衛星氣象學

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更新時間: 2013-12-07

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衛星氣象學是利用衛星探測資料研究大氣的一門學科。它是隨著人造地球衛星的出現而發展起來的大氣科學分支。隨著氣象衛星探測能力和對探測資料的處理能力的不斷提高,氣象衛星將提供更加廣泛的資料,其中包括短時間間隔的多通道普通雲圖和數值圖象資料,使衛星雲圖的分析工作由純定性分析向半定量和定量分析發展;由以分析大尺度天氣系統為主,向同時分析和監視中小尺度天氣系統發展;由以氣象分析應用為主,向氣象、水文、海洋等多學科分析應用發展。

衛星氣象學 -研究簡史
衛星氣象學衛星氣象學

在1960~1980年期間,美國、蘇聯、日本和歐洲空間組織各國先後發射了 130顆氣象衛星,獲得大量全球範圍的各種大氣探測資料:①衛星雲圖資料。包括可見光雲圖和紅外雲圖、雲頂高度及其溫度、地球上冰和雪的覆蓋範圍、無雲區地球表面(陸地和洋麵)的輻射溫度等;②衛星探空資料。包括溫度、濕度、臭氧的鉛直分佈,雲中含水量和降水強度等;③衛星測風資料。主要是由雲的運動估算風向風速;④衛星輻射探測資料。包括地-氣系統將太陽輻射反射和散射回太空的短波輻射資料,以及地-氣系統向太空發射的長波輻射資料。

衛星氣象學是20世紀60年代初開始出現的一門新興學科。從1960年4月1日發射第一顆專用氣象衛星后的20年內,已經歷了兩個重要的發展階段。大約在70年代以前,氣象衛星獲得的主要資料是雲圖,並定性地應用於天氣分析、天氣預報和氣象研究,70年代初期,衛星紅外輻射儀投入業務應用,而且地面資料處理能力大為提高,使定量的或半定量的衛星探測資料,開始應用於大氣科學的各個分支。

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衛星氣象學 -研究內容
衛星氣象學衛星氣象學

主要有兩方面:①研究利用衛星這一觀測平台探測地球大氣各種氣象要素的原理和方法(見大氣遙感)。②研究衛星探測資料如何應用於大氣科學研究的各個領域。如:根據衛星的輻射探測資料,研究地-氣系統的輻射平衡;根據溫度鉛直分佈廓線和測風資料,為數值天氣分析和預報提供大量非常規觀測資料;根據洋麵海水溫度資料、陸地上積雪的覆蓋範圍和高緯度地區洋麵積冰範圍的資料,研究海-氣熱量交換作用和氣候變化;根據衛星雲圖資料,識別各種不同的天氣系統(如鋒面、高空急流、颱風、溫帶氣旋、反氣旋、雷暴),判別天氣系統的發展階段及其未來的演變趨勢,估計颱風中最大風速,以及估計對流雲的降水強度等。由於極軌氣象衛星資料並不是同一時刻的觀測資料,怎樣將這些不同時刻的觀測資料用於天氣圖分析和數值預報中,這是仍在研究的問題(見數值天氣預報資料的處理和分析)。 在遼闊的洋麵和記錄稀少的沙漠及高原地區,衛星雲圖分析是天氣分析和預報的主要依據。許多國家氣象部門所發布的天氣圖,對於海洋地區都是先根據常規資料作出分析,然後利用衛星雲圖訂正。

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衛星氣象學 -系統

數據接收與測控站 

衛星氣象學衛星氣象學基礎

主要由接收系統、測控系統和通信設備組成。極軌道衛星系統有多個數據接收和測控站,而靜止衛星系統一般只有一個站。它的主要功用是接收氣象衛星遙感器感測的信息、經由衛星轉發的數據收集平台的數據、空間環境監測器的信息以及衛星本身的遙測數據,經通信設備將這些信息送往數據處理中心。它還將衛星控制中心送來的遙控指令發送給氣象衛星。此外,靜止氣象衛星的數據接收與測控站還要把數據處理中心發來的高低解析度的雲圖、天氣傳真圖、對數據收集平台的詢問信號轉發給氣象衛星,根據衛星控制中心的指令對衛星進行跟蹤測量並將測得的數據送到數據處理中心。

數據處理中心 
由計算機、外圍設備和相應軟體組成。它對數據接收與測控站送來的信息進行記錄、處理,提取各種有用信息,制出各種天氣圖,把各種觀測數據變換成定量的氣象數據,分發給天氣預報部門和其他用戶。這個中心還對整個氣象衛星系統進行監視和指揮調度。數據處理中心配備高速

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衛星氣象學衛星氣象學

大容量計算機,現代常採用人機對話系統處理氣象衛星數據。這是一種由資料庫管理、應用處理機、顯示設備和磁碟等組成的系統,使用靈活,適應範圍廣,能根據用戶實際要求提取和判釋更多的有用信息。

數據利用站 
接收氣象衛星實時發送的各種雲圖,供有關地區使用。常用的數據利用站有:自動圖像傳送雲圖站,用以接收極軌衛星發送的實時低解析度模擬雲圖;高解析度圖像傳送雲圖站,用以接收極軌氣象衛星發送的高解析度數字化雲圖;小型數據站,用以接收靜止氣象衛星發送的低解析度模擬雲圖;中型數據站,用以接收靜止氣象衛星發送的高解析度數字化雲圖或模擬傳真雲圖。

衛星氣象學 -觀測
衛星氣象學衛星氣象學

從人造地球衛星上用遙感器探測地球大氣的氣象要素和天氣現象的技術。它是航天技術與遙感技術相結合應用於氣象探測的結果。利用人造衛星探測的氣象資料可供研究大氣運動和為天氣預報服務,已形成氣象學的一個新分支──衛星氣象學。衛星氣象觀測系統由空間部分──氣象衛星和地面系統組成。地面系統主要由數據接收與測控站、數據處理中心、數據收集系統、數據利用站組成(見氣象衛星地面系統)。

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衛星氣象觀測具有地面氣象觀測無法相比的一些特點。①觀測範圍廣:一顆極軌道氣象衛星每12小時左右就能對全球大氣觀測一遍,一條軌道在地面的掃描條帶寬達2800公里左右。一顆靜止氣象衛星能獲得地球上近一億平方公里的氣象資料,能觀測到颱風系統的全貌和全過程。②觀測次數多、時效快:靜止氣象衛星一般每20分鐘左右即可獲得一次觀測資料,還可用更短的時間間隔(5~15分鐘)取得較小範圍的觀測資料,對於監視災害性天氣系統特別有利。極軌道氣象衛星在經過地面台站上空10多分鐘內,可獲得1000多萬平方公里的資料。③不受自然條件和國界的限制:衛星氣象觀測能覆蓋海洋、沙漠、高原等人煙稀少地區,填補這一些地區的氣象觀測資料的空白。

衛星氣象觀測按衛星所載遙感器接收的電磁波信號的來源可分為被動式和主動式兩類。前者接收的是大氣本身輻射或對太陽輻射的反射的電磁波,後者接收的是遙感器本身向地球大氣發射經過地球大氣反射回來的電磁波。衛星氣象觀測按電磁波譜段分為微波、紅外、可見光和紫外氣象遙感。大氣輻射、吸收和窗區大多分佈在微波和紅外波段,這是現代氣象遙感利用最多的波段。衛星氣象觀測按衛星的軌道分為極軌道觀測和地球靜止軌道觀測。 氣象衛星已成為世界天氣監視網的主要組成部分,衛星氣象觀測正向一星多用的方向發展,除氣象外,兼有海洋和環境監測的功能。某些專用氣象衛星,如地球輻射收支衛星和強風暴觀測衛星等正在研製之中。在衛星上對觀測數據進行預處理、增加微波遙感的比重、使用大天線、多通道微波輻射計和微波雷達與激光雷達等,也是衛星氣象觀測的主要發展趨勢。

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衛星氣象學 -展望

隨著氣象衛星對溫度、風和濕度等氣象要素的探測精度的提高,如何把這些資料更有效地應用於大氣模式,以改進數值天氣預報的結果,這是未來衛星氣象學研究的另一個重要方面。衛星測得的臭氧和氣溶膠的含量、大氣上界的射入輻射和射出輻射觀測,都有助於弄清控制大氣運動的輻射過程。利用衛星對大氣和海洋的觀測資料,有助於研究大氣和海洋之間極為複雜的能量交換過程。所有這些氣象衛星觀測資料,都有助於氣候變化和氣候數值模擬的研究。

衛星氣象學 -相關學科

大氣科學、氣候學、物候學、古氣候學、年輪氣候學、大氣化學、動力氣象學、大氣物理學、大氣邊界層物理、雲和降水物理學、雲和降水微物理學、雲動力學、雷達氣象學、無線電氣象學、大氣輻射學、大氣光學、大氣電學、平流層大氣物理學、大氣聲學、天氣學、熱帶氣象學、生物氣象學、農業氣象學、森林氣象學、醫療氣象學、水文氣象學、建築氣象學、航海氣象學、航空氣象學、軍事氣象學、空氣污染氣象學。

衛星氣象學 -參考資料

[1] 大科普網 http://www.ikepu.com/geography/atmospheric/branch/polar_meteorology_total.htm
[2] 澤澤網 http://www.zzgwu.com/wiki/index.php?doc-view-13541

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