[科普中国]-卫星气象学

定义

卫星气象学是应用人造地球卫星探测气象要素、天气现象和下垫面特征信息，研究大气的科学。

卫星气象包含卫星气象学和卫星气象工程，卫星气象学是研究利用卫星遥感获取气象参数的原理和方法，以及对遥感信息进行处理、应用的一门分支学科。它是20世纪60年代初开始出现的一门新兴学科，与多门学科交叉，在大气科学学中发展最迅速，极富活力的一门学科。

内容近极地太阳同步轨道卫星轨遭在600~1400km，先后使用30余种传感器，以较高精度的图像数据提供数值天气预报初始场；地球同步轨道气象卫星以相对于地球的静止状态，连续监测同一地区的气象状况，从更高的轨道每30分钟发送一张云图提供云团动态，显示大气的热力、动力过程。两种卫星都装有接收和转发来自气球、浮标、船舶和自动记录气象站发出的气象信息。所有这些信息的综合，已成为天气分析和预报的重要依据。特别在实测艰难的海洋、高山、冻土和沙漠地区，卫星气象探测已成为不可或缺的工具。2

卫星气象学主要包括三方面的内容：

（1）气象卫星遥感理论：主要研究地球大气和表面对电磁辐射的吸收、发射、散射、反射和极化特性，以及辐射在大气中的传输规律。

（2）卫星遥感信息处理方法，主要包括：

1）对卫星遥感的原始测量值进行质量检验、定标、定位和各种校正，转换成辐射值；

2）把卫星观测的辐射值转换成地球大气和表面的各种气象参数和地球物理参数；

3）对处理结果进行质量、真实性检验；

4）各种遥感信息、气象信息、地理信息等的融合、显示。

（3）气象卫星资料的应用研究，主要包括：

1）卫星云图在天气分析和预报中的应用。如对大尺度天气系统、热带气旋和中尺度强对流云团的监测和分析等。在天气预报中，卫星云图现在已是不可缺少的，十分重要的工具；

2）在数值天气预报中的定量资料应用。进行多维变分同化系统的研究和开发。把卫星遥感的信息输入数值预报模式，目前，美国和欧洲的业务数值预报系统中，输入的观测资料有85%以上来自卫星资料；

3）在气候变化的监测和预测中的应用。许多气候变化的信号均可以通过卫星观测得到。目前，国际上一些涉及全球变化和可持续发展的重大研究计划，气象卫星资料的应用具有举足轻重的地位；

4）在生态环境和自然灾害监测中的应用。通过针对生态环境特征参数的数据处理．可得到植被、水体、积雪、高温热源、沙尘暴和气溶胶等多种参数的空间分布和时间变化。其应用领域、效益及前景极为广阔。3

研究简史在1960～1980年期间，美国、苏联、日本和欧洲空间组织各国先后发射了130颗气象卫星，获得大量全球范围的各种大气探测资料。

1960年美国正式发射了第一颗气象卫星，至1984年各国相继发射了10多颗。我国于1990年也发射了第一颗卫星。地球上空有了若干颗低轨气象卫星（离地约1000km，绕地球一周约100分钟）和高轨气象卫星（位于赤道上空35800km处与地球自转同步运动），利用卫星上装备的电视照相机、扫描辐射仪、红外探测器与微波探测器等多种仪器，就可昼夜不停地获得全球大气层内温度、湿度、密度、气压、风、云、辐射等主要气象要求的时空分布资料。

这些资料包括卫星云图资料、卫星探空资料、卫星测风资料和卫星辐射资料四类。卫星云图资料有可见光云图和红外云图、云项高度及其温度、地球上冰和雪的覆盖范围、无云区地球表面（陆地和洋面）的辐射温度等；卫星探空资料包括温度、湿度、臭氧的铅直分布，云中含水量和降水强度等；卫星测风资料主要是由云的运动估算风向、风速；卫星辐射探测资料包括地-气系统将太阳辐射反射和散射回太空的短波辐射资料，以及地-气系统向太空发射的长波辐射资料。分析研究这些要素的分布场和变化规律，就可为气象预报和大气宏现物理过程的演变提供更全面、更正确的依据。4

研究内容卫星气象学的研究内容主要有两方面：

①研究利用人造地球卫星这一观测平台探测地球大气各种气象要素的原理和方法（见大气遥感）。

②研究卫星探测资料如何应用于大气科学研究的各个领域。如：根据卫星的辐射探测资料，研究地-气系统的辐射平衡；根据温度铅直分布廓线和测风资料，为数值天气分析和预报提供大量非常规观测资料；根据洋面海水温度资料、陆地上积雪的覆盖范围和高纬度地区洋面积冰范围的资料，研究海-气热量交换作用和气候变化；根据卫星云图资料，识别各种不同的天气系统（如锋面、高空急流、台风、温带气旋、反气旋、雷暴），判别天气系统的发展阶段及其未来的演变趋势，估计台风中最大风速，以及估计对流云的降水强度等。由于极轨气象卫星资料并不是同一时刻的观测资料，怎样将这些不同时刻的观测资料用于天气图分析和数值预报中，这是仍在研究的问题（见数值天气预报资料的处理和分析）。 在辽阔的洋面和记录稀少的沙漠及高原地区，卫星云图分析是天气分析和预报的主要依据。许多国家气象部门所发布的天气图，对于海洋地区都是先根据常规资料作出分析，然后利用卫星云图订正。2

研究进程卫星气象学是二十世纪60年代初开始出现的一门新兴学科。从1960年4月1日发射第一颗专用气象卫星后，经历了两个重要的发展阶段。

大约在70年代以前，气象卫星获得的主要资料是云图，并定性地应用于天气分析、天气预报和气象研究；70年代初期，卫星红外辐射仪投入业务应用，而且地面资料处理能力大为提高，使定量的或半定量的卫星探测资料，开始应用于大气科学的各个分支。

在气象卫星探测能力和对探测资料的处理能力的不断提高时，气象卫星将提供更加广泛的卫星气象学资料，其中包括短时间间隔的多通道普通云图和数值图象资料，使卫星云图的分析工作由纯定性分析向半定量和定量分析发展；由以分析大尺度天气系统为主，向同时分析和监视中小尺度天气系统发展；由以气象分析应用为主，向气象、水文、海洋等多学科分析应用发展。

同时，随着气象卫星对温度、风力和湿度等气象要素的探测精度的提高，如何把这些资料更有效地应用于大气模式，以改进数值天气预报的结果，这是未来卫星气象学研究的另一个重要方面。

气象卫星测得的臭氧和气溶胶的含量、大气上界的射入辐射和射出辐射观测，有助于弄清控制大气运动的辐射过程。利用卫星对大气和海洋的观测资料，有助于研究大气和海洋之间极为复杂的能量交换过程。所有这些气象卫星观测资料，都有助于气候变化和气候数值模拟的研究。

卫星气象观测从人造地球卫星上用遥感器探测地球大气的气象要素和天气现象的技术。它是航天技术与遥感技术相结合应用于气象探测的结果。利用人造卫星探测的气象资料可供研究大气运动和为天气预报服务，已形成气象学的一个新分支——卫星气象学。卫星气象观测系统由空间部分——气象卫星和地面系统组成。地面系统主要由数据接收与测控站、数据处理中心、数据收集系统、数据利用站组成（详见气象卫星地面系统）。

卫星气象观测具有地面气象观测无法相比的一些特点：

①观测范围广：一颗极轨道气象卫星每12小时左右就能对全球大气观测一遍，一条轨道在地面的扫描条带宽达2800公里左右。一颗静止气象卫星能获得地球上近一亿平方公里的气象资料，能观测到台风系统的全貌和全过程。

**②观测次数多、时效快：**静止气象卫星一般每20分钟左右即可获得一次观测资料，还可用更短的时间间隔（5～15分钟）取得较小范围的观测资料，对于监视灾害性天气系统特别有利。极轨道气象卫星在经过地面台站上空10多分钟内，可获得1000多万平方公里的资料。

**③不受自然条件和国界的限制：**卫星气象观测能覆盖海洋、沙漠、高原等人烟稀少地区，填补这一些地区的气象观测资料的空白。

卫星气象观测按卫星所载遥感器接收的电磁波信号的来源可分为被动式和主动式两类。前者接收的是大气本身辐射或对太阳辐射的反射的电磁波，后者接收的是遥感器本身向地球大气发射经过地球大气反射回来的电磁波。卫星气象观测按电磁波谱段分为微波、红外、可见光和紫外气象遥感。大气辐射、吸收和窗区大多分布在微波和红外波段，这是现代气象遥感利用最多的波段。卫星气象观测按卫星的轨道分为极轨道观测和地球静止轨道观测。 气象卫星已成为世界天气监视网的主要组成部分，卫星气象观测正向一星多用的方向发展，除气象外，兼有海洋和环境监测的功能。某些专用气象卫星，如地球辐射收支卫星和强风暴观测卫星等正在研制之中。在卫星上对观测数据进行预处理、增加微波遥感的比重、使用大天线、多信道微波辐射计和微波雷达与激光雷达等，也是卫星气象观测的主要发展趋势。5

气象卫星地面系统数据接收与测控站数据接收和测控站主要由接收系统、测控系统和通信设备组成。极轨道卫星系统有多个数据接收和测控站，而静止气象卫星系统一般只有一个数据接收和测控站。它的主要功用是接收气象卫星遥感器感测的信息、经由卫星转发的数据收集平台的数据、空间环境监测器的信息以及卫星本身的遥测数据，经通信设备将这些信息送往数据处理中心。它还将卫星控制中心送来的遥控指令发送给气象卫星。此外，静止气象卫星的数据接收与测控站还要把数据处理中心发来的高低分辨率的云图、天气传真图、对数据收集平台的询问信号转发给气象卫星，根据卫星控制中心的指令对卫星进行跟踪测量并将测得的数据送到数据处理中心。

数据处理中心数据处理中心是由计算机、外围设备和相应软件组成。它对数据接收与测控站送来的信息进行记录、处理，提取各种有用信息，制出各种天气图，把各种观测数据变换成定量的气象数据，分发给天气预报部门和其他用户。这个中心还对整个气象卫星系统进行监视和指挥调度。数据处理中心配备高速大容量计算机，现代常采用人机对话系统处理气象卫星数据。这是一种由数据库管理、应用处理机、显示设备和磁盘等组成的系统，使用灵活，适应范围广，能根据用户实际要求提取和判释更多的有用信息。

数据收集系统数据收集系统包括设在陆地、海洋和航空器上的大量自动环境数据收集站，即数据收集平台。配置不同的传感器可收集不同的环境数据，经采样、量化、编码、调制和放大后通过天线发给气象卫星。这些数据可以是气象、海洋、水文、地震等方面的数据。每个气象卫星的数据收集系统可以收集数千个到上万个平台的数据。数据收集平台一般设置在高山、沙漠、海洋、船舶、气球、飞机或人烟稀少的边远地区以及其他需要监视的地区。它们收集到的数据经气象卫星转发，数据接收站接收，送给数据处理中心，经加工处理后分送有关用户。

数据利用站数据利用站是接收气象卫星实时发送的各种云图，供有关地区使用的系统。常用的数据利用站有：自动图像传送云图站，用以接收极轨卫星发送的实时低分辨率模拟云图；高分辨率图像传送云图站，用以接收极轨气象卫星发送的高分辨率数字化云图；小型数据站，用以接收静止气象卫星发送的低分辨率模拟云图；中型数据站，用以接收静止气象卫星发送的高分辨率数字化云图或模拟传真云图。6

影响气象卫星和卫星气象是大气科学中发展最迅速、成就最显著的一项大气探测技术和新兴的分支学科。目前 ，气象卫星已经成为地球大气探测系统中的主要成员 ，而卫星气象学则正在覆盖地球系统科学中的主要方面。

地面系统作为气象卫星工程大系统中的重要组成部分，对卫星应用效益起重要的作用，在卫星发射后对卫星有效荷载进行运行管理，实施从卫星下传数据的接收、处理、分发、应用和服务。气象卫星投入业务运行以后，为改善天气预报、环境监测和短期气候预测提供了有用的信息。在天气预报领域，为台风、暴雨、冰雹、暴雪、沙尘暴、龙卷风等灾害性天气的预报提供了更有力的手段；在短期气候预测领域，提供了更多有用的参数，如海表水温、雪盖、植被指数等；在环境监测领域，在洪涝、森林草原火情、沙尘暴、雪灾和海冰等监测中发挥了重要作用。7

其他信息其它大气科学分支学科

气候学、物候学、古气候学、年轮气候学、大气化学、动力气象学、大气物理学、大气边界层物理、云和降水物理学、云和降水微物理学、云动力学、雷达气象学、无线电气象学、大气辐射学、大气光学、大气电学、平流层大气物理学、大气声学、天气学、热带气象学、极地气象学、卫星气象学、生物气象学、农业气象学、森林气象学、医疗气象学、水文气象学、建筑气象学、航海气象学、航空气象学、军事气象学、空气污染气象学