星数据传输的频段大都用L波段,这是国际电信联盟已划分好的供气象卫星使用的频段频率范围总共只有40MHz,因此传输的数据码速率只许可在几兆/秒范围。 由于气象卫星探测仪器的增加和精度的提高数据传输量大为增加!码速率增加要求信道的带宽也随之增加。例如码速率要求几十兆/秒,带几十兆赫,甚至更高更宽。 显然L波段已不能满足需

12、要，必须提高到更高波段。例如X波段,传输频段的扩展（传送模式,20,现有气象卫星数据传输大都采用时分、频分多路复用体制和固定数据格式，而卫星上有多种探测仪器大量数据需要同时向地面传输。为了提高信道传输效率和增加灵活性必须采用国际空间数据系统咨询委员会（CCSDS：consultation committee of space data system）标准分包传输。为了提高信道传输效率，将采用CCSDS分包传输方式：利用一个实际物理信道同时传输各种探测器和应用过程的数据，根据需要动态地对星载各种仪器数据进行打包，因此传输效率大为提高，同时也给传输系统的设计带来了高度的灵活性。多个数据源（不同探测

13、仪器数据）的物理过程产生多种数据源包，经过长包分段（或短包不分段），将源包或数据段多路复接打包成虚拟传输帧，再把虚拟信道多路。此外，信道编码采用了纠错及抗干扰能力较强的R-S加卷积的级联编码技术,采用CCSDS分包传输（输出体系,21,气象卫星低分辨率资料仍采用模拟传输，为了提高传输质量，要将它们数字化。原有的模拟传输体制都改为数字传输。例如，现有极轨气象卫星低分辨率实时云图传输将改为低分辨率图像传输，静止气象卫星低分辨率模拟云图将改为低速率信息传输。资料同化通常建立在模式预报（即背景信息）与观测量的比较的基础上，为了实现同化，需要将模式的基本大气变量转换成星载仪器所获得的特定波长的电磁波特征

14、量，或者将观测到的电磁辐射特征量反算成大气的特征量。前者需要引入复杂的观测算子，后者则将复杂的反演过程交给了前处理阶段。这就形成了直接与间接同化卫星资料的两种不同策略，策略的选择取决于同化系统处理复杂观测资料的能力，对同化效果有决定性的影响,数字化（资料同化,22,气象卫星在大气科学前沿领域应用的发展趋势,23,在大气化学方面，最近的论文已经提出利用极轨卫星和静止卫星的遥感反演数据，进行对大气气溶胶辐射特性参数进一步探究的方案，随着卫星探测手段和技术的不断提高，卫星遥感理论和方法的不断进步，卫星遥感已成为气溶胶研究不可替代的有效手段。NASA发射的Terra 和Aqua 卫星搭载的MODIS传

15、感器具有36 个通道，覆盖了紫外、可见、近红外、红外等通道，为反演气溶胶和地表特征提供了丰富的信息。这些也为建立有关气溶胶的模型提供了基础资料，为未来进一步发展奠定了基础,24,在高层大气探索领域，由于之前对高层大气的探测主要依靠探空气球，这种方式一般最高只能探测到5hpa层面的状况，因此人们对更高层面大气认识仍然不够。然而最近十余年探测平流层高层和中间层大气的卫星体系正在逐步建设并仍在发展，人们对平流层高层和中间层大气了解逐渐增多。当前已经有对平流层爆发性增温（SSW）的初步认识和模型构建，并认为最初扰动源很可能起源于中间层下层，但对它的爆发机理和后续对对流层影响认识仍然不够。随着卫星对高层

16、大气探测体系在未来的逐步完善，资料的丰富化和准确度的提升将让高层大气领域的探索更进一步，对诸如臭氧层空洞变化趋势和SSW对冬季对流层环流的影响将有新的认识,臭氧空洞内最低臭氧总浓度,臭氧空洞面积,25,在大气辐射学方面，最近利用更精密的卫星同化资料改进了WRF模式的初始场，新的卫星同化资料将三维云模型进一步优化，将不同云高的云区分得更加明显，从而在云类和云量较多的对到达地面的太阳辐射强度模拟有了新的改进。这对未来对大气热力场模式的进一步改进，以及对太阳能发电方面的应用都有较大的意义,26,对剧烈天气过程（如强对流天气，热带气旋等），当前正在尝试运行对某一区域的加密观测（如6min一次云图扫描）

17、，未来扫描频率也更加稠密，而资料也从云顶温度灰体扫描和可见光云图之类转向不同层面风场、垂直温度场等方向，会对研究热带气旋内部动力学和热力学演变产生积极意义。而最近有研究利用FY-2C 静止气象卫星红外1 通道亮温、红外1 通道与水汽通道亮温差在高时间分辨率观测中的时差特征变量，可实现对强对流云团初生的有效监测，为强对流天气的预测预报提供支撑。这样的设想已经得到初步应用，可以想见，未来卫星将有助于强对流天气预报的准确度进一步提高,27,空间天气学虽然不是传统意义的大气科学研究范围，但可以说是气象卫星未来应用的一大广阔领域。随着人造太空飞行器和地面电磁学应用领域的发展，空间天气变得愈发重要，而原有

18、的监测网络在对高能粒子、电磁辐射暴等剧烈天气过程进行监测预警方面仍有不足。当前这方面监测我国仍然主要援引美国NOAA-18等气象卫星的资料，而未来的FY-4静止卫星将携带有远紫外-X射线探测仪，对太阳活动和其引发的空间天气扰动进行监测，有利于填补我国卫星在空间天气监测方面的不足，并对空间天气扰动引发的空间飞行器安全问题和地面诸如电网及短波通讯方面故障能做出及时预警,28,气象卫星在非气象领域应用,29,植被遥感是AV HRR在非气象领域中最为广泛和成熟的应用之一。目前以归一化植被指数为主已发展了很多的其他植被指数类型。植被指数信息的应用也是多种多样的, 除了用于作物长势监测、估产外, 还用于作

19、物旱情调查、时间系列组合分析宏观植被类型区划及自然地理地带性研究等。目前国家卫星气象中心在日常业务上以旬为单位进行全国6公里低分辨率植被指数产品生成和旬月报分析工作。气象卫星的快速动态遥感能力在灾情监测和预警方面独树一帜, 典型的范例是火灾早期警报和火情跟踪监测。在1987年大兴安岭特大森林火灾时, 通过气象卫星遥感监测有效地指导了整个灭火指挥工作。在此之后,利用气象卫星多次成功地向有关部门提供了火点警报。气象卫星用于火点监测得到了全面的推广应用,众多小型地面系统相继建立, 有些专用的林火卫星监测系统已成功地投入业务运行。在1996年我国内蒙草原发生大火时, 气象卫星也发挥了很大作用,植被遥感

20、,30,矿产勘查中对油气微渗漏的探测及遥感找油; 城市热岛研究和热污染调查等方面。在这些领域都有很多成功的应用实例。如对城市热岛现象使用四个季节的昼夜匹配数据进行的处理和分析与航空热红外扫描的结果高度一致, 从最终应用分析的角度来看, 两者的应用效果差距极小,而成本则是无法比拟的。由于我国气象卫星站网完全覆盖了全国的海陆疆界, 因此第一幅标准的国家卫星影像地图是采用AV HRR数据完成的, 体现了气象卫星在地图制图学中的应用潜力。这一成果将我国遥感影像图上升为测绘标准的影像地图产品系列, 并获得了国标殊荣, 在国内外产生了相当影响,浅层地下水资源调查,31,1. 全国植被指数低分辨率数据和植被状况的旬月报分析产品化。2. 森林、草场火灾监测及警报系统。除了国家卫星气象中心对全国林区实行防火期24小时监测外