遥感技术在气象监测领域的应用

遥感技术在气象监测领域的应用姓名：周信文学号：201640100125与传统温、压、湿、风等常规观测手段不同，遥感不仅是一项涉及观测的技术，更是一门涉及综合性探测的科学。遥感借助辐射测量技术，通过科学算法反演出能够准确反映大气、陆地和海洋状态的各种物理和生态参量，使遥感技术在天气气候、大气监测、灾害监测等方面发挥了重大作用，并已经在重大气象有关防灾减灾工作中得到验证。概述2016/11/28资源与环境遥感2目录1气象卫星2气象卫星应用领域3气象遥感应用技术4结语2016/11/28资源与环境遥感32016/11/28资源与环境遥感41、气象卫星气象卫星：从太空对地球及其大气层进行气象观测的人造卫星。卫星所载各种气象遥感器，接收和测量地球及其大气层的可见光、红外和微波辐射，并将其转换成电信号传送给地面站。地面站将卫星传来的电信号复原，绘制成各种云层、地表和海面图片，再经进一步处理和计算，得出各种气象资料。气象卫星观测范围广，观测次数多，观测时效快，观测数据质量高，不受自然条件和地域条件限制，它所提供的气象信息已广泛应用于日常气象业务、环境监测、防灾减灾、大气科学、海洋学和水文学的研究。2016/11/28资源与环境遥感51.1、气象卫星分类由于运行轨道的不同，气象卫星可分为两大类：①极轨气象卫星。飞行高度约为600～1500千米，卫星的轨道平面和太阳始终保持相对固定的交角，这样的卫星每天在固定时间内经过同一地区2次，因而每隔12小时就可获得一份全球的气象资料。②同步气象卫星。运行高度约35800千米，其轨道平面与地球的赤道平面相重合。5颗这样的卫星就可形成覆盖全球中、低纬度地区的观测网。地球轨道太阳卫星轨道春夏秋冬H=35860KmSN极轨卫星观测静止卫星观测2016/11/28资源与环境遥感61.2、气象卫星观测内容卫星云图的拍摄云顶温度、云顶状况、云量和云内凝结物相位的观测陆地表面状况的观测大气中水汽总量、湿度分布、降水区和降水量的分布大气中臭氧的含量及其分布太阳的入射辐射、地气体系对太阳辐射的总反射率以及地气体系向太空的红外辐射空间环境状况的监测2016/11/28资源与环境遥感71.3、气象卫星特点轨道（低轨和高轨）短周期重复观测成像面积大资料来源连续、实时性强2016/11/28资源与环境遥感8轨道（低轨和高轨）低轨就是近极低太阳同步轨道，简称极地轨道，轨道高度在800-1600km，南北绕地球运转，对南北宽约2800km的带状地域进行观察。高轨是指地球同步轨道，轨道高度在36000km左右，绕地球一周需要24小时，卫星公转角速度与地球自转角速度相同，相对于地球似乎固定与高空某一点，故称地球同步卫星或静止气象卫星。3-4颗卫星形成空间监测网，对全球中低纬进行监测。2016/11/28资源与环境遥感9短周期重复观察成像面积大静止气象卫星具有较高的重复周期（0.5小时一次）；级轨气象卫星如NOAA具有中等重复覆盖周期，约0.5-1天/次。总的来说，气象卫星时间分辨率较高，有助于对地面快速变化进行动态监测。气象卫星扫面宽度约2800km，只需2-3条轨道就可以覆盖我国。相对于其他卫星资料更加容易获得完全同步，低云量或者无云的影像。2016/11/28资源与环境遥感10资料来源连续气象卫星获得的遥感资料包括：可见光合红外云图等图像资料；云量，云分布，大气垂直温度，大气水汽含量，臭氧含量，云顶温度，海面温度等数据资料；太阳质子X射线的高空大气物理参数等空间环境监测资料：以及对于图像资料和数据资料等加工处理后的派生资料。由于气象资料兼有通讯卫星的作用，利用气象卫星上的数据收集系统（DCS）可以同时收集来自气球飞机船舶海上漂浮站无人气象站等的各种资料，并转发给地面专门的资料收集和处理中心。2016/11/28资源与环境遥感111.4、气象卫星发展历程气象卫星发展史20世纪60年代1970-19771978至今第一代气象卫星第二代气象卫星第三代气象卫星2016/11/28资源与环境遥感12第一代气象卫星第二代气象卫星第三代气象卫星（1）泰诺斯，电视和红外辐射卫星。1960-1965年共收射了10颗。均为级轨卫星。（2）艾萨，即环境科学服务业务卫星。（3）云雨实验气象卫星。专用于进行新的观测仪器的实验，以及对船舶，浮标站等气象观测资料的收集方式进行实验。（4）艾托斯，即应用技术实验卫星，是静止卫星。（1）ITOS-1，TIROS的改进型。进一步发展了诺瓦业务卫星。（2）云雨气象卫星仍在发展，同时发展了SMS、GOES等静止卫星。（3）前苏联的“流星”Ⅱ型气象卫星，日本的对地静止卫星，以及欧空局的Meteosat等发展起来，共同构成了全球气象卫星系统。主要以NOAA系列为代表，每颗卫星寿命两年左右，采用近极低太阳同步近圆形轨道，双星系统，轨道高度分别是870KM和833KM，轨道倾角98.9度和98.7度，周期101.4min。2016/11/28资源与环境遥感13我国气象卫星的发展风云一号风云二号风云三号风云四号风云系列气象卫星2016/11/28资源与环境遥感14风云一号卫星风云一号气象卫星是中国研制的第一代极轨气象卫星。风云一号气象卫星共4颗，是中国的极轨气象卫星系列，共发射了4颗，即FY-1A卫星，FY-1B卫星，FY-1C卫星、FY-1D卫星。风FY-1A卫星和FY-1B卫星分别在1988年9月7日和1990年9月3日发射升空。风云一号C卫星在性能上作的较大改进，被列入世界气象业务应用卫星的序列，风云一号D卫星从2000年开始正样设计，于2002年5月15日在太原卫星发射中心用长征四号B火箭发射升空。2016/11/28资源与环境遥感15风云二号卫星风云二号气象卫星(FY-2)是我国自行研制的第一代地球同步轨道气象卫星，与极地轨道气象卫星相辅相成，构成我国气象卫星应用体系。风云二号卫星由两颗试验卫星（FY-2A卫星、FY-2B卫星）和四颗业务卫星（FY-2C卫星、FY-2D卫星、FY-2E卫星、FY-2F卫星）组成，作用是获取白天可见光云图、昼夜红外云图和水气分布图，进行天气图传真广播，收集气象、水文和海洋等数据收集平台的气象监测数据，供国内外气象资料利用站接收利用，监测太阳活动和卫星所处轨道的空间环境，为卫星工程和空间环境科学研究提供监测数据。2016/11/28资源与环境遥感16风云三号卫星风云三号气象卫星是为了满足中国天气预报、气候预测和环境监测等方面的迫切需求建设的第二代极轨气象卫星，由三颗卫星组成（FY-3A卫星、FY-3B卫星、FY-3C卫星），1994年“风云三号”列入航天技术“九五”规划，风云三号气象卫星2000年11月国务院正式批准立项。风云三号气象卫星的目标是获取地球大气环境的三维、全球、全天候、定量、高精度资料。2016/11/28资源与环境遥感17风云四号卫星风云四号气象卫星是我国第二代地球同步轨道气象卫星，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。2016/11/28资源与环境遥感182、气象卫星应用领域遥感气象卫星的主要应用领域2016/11/28资源与环境遥感192.1、天气气候·气温、降水卫星可见光云图可以监测热带气旋以及云团的移动趋势，一般白色表示太阳光反射强，灰黑的地方表示反射较弱。一般陆地表现为灰色，海洋表现为黑色，而冰雪和深厚云系覆盖的地区一般呈白色。用红外探测器可以计算各地晴空大气温度和湿度的铅直分布。微波辐射仪，可以探测云上和云下的大气温度和湿度的分布，以及云中含水总量和雨强的分布.·雾遥感对大雾监测也非常有效，通过卫星遥感，实时监测各地雾情的变化，便于发出天气预警和作出决策。利用卫星遥感监测大雾具有及时、宏观的明显优势。图像纹理信息反映了图像的灰度性质及其空间关系。通过对雾的成因、辐射特性、雾遥感基本原理的阐述，结合中国FY-1D美/国NOAA系列极轨卫星资料通道特点，分析雾的图像纹理信息，并依据雾在可见光波段和中红外波段与云类不同的光谱特性，选用不同的光谱通道进行大雾监测。2016/11/28资源与环境遥感20·气候变化利用遥感技术可以对气候变化因子进行有效监测，可以对大范围区域进行气候的异常监测，热红外遥感可以利用热红外探测器收集、记录地物辐射的热红外辐射信息，并利用这种热红外信息来识别地物和反演地表参数（如温度、发射率、湿度、热惯量等），包括季节到年际气候预测--提高瞬时短期气候异常变化的时间和空间预报准确性；长期气候变化--决定长期气候变化及其趋势的机理和因素以及人类活动的影响研究。图2-1气象卫星大雾监测图2016/11/28资源与环境遥感212.2、大气监测·气溶胶气溶胶是液态或固态微粒在空气中的悬浮体系。遥感可以对气溶胶监测从而对气候做分析，监测气溶胶的厚度、浓度、成分、属性等信息。气溶胶粒子能够从两方面影响天气和气候。一方面可以将太阳光反射到太空中，从而冷却大气，并会使大气的能见度变坏另一方面却能通过微粒散射、漫射和吸收一部分太阳辐射，减少地面长波辐射的外逸，使大气升温。卫星遥感气溶胶的研究始于20世纪60年代，随着新型卫星传感器的不断研制和发射成功，越来越多的卫星传感器开始适用于大气气溶胶的探测，也出现了多种实用气溶胶遥感反演算法。图2-1全球气溶胶分布图2016/11/28资源与环境遥感222.2、灾害监测·海冰我国的渤海和黄海北部每年冬季都会发生结冰，结冰程度直接影响海上油气资源的开发、交通运输、港口海岸工程作业等。利用可见光和红外通道资料，结合海冰的光谱特征，可以进行冰水识别和海冰信息提取，获取海冰分布范围、面积、冰型、密集度、外缘线等信息。地球两极有将近3000万平方公里的面积被海冰覆盖，极低海冰监测队极低海域的航道设计和海上航行安全保证非常重要。利用卫星的微波辐射计和散射计以及SAR数据，可以获取极地区域海冰分布和变化情况。·凌汛卫星遥感监测凌汛主要依据不同地物的光谱响应特征不同。在近红外波段，洁净水体的反射率远比土壤和植被的反射率低，所以在卫星图像上可以很容易地区分水体和非水体的界限。像黄河这样泥沙含量较高的水体，其反射率的最大值移向可见光波段，但仍比土壤和植被为低。这样，在卫星图像上就能够将发生凌汛的地点及其区域判读出来，进而可以根据像元数估算淹没范围和面积。2016/11/28资源与环境遥感23·干旱通过遥感手段可以获取地表蒸发量、作物表面温度、土壤热容量、土壤水分含量、植物水分胁迫及叶片含水量等,对作物生长的土壤含水状况、作物缺水或供水状况、植被指数等指标所反映的作物生长状况的分析,间接或直接地对作物旱情进行研究。目前比较成熟的遥感旱情监测模型有：植被指数模型、热惯量模型、作物缺水指数模型、植被指数与地表温度特征空间模型、微波模型、水文模型和气象模型等。图2-3气象卫星全国旬干旱监测图2016/11/28资源与环境遥感24·沙尘暴研究表明,我国区域的沙尘暴与某些低云亮温接近，但反射率不同。西北某些裸露地表与沙尘暴反射率接近，但其亮温却不同。所以，沙尘暴的监测就是利用其与云系、地表反射率及辐射率的差异进行的。目前，利用可见光和红外多光谱卫星通道信息判别沙尘暴仍是较好的方法之一，而夜间还难以进行沙尘暴的观测。·火灾地面物体都通过电磁波向外放射辐射能，不同波长的辐射率是不同的，通常，温度升高时，辐射峰值波长移向短波方向。从气象卫星监测到的火灾发生前后来看，当地表处于常温时，辐射峰值在传感器的、通道的波长范围，而当地面出现火点等高温目标时,其峰值就移向通道，使通道的辐射率增大数百倍，利用这一原理，通过连续不断地观测，就可以及时发现火点。当火灾发生后，可以通过卫星接收到的彩色图象获取火灾现场情况和过火面积，以便客观、准确评估火灾损失，组织救灾。图2-4气象卫星大兴安岭火灾监测图2016/11/28资源与环境