衛(wèi)星氣象學講義第二章衛(wèi)星的運動和氣象衛(wèi)星

2024-02-02衛(wèi)星氣象學講義第二章衛(wèi)星的運動和氣象衛(wèi)星目錄衛(wèi)星運動基本原理氣象衛(wèi)星概述衛(wèi)星軌道與觀測范圍氣象衛(wèi)星載荷及功能數(shù)據(jù)傳輸與處理技術氣象衛(wèi)星應用案例分析01衛(wèi)星運動基本原理123衛(wèi)星在不受外力作用時，其運動狀態(tài)不會發(fā)生改變。牛頓第一定律（慣性定律）衛(wèi)星所受外力與其質(zhì)量成正比，與加速度成反比。牛頓第二定律（加速度定律）任何兩個物體之間都存在引力，引力大小與兩物體質(zhì)量的乘積成正比，與兩物體距離的平方成反比。萬有引力定律牛頓運動定律與萬有引力03開普勒第三定律（周期定律）行星繞太陽公轉的周期的平方與其橢圓軌道半長軸的立方成正比。01開普勒第一定律（軌道定律）所有行星繞太陽的軌道都是橢圓，太陽位于橢圓的一個焦點上。02開普勒第二定律（面積定律）行星與太陽的連線在相等時間內(nèi)掃過的面積相等。開普勒三大定律包括軌道傾角、升交點赤經(jīng)、近地點幅角、軌道半長軸和偏心率等，這些參數(shù)決定了衛(wèi)星軌道的形狀、大小和方向。根據(jù)軌道高度和傾角的不同，衛(wèi)星軌道可分為低地球軌道（LEO）、中地球軌道（MEO）、地球同步軌道（GEO）和極地軌道等。衛(wèi)星軌道參數(shù)及分類軌道分類軌道參數(shù)衛(wèi)星繞地球公轉的周期與地球自轉周期相同，且方向一致。這種軌道上的衛(wèi)星與地球保持相對靜止，常用于通信和氣象觀測等領域。地球同步軌道衛(wèi)星軌道平面與地球赤道平面垂直，且經(jīng)過地球兩極。這種軌道上的衛(wèi)星可以覆蓋全球范圍，適用于全球性的氣象觀測、資源調(diào)查等任務。極地軌道地球同步軌道與極地軌道02氣象衛(wèi)星概述氣象衛(wèi)星是專門用于大氣探測的衛(wèi)星，搭載多種遙感儀器，用于獲取地球大氣環(huán)境信息。定義提供全球范圍的氣象觀測數(shù)據(jù)，監(jiān)測和預報天氣、氣候和環(huán)境變化，對氣象災害進行預警和評估。作用氣象衛(wèi)星定義及作用國內(nèi)氣象衛(wèi)星風云系列氣象衛(wèi)星，包括極軌氣象衛(wèi)星和靜止氣象衛(wèi)星，提供多種氣象觀測產(chǎn)品和服務。國外氣象衛(wèi)星美國NOAA系列、歐洲Meteosat系列、日本MTSAT系列等，各具特色，為全球氣象觀測做出貢獻。國內(nèi)外典型氣象衛(wèi)星介紹發(fā)展歷程從20世紀60年代開始，氣象衛(wèi)星經(jīng)歷了試驗階段、發(fā)展階段和成熟階段，技術不斷升級，應用領域不斷拓寬。發(fā)展趨勢未來氣象衛(wèi)星將更加注重多星協(xié)同觀測、高分辨率觀測、全天候觀測和定量化應用等方面的發(fā)展。氣象衛(wèi)星發(fā)展歷程與趨勢遙感技術在氣象領域應用遙感技術種類包括可見光遙感、紅外遙感、微波遙感等，各具優(yōu)勢，互為補充。氣象領域應用遙感技術在氣象領域廣泛應用于天氣預報、氣候監(jiān)測、災害評估、環(huán)境監(jiān)測等方面，為氣象事業(yè)提供了強有力的技術支持。03衛(wèi)星軌道與觀測范圍

地球同步軌道觀測特點地球同步軌道衛(wèi)星與地球自轉同步，相對地面靜止，可連續(xù)觀測同一地區(qū)。適用于監(jiān)測大范圍的天氣系統(tǒng)和氣候變化。但由于軌道高度較高，對地面分辨率有所限制。極地軌道衛(wèi)星能夠覆蓋全球范圍，尤其適用于高緯度地區(qū)的觀測?？商峁┹^高分辨率的地面圖像和數(shù)據(jù)。適用于監(jiān)測極地氣候、海冰、臭氧層等。極地軌道觀測優(yōu)勢分析地球同步軌道和極地軌道是氣象衛(wèi)星常用的兩種軌道類型，它們對觀測范圍有著不同的影響。地球同步軌道衛(wèi)星主要覆蓋赤道附近地區(qū)，而極地軌道衛(wèi)星則能夠覆蓋全球范圍。根據(jù)不同的觀測需求，可以選擇合適的軌道類型進行觀測。不同軌道類型對觀測范圍影響通過調(diào)整衛(wèi)星軌道高度、傾角和偏心率等參數(shù)，可以優(yōu)化衛(wèi)星的觀測范圍和覆蓋頻率。采用多顆衛(wèi)星組網(wǎng)觀測，可以提高觀測效率和數(shù)據(jù)質(zhì)量。針對特定天氣系統(tǒng)和事件，可以制定專門的軌道調(diào)整策略進行觀測。軌道調(diào)整策略以提高觀測效率04氣象衛(wèi)星載荷及功能輻射計種類全輻射計、分光輻射計、紅外輻射計等，用于測量不同波段的輻射能量。工作原理通過感應目標物體發(fā)射、反射或透射的電磁輻射能量，將其轉換為電信號進行記錄、計算和分析。輻射計類型及工作原理靈敏度準確性分辨率穩(wěn)定性探測儀器性能指標評價方法01020304儀器對微弱輻射的響應能力，以單位輻射量所引起的儀器響應值表示。儀器測量值與實際值之間的偏差程度，通過校準和比對等方法進行評價。儀器對相鄰輻射量變化的辨別能力，包括光譜分辨率、空間分辨率和時間分辨率等。儀器在長時間工作過程中保持性能不變的能力，受溫度、濕度等環(huán)境因素影響。微波能夠穿透云層和天氣條件，不受光照和時間限制，因此適用于氣象預報和災害監(jiān)測等領域。穿透性強微波遙感可以探測大氣溫度、濕度、風速等參數(shù)，為數(shù)值天氣預報提供重要輸入數(shù)據(jù)。探測大氣參數(shù)微波遙感可以監(jiān)測海面溫度、鹽度、海冰等海洋環(huán)境參數(shù)，對海洋氣象預報和海洋災害預警具有重要意義。監(jiān)測海洋環(huán)境微波遙感在氣象預報中應用發(fā)展趨勢隨著衛(wèi)星技術和遙感技術的發(fā)展，氣象衛(wèi)星載荷將向更高分辨率、更寬波段范圍、更多探測要素等方向發(fā)展。技術挑戰(zhàn)高分辨率和寬波段范圍對儀器的光學性能、機械結構和數(shù)據(jù)處理能力提出了更高要求；同時，為了獲取更多探測要素，需要研發(fā)新型探測技術和數(shù)據(jù)處理算法。應用挑戰(zhàn)隨著氣象衛(wèi)星載荷性能的提升，如何將其應用到實際氣象業(yè)務中并發(fā)揮最大效益是一個重要問題；此外，還需要加強與其他遙感手段和地面觀測數(shù)據(jù)的融合應用，提高氣象預報和災害監(jiān)測的準確性和時效性。載荷發(fā)展趨勢與挑戰(zhàn)05數(shù)據(jù)傳輸與處理技術包括主動式和被動式遙感，如雷達、激光雷達、輻射計等傳感器，用于獲取不同波段和分辨率的氣象數(shù)據(jù)。遙感數(shù)據(jù)獲取方式通過衛(wèi)星下行鏈路將數(shù)據(jù)傳輸至地面接收站，包括實時傳輸和延時傳輸兩種方式，確保數(shù)據(jù)的及時性和完整性。傳輸途徑遙感數(shù)據(jù)獲取方式及傳輸途徑設備配置接收站應具備高性能的接收設備、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和存儲設備，以滿足大量遙感數(shù)據(jù)的接收和處理需求。地理位置選擇優(yōu)先考慮氣象災害頻發(fā)、氣象監(jiān)測需求大的地區(qū)，同時考慮與衛(wèi)星軌道的覆蓋范圍和通信條件。備份與冗余設計為確保數(shù)據(jù)接收的連續(xù)性和可靠性，應建立備份接收站或采用冗余設計，以應對設備故障或自然災害等突發(fā)情況。地面接收站建設布局規(guī)劃原則包括數(shù)據(jù)格式轉換、輻射定標、幾何校正等步驟，以消除傳感器誤差和成像過程中的畸變。數(shù)據(jù)預處理采用圖像增強技術改善圖像質(zhì)量，突出氣象要素信息；利用特征提取方法提取云、降水等氣象要素的特征參數(shù)。圖像增強與特征提取將遙感數(shù)據(jù)與地面觀測數(shù)據(jù)、數(shù)值預報模型輸出等進行同化與融合，提高氣象預報的準確性和精細化程度。數(shù)據(jù)同化與融合數(shù)據(jù)處理流程和方法論述VS建立嚴格的數(shù)據(jù)質(zhì)量控制體系，包括數(shù)據(jù)完整性檢查、一致性檢驗、準確性驗證等環(huán)節(jié)，確保數(shù)據(jù)的可靠性和準確性。誤差來源分析分析遙感數(shù)據(jù)獲取過程中可能出現(xiàn)的誤差來源，如傳感器誤差、大氣干擾誤差、幾何定位誤差等，為數(shù)據(jù)處理和質(zhì)量控制提供依據(jù)。同時，針對不同類型的誤差采取相應的校正和補償措施，提高數(shù)據(jù)的精度和可用性。數(shù)據(jù)質(zhì)量控制數(shù)據(jù)質(zhì)量控制和誤差來源分析06氣象衛(wèi)星應用案例分析利用氣象衛(wèi)星獲取云圖資料，分析云系結構、移動速度和方向，為天氣預報提供重要依據(jù)。衛(wèi)星云圖監(jiān)測水汽監(jiān)測輻射監(jiān)測通過衛(wèi)星水汽通道觀測，獲取大氣中水汽分布和輸送情況，有助于判斷降水條件和強度。氣象衛(wèi)星可監(jiān)測太陽輻射和地表輻射平衡，為分析天氣系統(tǒng)和氣候變化提供關鍵數(shù)據(jù)。030201天氣預報中關鍵因子監(jiān)測實例利用氣象衛(wèi)星實時監(jiān)測臺風路徑、強度和結構，為臺風預警和防災減災提供重要支持。臺風監(jiān)測通過衛(wèi)星觀測暴雨云團的發(fā)展演變，結合地面觀測資料，提高暴雨預警的準確性和時效性。暴雨監(jiān)測氣象衛(wèi)星可監(jiān)測沙塵暴的發(fā)生、發(fā)展和輸送路徑，為沙塵暴預警和生態(tài)環(huán)境治理提供依據(jù)。沙塵暴監(jiān)測災害性天氣過程監(jiān)測預警效果評估溫室氣體監(jiān)測利用氣象衛(wèi)星觀測大氣中溫室氣體的濃度和分布，為氣候變化研究和政策制定提供數(shù)據(jù)支持。海平面變化監(jiān)測衛(wèi)星觀測可獲取海平面高度、溫度和鹽度等數(shù)據(jù)，有助于分析海平面上升對氣候變化的影響。極地監(jiān)測氣象衛(wèi)星可觀測極地冰雪覆蓋、海冰變化等情況，為分析極地氣候變化和全球氣候系統(tǒng)提供重要信息。氣候變化監(jiān)測和評估中作用探討海洋領域合作利用氣象衛(wèi)星觀測海洋環(huán)境，為海洋漁業(yè)