卫星气象学讲义第二章卫星的运动和气象卫星

2024-02-02卫星气象学讲义第二章卫星的运动和气象卫星目录卫星运动基本原理气象卫星概述卫星轨道与观测范围气象卫星载荷及功能数据传输与处理技术气象卫星应用案例分析01卫星运动基本原理123卫星在不受外力作用时，其运动状态不会发生改变。牛顿第一定律（惯性定律）卫星所受外力与其质量成正比，与加速度成反比。牛顿第二定律（加速度定律）任何两个物体之间都存在引力，引力大小与两物体质量的乘积成正比，与两物体距离的平方成反比。万有引力定律牛顿运动定律与万有引力03开普勒第三定律（周期定律）行星绕太阳公转的周期的平方与其椭圆轨道半长轴的立方成正比。01开普勒第一定律（轨道定律）所有行星绕太阳的轨道都是椭圆，太阳位于椭圆的一个焦点上。02开普勒第二定律（面积定律）行星与太阳的连线在相等时间内扫过的面积相等。开普勒三大定律包括轨道倾角、升交点赤经、近地点幅角、轨道半长轴和偏心率等，这些参数决定了卫星轨道的形状、大小和方向。根据轨道高度和倾角的不同，卫星轨道可分为低地球轨道（LEO）、中地球轨道（MEO）、地球同步轨道（GEO）和极地轨道等。卫星轨道参数及分类轨道分类轨道参数卫星绕地球公转的周期与地球自转周期相同，且方向一致。这种轨道上的卫星与地球保持相对静止，常用于通信和气象观测等领域。地球同步轨道卫星轨道平面与地球赤道平面垂直，且经过地球两极。这种轨道上的卫星可以覆盖全球范围，适用于全球性的气象观测、资源调查等任务。极地轨道地球同步轨道与极地轨道02气象卫星概述气象卫星是专门用于大气探测的卫星，搭载多种遥感仪器，用于获取地球大气环境信息。定义提供全球范围的气象观测数据，监测和预报天气、气候和环境变化，对气象灾害进行预警和评估。作用气象卫星定义及作用国内气象卫星风云系列气象卫星，包括极轨气象卫星和静止气象卫星，提供多种气象观测产品和服务。国外气象卫星美国NOAA系列、欧洲Meteosat系列、日本MTSAT系列等，各具特色，为全球气象观测做出贡献。国内外典型气象卫星介绍发展历程从20世纪60年代开始，气象卫星经历了试验阶段、发展阶段和成熟阶段，技术不断升级，应用领域不断拓宽。发展趋势未来气象卫星将更加注重多星协同观测、高分辨率观测、全天候观测和定量化应用等方面的发展。气象卫星发展历程与趋势遥感技术在气象领域应用遥感技术种类包括可见光遥感、红外遥感、微波遥感等，各具优势，互为补充。气象领域应用遥感技术在气象领域广泛应用于天气预报、气候监测、灾害评估、环境监测等方面，为气象事业提供了强有力的技术支持。03卫星轨道与观测范围

地球同步轨道观测特点地球同步轨道卫星与地球自转同步，相对地面静止，可连续观测同一地区。适用于监测大范围的天气系统和气候变化。但由于轨道高度较高，对地面分辨率有所限制。极地轨道卫星能够覆盖全球范围，尤其适用于高纬度地区的观测。可提供较高分辨率的地面图像和数据。适用于监测极地气候、海冰、臭氧层等。极地轨道观测优势分析地球同步轨道和极地轨道是气象卫星常用的两种轨道类型，它们对观测范围有着不同的影响。地球同步轨道卫星主要覆盖赤道附近地区，而极地轨道卫星则能够覆盖全球范围。根据不同的观测需求，可以选择合适的轨道类型进行观测。不同轨道类型对观测范围影响通过调整卫星轨道高度、倾角和偏心率等参数，可以优化卫星的观测范围和覆盖频率。采用多颗卫星组网观测，可以提高观测效率和数据质量。针对特定天气系统和事件，可以制定专门的轨道调整策略进行观测。轨道调整策略以提高观测效率04气象卫星载荷及功能辐射计种类全辐射计、分光辐射计、红外辐射计等，用于测量不同波段的辐射能量。工作原理通过感应目标物体发射、反射或透射的电磁辐射能量，将其转换为电信号进行记录、计算和分析。辐射计类型及工作原理灵敏度准确性分辨率稳定性探测仪器性能指标评价方法01020304仪器对微弱辐射的响应能力，以单位辐射量所引起的仪器响应值表示。仪器测量值与实际值之间的偏差程度，通过校准和比对等方法进行评价。仪器对相邻辐射量变化的辨别能力，包括光谱分辨率、空间分辨率和时间分辨率等。仪器在长时间工作过程中保持性能不变的能力，受温度、湿度等环境因素影响。微波能够穿透云层和天气条件，不受光照和时间限制，因此适用于气象预报和灾害监测等领域。穿透性强微波遥感可以探测大气温度、湿度、风速等参数，为数值天气预报提供重要输入数据。探测大气参数微波遥感可以监测海面温度、盐度、海冰等海洋环境参数，对海洋气象预报和海洋灾害预警具有重要意义。监测海洋环境微波遥感在气象预报中应用发展趋势随着卫星技术和遥感技术的发展，气象卫星载荷将向更高分辨率、更宽波段范围、更多探测要素等方向发展。技术挑战高分辨率和宽波段范围对仪器的光学性能、机械结构和数据处理能力提出了更高要求；同时，为了获取更多探测要素，需要研发新型探测技术和数据处理算法。应用挑战随着气象卫星载荷性能的提升，如何将其应用到实际气象业务中并发挥最大效益是一个重要问题；此外，还需要加强与其他遥感手段和地面观测数据的融合应用，提高气象预报和灾害监测的准确性和时效性。载荷发展趋势与挑战05数据传输与处理技术包括主动式和被动式遥感，如雷达、激光雷达、辐射计等传感器，用于获取不同波段和分辨率的气象数据。遥感数据获取方式通过卫星下行链路将数据传输至地面接收站，包括实时传输和延时传输两种方式，确保数据的及时性和完整性。传输途径遥感数据获取方式及传输途径设备配置接收站应具备高性能的接收设备、数据处理系统和存储设备，以满足大量遥感数据的接收和处理需求。地理位置选择优先考虑气象灾害频发、气象监测需求大的地区，同时考虑与卫星轨道的覆盖范围和通信条件。备份与冗余设计为确保数据接收的连续性和可靠性，应建立备份接收站或采用冗余设计，以应对设备故障或自然灾害等突发情况。地面接收站建设布局规划原则包括数据格式转换、辐射定标、几何校正等步骤，以消除传感器误差和成像过程中的畸变。数据预处理采用图像增强技术改善图像质量，突出气象要素信息；利用特征提取方法提取云、降水等气象要素的特征参数。图像增强与特征提取将遥感数据与地面观测数据、数值预报模型输出等进行同化与融合，提高气象预报的准确性和精细化程度。数据同化与融合数据处理流程和方法论述VS建立严格的数据质量控制体系，包括数据完整性检查、一致性检验、准确性验证等环节，确保数据的可靠性和准确性。误差来源分析分析遥感数据获取过程中可能出现的误差来源，如传感器误差、大气干扰误差、几何定位误差等，为数据处理和质量控制提供依据。同时，针对不同类型的误差采取相应的校正和补偿措施，提高数据的精度和可用性。数据质量控制数据质量控制和误差来源分析06气象卫星应用案例分析利用气象卫星获取云图资料，分析云系结构、移动速度和方向，为天气预报提供重要依据。卫星云图监测水汽监测辐射监测通过卫星水汽通道观测，获取大气中水汽分布和输送情况，有助于判断降水条件和强度。气象卫星可监测太阳辐射和地表辐射平衡，为分析天气系统和气候变化提供关键数据。030201天气预报中关键因子监测实例利用气象卫星实时监测台风路径、强度和结构，为台风预警和防灾减灾提供重要支持。台风监测通过卫星观测暴雨云团的发展演变，结合地面观测资料，提高暴雨预警的准确性和时效性。暴雨监测气象卫星可监测沙尘暴的发生、发展和输送路径，为沙尘暴预警和生态环境治理提供依据。沙尘暴监测灾害性天气过程监测预警效果评估温室气体监测利用气象卫星观测大气中温室气体的浓度和分布，为气候变化研究和政策制定提供数据支持。海平面变化监测卫星观测可获取海平面高度、温度和盐度等数据，有助于分析海平面上升对气候变化的影响。极地监测气象卫星可观测极地冰雪覆盖、海冰变化等情况，为分析极地气候变化和全球气候系统提供重要信息。气候变化监测和评估中作用探讨海洋领域合作利用气象卫星观测海洋环境，为海洋渔业