基本介紹
- 中文名：衛星氣象學
- 外文名：Satellite Meteorology
定義,內容,研究簡史,研究內容,研究進程,衛星氣象觀測,氣象衛星地面系統,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,影響,其他信息,
定義
衛星氣象學是套用人造地球衛星探測氣象要素、天氣現象和下墊面特徵信息，研究大氣的科學。
衛星氣象包含衛星氣象學和衛星氣象工程，衛星氣象學是研究利用衛星遙感獲取氣象參數的原理和方法，以及對遙感信息進行處理、套用的一門分支學科。它是20世紀60年代初開始出現的一門新興學科，與多門學科交叉，在大氣科學學中發展最迅速，極富活力的一門學科。
內容
近極地太陽同步軌道衛星軌遭在600~1400km，先後使用30餘種感測器，以較高精度的圖像數據提供數值天氣預報初始場；地球同步軌道氣象衛星以相對於地球的靜止狀態，連續監測同一地區的氣象狀況，從更高的軌道每30分鐘傳送一張雲圖提供雲團動態，顯示大氣的熱力、動力過程。兩種衛星都裝有接收和轉發來自氣球、浮標、船舶和自動記錄氣象站發出的氣象信息。所有這些信息的綜合，已成為天氣分析和預報的重要依據。特別在實測艱難的海洋、高山、凍土和沙漠地區，衛星氣象探測已成為不可或缺的工具。
衛星氣象學主要包括三方面的內容：
（1）氣象衛星遙感理論：主要研究地球大氣和表面對電磁輻射的吸收、發射、散射、反射和極化特性，以及輻射在大氣中的傳輸規律。
（2）衛星遙感信息處理方法，主要包括：
1）對衛星遙感的原始測量值進行質量檢驗、定標、定位和各種校正，轉換成輻射值；
2）把衛星觀測的輻射值轉換成地球大氣和表面的各種氣象參數和地球物理參數；
3）對處理結果進行質量、真實性檢驗；
4）各種遙感信息、氣象信息、地理信息等的融合、顯示。
（3）氣象衛星資料的套用研究，主要包括：
1）衛星雲圖在天氣分析和預報中的套用。如對大尺度天氣系統、熱帶氣旋和中尺度強對流雲團的監測和分析等。在天氣預報中，衛星雲圖現在已是不可缺少的，十分重要的工具；
2）在數值天氣預報中的定量資料套用。進行多維變分同化系統的研究和開發。把衛星遙感的信息輸入數值預報模式，目前，美國和歐洲的業務數值預報系統中，輸入的觀測資料有85%以上來自衛星資料；
3）在氣候變化的監測和預測中的套用。許多氣候變化的信號均可以通過衛星觀測得到。目前，國際上一些涉及全球變化和可持續發展的重大研究計畫，氣象衛星資料的套用具有舉足輕重的地位；
4）在生態環境和自然災害監測中的套用。通過針對生態環境特徵參數的數據處理．可得到植被、水體、積雪、高溫熱源、沙塵暴和氣溶膠等多種參數的空間分布和時間變化。其套用領域、效益及前景極為廣闊。
研究簡史
衛星氣象學1960年美國正式發射了第一顆氣象衛星，至1984年各國相繼發射了10多顆。我國於1990年也發射了第一顆衛星。地球上空有了若干顆低軌氣象衛星（離地約1000km，繞地球一周約100分鐘）和高軌氣象衛星（位於赤道上空35800km處與地球自轉同步運動），利用衛星上裝備的電視照相機、掃描輻射儀、紅外探測器與微波探測器等多種儀器，就可晝夜不停地獲得全球大氣層內溫度、濕度、密度、氣壓、風、雲、輻射等主要氣象要求的時空分布資料。
這些資料包括衛星雲圖資料、衛星探空資料、衛星測風資料和衛星輻射資料四類。衛星雲圖資料有可見光雲圖和紅外雲圖、雲項高度及其溫度、地球上冰和雪的覆蓋範圍、無雲區地球表面（陸地和洋面）的輻射溫度等；衛星探空資料包括溫度、濕度、臭氧的鉛直分布，雲中含水量和降水強度等；衛星測風資料主要是由雲的運動估算風向、風速；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。分析研究這些要素的分布場和變化規律，就可為氣象預報和大氣宏現物理過程的演變提供更全面、更正確的依據。
研究內容
衛星氣象學的研究內容主要有兩方面：
衛星氣象學
衛星氣象學②研究衛星探測資料如何套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；根據溫度鉛直分布廓線和測風資料，為數值天氣分析和預報提供大量非常規觀測資料；根據洋面海水溫度資料、陸地上積雪的覆蓋範圍和高緯度地區洋面積冰範圍的資料，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）。 在遼闊的洋面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。
研究進程
衛星氣象學是二十世紀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後，經歷了兩個重要的發展階段。
衛星氣象學教材
衛星氣象學教材大約在70年代以前，氣象衛星獲得的主要資料是雲圖，並定性地套用於天氣分析、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套用，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，開始套用於大氣科學的各個分支。
氣象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，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。
衛星氣象觀測
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套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（詳見氣象衛星地面系統）。
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頻寬達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、吸收和窗區大多分布在微波和紅外波段，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、多信道微波輻射計和微波雷達與雷射雷達等，也是衛星氣象觀測的主要發展趨勢。
氣象衛星地面系統
數據接收與測控站
數據接收和測控站主要由接收系統、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，而靜止氣象衛星系統一般只有一個數據接收和測控站。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傳送給氣象衛星。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
數據收集系統
數據收集系統包括設在陸地、海洋和航空器上的大量自動環境數據收集站，即數據收集平台。配置不同的感測器可收集不同的環境數據，經採樣、量化、編碼、調製和放大後通過天線發給氣象衛星。這些數據可以是氣象、海洋、水文、地震等方面的數據。每個氣象衛星的數據收集系統可以收集數千個到上萬個平台的數據。數據收集平台一般設定在高山、沙漠、海洋、船舶、氣球、飛機或人煙稀少的邊遠地區以及其他需要監視的地區。它們收集到的數據經氣象衛星轉發，數據接收站接收，送給數據處理中心，經加工處理後分送有關用戶。
數據利用站
數據利用站是接收氣象衛星實時傳送的各種雲圖，供有關地區使用的系統。常用的數據利用站有：自動圖像傳送雲圖站，用以接收極軌衛星傳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傳送的高解析度數位化雲圖；小型數據站，用以接收靜止氣象衛星傳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傳送的高解析度數位化雲圖或模擬傳真雲圖。
影響
氣象衛星和衛星氣象是大氣科學中發展最迅速、成就最顯著的一項大氣探測技術和新興的分支學科。目前 ，氣象衛星已經成為地球大氣探測系統中的主要成員 ，而衛星氣象學則正在覆蓋地球系統科學中的主要方面。
地面系統作為氣象衛星工程大系統中的重要組成部分，對衛星套用效益起重要的作用，在衛星發射後對衛星有效荷載進行運行管理，實施從衛星下傳數據的接收、處理、分發、套用和服務。氣象衛星投入業務運行以後，為改善天氣預報、環境監測和短期氣候預測提供了有用的信息。在天氣預報領域，為颱風、暴雨、冰雹、暴雪、沙塵暴、龍捲風等災害性天氣的預報提供了更有力的手段；在短期氣候預測領域，提供了更多有用的參數，如海表水溫、雪蓋、植被指數等；在環境監測領域，在洪澇、森林草原火情、沙塵暴、雪災和海冰等監測中發揮了重要作用。
其他信息
其它大氣科學分支學科
