衛(wèi)星氣象學氣象衛(wèi)星觀測系統(tǒng)

衛(wèi)星氣象學,章節(jié)內(nèi)容,4.1 A-Train衛(wèi)星編隊 4.2 TRMM熱帶降水衛(wèi)星 4.3 GOSE靜止衛(wèi)星系列 4.4 NOAA極軌衛(wèi)星系列,4.1 A-Train衛(wèi)星編隊 Aqua衛(wèi)星,2002年5月4日當?shù)貢r間早晨2時55分，美國地球觀測系統(tǒng)下午星系列第一顆衛(wèi)星- AQUA衛(wèi)星在美國加州萬德伯哥空軍基地發(fā)射成功.它屬于太陽同步極軌衛(wèi)星，每日地方時下午過境，因此稱作地球觀測第一顆下午星（EOSPM1），在數(shù)據(jù)采集時間上與TERRA形成互補,AQUA衛(wèi)星介紹,AQUA衛(wèi)星攜帶的儀器有： 云與地球輻射能量系統(tǒng)測量儀CERES (Clouds and the Earths Radiant Energy System) 中分辨率成像光譜儀MODIS (Moderate-resolution Imaging Spectroradiometer ) 大氣紅外探測器AIRS (Atmospheric Infrared Sounder) 先進微波探測器AMSU (Advanced Microwave Sounding Unit) 巴西濕度探測器HSB (Humidity Sounder for Brazil) 先進微波掃描輻射計AMSR-E (Advanced Microwave Scanning Radiometer-EOS),Aqua與Terra技術(shù)參數(shù)的對比,AQUA衛(wèi)星的儀器基本說明,“Aqua”衛(wèi)星觀測地球大氣系統(tǒng)中的水,包括海洋上的蒸發(fā)、大氣中的水汽、云、降水、土壤濕度、海冰、陸冰、雪蓋以及冰等；另外還測量輻射能量通量、氣溶膠、陸地植被覆蓋、浮游植物、及海洋、陸地和水體的溫度等，這些參數(shù)對于氣候預測研究，大氣環(huán)境監(jiān)測、陸地植被及海洋生物識別等都具有重要的科學意義。,Aqua的科學目標,MODIS MODerate-resolution Imaging Spectroradiometer 中分辨率成像光譜儀,MODIS有36個通道，觀測的波段從0.41到14.4m，儀器沿衛(wèi)星飛行方向左右各55掃描，掃描寬度達2330km，1或2天的觀測便可以覆蓋全球，觀測像素點有三種分辨率分別為0.25千米（0.66和0.86m通道），0.5千米（0.47, 0.55, 1.24, 1.64和2.13m通道）和1 千米（剩余29 個通道）。,MODIS的技術(shù)指標,MODIS 的各個通道、波段以及主要用途,MODIS數(shù)據(jù)產(chǎn)品分級系統(tǒng)：根據(jù)數(shù)據(jù)間相互依存關(guān)系將MODIS標準數(shù)據(jù)產(chǎn)品分為5級，它們分別是：0級、1級、2級、3級和4級。 0級數(shù)據(jù)：衛(wèi)星地面站直接接收到的、未經(jīng)處理的、包括全部數(shù)據(jù)信息在內(nèi)的原始數(shù)據(jù)為0級數(shù)據(jù)。 1級數(shù)據(jù)：對沒有經(jīng)過處理的、完全分辨率的儀器數(shù)據(jù)進行重建，數(shù)據(jù)時間配準，使用輔助數(shù)據(jù)注解，計算和增補到0級數(shù)據(jù)之后為1級數(shù)據(jù)。 2級數(shù)據(jù)：在1級數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上開發(fā)出的、具有相同空間分辨率和覆蓋相同地理區(qū)域的數(shù)據(jù)為2級數(shù)據(jù)。 3級數(shù)據(jù)：3級數(shù)據(jù)是以統(tǒng)一的時間-空間柵格表達的變量，通常具有一定的完整性和一致性。在3級水平上，將可以集中進行科學研究。 4級數(shù)據(jù)：通過分析模型和綜合分析3級以下數(shù)據(jù)得出的結(jié)果數(shù)據(jù)為4級數(shù)據(jù)。 0級數(shù)據(jù)文件的擴展名為（.pds），1級及以上數(shù)據(jù)文件的擴展名為（.hdf），快視圖像文件的擴展名為（.jpg）,MODIS的數(shù)據(jù)產(chǎn)品分級,MODIS的數(shù)據(jù)產(chǎn)品分類,44種標準數(shù)據(jù)產(chǎn)品按照4個專題做以下介紹：,44種產(chǎn)品：按照4個專題（1/4：大氣）,MODIS在大氣中的應(yīng)用,1、云：云具有很重要的氣候效應(yīng)。 它不但能夠影響地-氣系統(tǒng)之間的能量平衡，而且也能夠影響衛(wèi)星反演其它地表或大氣特征物的特性。云的重要特性，例如相位、光學厚度和溫度等都能使用MODIS數(shù)據(jù)反演得到。 2、氣溶膠：氣溶膠同樣是氣候變化中很不確定的因子之一。 它的時空變化能夠引起云微物理特性的變化，因而能影響云的輻射特性和氣候。MODIS氣溶膠產(chǎn)品用于研究氣候?qū)W、特有的氣溶膠類型的起源和匯集、氣溶膠和云的相互作用和遙感中的地表反射率的大氣校正等。其主要有Terra衛(wèi)星觀測獲得的MOD04_L2數(shù)據(jù)產(chǎn)品和Aqua衛(wèi)星獲得的MYD04_L2數(shù)據(jù)產(chǎn)品。 3、水汽：探測水汽是掌握地球能力估算和氣候的關(guān)鍵。 水汽產(chǎn)品主要包括Terra衛(wèi)星觀測獲得的MOD05_L2數(shù)據(jù)產(chǎn)品和Aqua衛(wèi)星獲得的MYD05_L2數(shù)據(jù)產(chǎn)品。這種數(shù)據(jù)產(chǎn)品對于了解水文循環(huán)、氣溶膠特性、氣溶膠與云的相互作用、能量估算和氣候都非常必要。卷云頂水汽的含量尤其重要。,MODIS的觀測舉例-云,云量的全球探測,MODIS的觀測舉例-云,水云粒子半徑的全球探測,MODIS的觀測舉例-氣溶膠,氣溶膠光學厚度的全球探測,MODIS的觀測舉例-水汽,整個大氣柱中水汽含量的全球探測,44種產(chǎn)品：按照4個專題 （2/4：陸地）,44種產(chǎn)品：按照4個專題 （3/4：冰雪）,表面反射率：所有陸地產(chǎn)品（除了地表溫度）都需要輸入表面反射率。表面反射率是MODIS發(fā)射中的標準產(chǎn)品。MODIS大氣校正算法將會校正氣體和氣溶膠散射和吸收、陸地覆蓋變化引起的表面臨近效應(yīng)以及大氣及表面各向異性的耦合效應(yīng)。,MODIS在陸地、冰雪方面的應(yīng)用（一）,LST和發(fā)射率：地表溫度LST是地表作用的關(guān)鍵參數(shù)之一。在許多研究領(lǐng)域中都需要用到LST，包括氣候?qū)W、水文學、生物學和地質(zhì)學。例如，它是大范圍水文系統(tǒng)、全球初級生產(chǎn)率和溫室效應(yīng)建模的重要因素。另外，它還應(yīng)用于農(nóng)業(yè)，例如對小麥所需的水量進行估定，以及判斷霜降對桔林的損害,MODIS在陸地、冰雪方面的應(yīng)用（二）,冰雪覆蓋：主要分為湖冰、海冰、積雪和冰川。MODIS冰雪產(chǎn)品分辨率為500米，視場為2330千米，為正弦曲線格柵圖像。它的算法為自動化的，能產(chǎn)生連續(xù)的數(shù)據(jù)集，用于需要冰雪覆蓋信息的長期氣候研究。,MODIS在陸地、冰雪方面的應(yīng)用（三）,植被指數(shù)：MODIS植被指數(shù)產(chǎn)品是為了進行全球植被連續(xù)的、時間的和空間的對比，從而監(jiān)測光合作用。有兩種植被指數(shù)，分別是歸一化植被指數(shù)NDVI和增強植被指數(shù)EVI。它們的分辨率為1000米和500米，周期為16天。這兩種植被指數(shù)用于全球植被研究，相互補充。,MODIS在陸地、冰雪方面的應(yīng)用（四）,火災(zāi)和熱量異常：火災(zāi)使地表覆蓋產(chǎn)生了變化，并且向大氣釋放出一些氣體和微粒，影響了生物系統(tǒng)和大氣化學成分。衛(wèi)星對活火山的分辨也非常重要，因為它們對地球具有物理作用，包括臭氧的破壞和全球溫度的降低。MODIS火災(zāi)和熱量異常產(chǎn)品包括火災(zāi)的計時和分布以及特征的信息，例如火災(zāi)發(fā)出的能量。這種產(chǎn)品每天獲取一次。,MODIS在陸地、冰雪方面的應(yīng)用（五）,44種產(chǎn)品：按照4個專題 （ 4/4：海洋 ）,MODIS在海洋方面的應(yīng)用（一）,MODIS在海洋方面的應(yīng)用（二）,葉綠素濃度的監(jiān)測,空間分辨率大幅提高。空間分辨率提高了一個量級,由NOAA 的千米級提高到了MODIS 的百米級。 時間分辨率高。一天可過境4次,對各種突發(fā)性、快速變化的自然災(zāi)害有更強的實時監(jiān)測能力,適合于實時監(jiān)測。 光譜分辨率大大提高。有36個波段,這種多通道觀測大大增強了對地球復雜系統(tǒng)的觀測能力和對地表類型的識別能力。 MODIS 窄波段的優(yōu)勢（NIR避免了水汽吸收中心） VIIRS 基本上參照MODIS波段設(shè)置。 TERRA和AQUA雙星（上午與下午）可能帶來的影響： (1) 觀測對象變化； (2) 大氣變化；(3) 觀測幾何變化 MODIS與同平臺其他傳感器的協(xié)同 Terra: MODIS,CERES,ASTER，MOPITT，MISR Aqua: MODIS,CERES,AIRS,AMSU-A,AMSR-E,HSB,MODIS優(yōu)點及趨勢：,相關(guān)網(wǎng)站:國內(nèi) （1） / （2）/eos/project.html （3）/ （4）/index.asp 國外 （1） / （2）/ （3）http:/T/,AIRS 大氣紅外探測器 (Atmospheric Infrared Sounder),大氣紅外探測器AIRS的主要目的是通過2378個紅外通道（3.74至15.4微米）以及4個可見光/近紅外通道（0.4至1微米）來獲得高精度的大氣溫度廓線以及一些額外的地球/大氣產(chǎn)品。該儀器的掃描寬度達到1650千米，近天底的水平分辨率為13.5千米，而垂直分辨率為1千米。,AIRS的技術(shù)指標,衛(wèi)星大氣探測要對數(shù)值天氣預報作出重大貢獻，一是儀器探測能力的提高，二是反演出的全球大氣溫、濕廓線精度能夠達到無線電探空水平。 AIRS之前的星載大氣探測儀由于受濾光片式分光技術(shù)限制，探測儀光譜分辨率（/）僅為50200左右，光譜和輻射測量精度不足，對大氣溫度和濕度的反演精度最高只能分別達到2.0K和20%。 只有當光譜分辨率R 1200，并且儀器的輻射測量絕對精度優(yōu)于0.2K時，大氣探測儀對溫度的探測精度才可能達到無線電探空水平.,AIRS的光譜特征,AIRS紅外光譜覆蓋示意圖,AIRS在整個波段包含了 CO2強吸收帶（15.5m和4.3m），主要用來探測大氣溫度；水汽吸收帶（6.3m）用于探測大氣濕度和云的特性；O3吸收帶(9.6m）、CH4吸收帶（7.7m）, N2O吸收帶（7.8m和4.5m）、 CO吸收帶（4.67m), O3、CH4、N2O等吸收帶可以探測相應(yīng)的臭氧和其他微量氣體；另外，還包含一些窗區(qū)波段。,AIRS的通道特征,AIRS的數(shù)據(jù)產(chǎn)品：,AIRS的數(shù)據(jù)介紹,1A和lB級數(shù)據(jù)集為經(jīng)輻射定標和地理定標后的輻射率數(shù)據(jù)集。 2級數(shù)據(jù)集為溫濕度廓線、云和地面參數(shù)數(shù)據(jù)集。 3級數(shù)據(jù)集為以升軌和降軌區(qū)分的在2級數(shù)據(jù)集基礎(chǔ)上進行日平均、8天平均和月平均的全球格點數(shù)據(jù)集。,AIRS的數(shù)據(jù)介紹：,AIRS的主要科學目標：,AIRS所提供的高光譜高精度大氣溫濕度資料及云、地表、臭氧等參數(shù)資料被廣泛應(yīng)用于全球氣候研究和天氣預報。它極大地提高了對流層溫度廓線及大氣濕度測量準確度，使1公里對流層溫度準確度達到1K,在晴空或部分云覆蓋條件下大氣濕度廓線準確度達到10%,同時使地表溫度反演的平均準確度達到0.5K.,AIRS的觀測舉例（1）：,AIRS提供的2009年5月白天大氣溫度（700百帕），單位：華氏,AIRS的觀測舉例（2）：,AIRS提供的2008年7月二氧化碳的含量,AMSU 先進微波探測器 (Advanced Microwave Sounding Unit),先進的微波探測元AMSU-A是一個具有15個通道（15-90GHz）的微波探測器，該儀器的設(shè)計目的是探測大氣中有云和無云區(qū)域不同高度的溫度和水分蒸發(fā)狀態(tài)。第一個AMSU儀器裝載于1998年發(fā)射的NOAA 15衛(wèi)星上。其掃描范圍達到1650千米，近天底的水平分辨率為40千米。,AMSU-A的技術(shù)指標,AIRS的數(shù)據(jù)產(chǎn)品：,AMSU的數(shù)據(jù)介紹,AMSU的觀測舉例（1）：,AMSU提供的海冰的覆蓋面積,AMSU的觀測舉例（2）：,AMSU提供的大氣中總的可降水量（毫米）,HSB 巴西濕度探測器 (Humidity Sounder for Brazil),由巴西提供的濕度探測器HSB是一個4 通道（一個通道在150GHz，三個通道在183GHz）的被動微波遙感儀器，目的是用于獲得整個大氣的濕度廓線。HSB也是AIRS/AMSU-A/HSB三角觀測系統(tǒng)中的一員，該儀器在多云及霧霾的情況下也能提供濕度的探測數(shù)據(jù)，掃描寬度1650千米，近天底分辨率13.5千米。,HSB的技術(shù)指標,AIRS的數(shù)據(jù)產(chǎn)品：,HSB的數(shù)據(jù)介紹,AIRS/AMSU/HSB,AIRS/AMSU/HSB 是目前最先進的一套從紅外到微波波段探測大氣垂直廓線的觀測儀，用于測量大氣溫度，提供大氣的水汽分布信息，云、海/陸地表面溫度及大氣濕度數(shù)據(jù)，是作為氣候研究的EOS系統(tǒng)中的重要組成部分，以獲取大氣、陸地、海洋目標的多光譜、高光譜數(shù)據(jù)。,通過AIRS/AMSU/HSB我們可以得到： 海表面溫度和大氣溫度廓線； 陸面溫度及紅外地表比輻射率； 水汽廓線及總體可沉降水汽量； 云覆蓋率，云的紅外輻射率，云頂氣壓，云頂溫度； 臭氧廓線及總體臭氧柱密度； 微量氣體的密度（像CH4及CO等），以及微量氣體可能出現(xiàn)的高度,AMSR-E 地球觀測系統(tǒng)先進微波掃描輻射計 (Advanced Microwave Scanning Radiometer-EOS),AMSR-E是一個具有6個頻率12個通道的雙偏振、并呈圓錐式掃描的被動微波遙感儀器。該儀器主要測量6.925、 10.65、 18.7、 23.8、 36.5和89.0GHz的水平和垂直極化亮溫。不同的頻率具有不同的空間分辨率。譬如：6*4 km（89GHz），14*8 km （36.5GHz），32*18 km（23.8GHz），27*16 km（18.7GHz），51*29 km（10.65GHz），75*43 km（6.925GHz）,AMSR-E的技術(shù)指標,AMSR-E的數(shù)據(jù)產(chǎn)品：,AMSR-E的數(shù)據(jù)介紹：, AMSR-E主要用于提供以下參數(shù)瞬時的觀測及數(shù)據(jù)信息： （1）海面降水，空間分辨率為5.4千米 （2）陸面降水，空間分辨率為5.4千米 （3）海表溫度，數(shù)據(jù)精度為0.5度 （4）海洋上總的水汽含量，數(shù)據(jù)精度為0.2g/cm2，空間分辨率為24千米。 （5）海洋上總的云水含量，精度為3mg/cm2，空間分辨率為12千米。 （6）海表風速，數(shù)據(jù)精度為1.5m/s，空間分辨率有38千米及24千米兩種。 （7）地表土壤濕度，精度為0.06mg/cm3，空間分辨率為25千米。 （8）海冰密度，空間分辨率有12.5千米及25千米兩種。 （9）海冰上的雪厚，分辨率為12.5千米 （10）海冰溫度及陸地雪水當量,AMSR-E數(shù)據(jù)主要用于土壤濕度、表面溫度、植被等方面的研究。在數(shù)字天氣預報模型四維數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)里面，大尺度的土壤水分含量參數(shù)是非常重要的。 AMSR-E數(shù)據(jù)也被用來反演地表溫度，主要的算法是線性回歸法和迭代方法。但目前的精度在23o之間，相對用熱紅外地表反演的地表溫度精度要低。其主要原因是目前對被動微波的機理研究還不夠深入。,AMSR-E的主要科學目標：,AMSR-E的觀測舉例（1）：,海表溫度表明了颶風katrina引起的冷尾跡（藍色部分），它是海洋對颶風的響應(yīng)之一。,AMSR-E的觀測舉例（2）：,北極海冰含量的觀測,AMSR-E的觀測舉例（3）：,大氣水汽含量的反演,CERES 云與地球輻射能量系統(tǒng)測量儀 (Clouds and the Earths Radiant Energy System),CERES是一個測量三個寬波段輻