高等大氣物理學(xué)

1、2021-11-16第一篇：大氣紅外微波遙感1第一篇 大氣紅外微波遙感 行星地球溫度約300k，大氣具有豐富的紅外和微波吸收帶。紅外和微波輻射的特點(diǎn)是，它們的波長(zhǎng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于大氣分子的直徑，此時(shí)散射效應(yīng)可以忽略不計(jì)，因此電磁輻射的主要作用機(jī)制是吸收和發(fā)射。利用地基與空基平臺(tái)傳感器探測(cè)的大氣熱輻射信號(hào)，反演大氣溫度，水汽，云，降水以及某些大氣痕量氣體的時(shí)空分布構(gòu)成了大氣紅外、微波遙感的主要內(nèi)容。2021-11-16第一篇：大氣紅外微波遙感2內(nèi)容安排 電磁輻射基礎(chǔ) 大氣吸收與發(fā)射 非散射大氣的輻射傳輸 大氣溫度廓線遙感 大氣成份遙感與衛(wèi)星臨邊遙感2021-11-16第一篇：大氣紅外微波遙感31.1電磁

2、輻射基礎(chǔ) 電磁波譜 電磁波譜 電磁波是大氣中能量傳輸?shù)闹饕d體。大氣中所有電磁波均以光速傳播 c=f 波數(shù)：1/ 微波可見光是大氣遙感的主要工作區(qū)域無線電10cm微波1mm，分子轉(zhuǎn)動(dòng)紅外0.7m可見光0.4m紫外300X射線0.32021-11-16第一篇：大氣紅外微波遙感41.1電磁輻射基礎(chǔ) 輻射量 輻射通量 輻射通量密度E ： 輻照度，輻出度 面源某一方向輻亮度L，沿某個(gè)特定方向上單位投影面積內(nèi)的輻射源在單位立體角內(nèi)的輻射通量dtdQdAdEdAdLdcos)(2021-11-16第一篇：大氣紅外微波遙感5黑體輻射強(qiáng)度與輻出度 某一平面的輻出度等于整個(gè)半球內(nèi)輻射強(qiáng)度的法向分量對(duì)整個(gè)半球立體

3、角積分。 對(duì)于朗伯體，輻射強(qiáng)度各向同性，輻出度與輻射率之間是簡(jiǎn)單的線性關(guān)系。dLFcos)(LdLFcos2021-11-16第一篇：大氣紅外微波遙感6面元交換與輻亮度測(cè)量 垂直接收面源輻照度等于發(fā)射面輻射率與該面相對(duì)觀測(cè)點(diǎn)所張立體角的乘積。問題：接收面法線與輻射流有夾角？ d dA d dA LdAddEdALdAdrdALrAddALdAdLd22coscoscos2021-11-16第一篇：大氣紅外微波遙感7輻射定律 Planc定律 黑體輻射出射度僅僅是溫度的函數(shù)。12)(12)()(,12)(325252kThTkchTkchehcTBehcTETBehcTE2021-11-16第一篇

4、：大氣紅外微波遙感8輻射定律 Kirchhoff定律 黑體的發(fā)射率等于吸收率，等于1。 物體吸收某一頻率電磁能量，必然輻射相同頻率電磁波。 灰體（比發(fā)射率小于1）輻射等于同溫下黑體輻射乘以比輻射率。2021-11-16第一篇：大氣紅外微波遙感9輻射定律 Vein定律 黑體輻射光譜極大值對(duì)應(yīng)光譜與溫度成反比。KmbTb8 .2897maxmkTmkT66.9,30048.0,6000maxmax地球：太陽(yáng)：2021-11-16第一篇：大氣紅外微波遙感10輻射定律 RayleighJeans定律電磁波長(zhǎng)大于1mm（微波），此時(shí)普朗克函數(shù)可以相當(dāng)精確地展開為溫度的線性函數(shù)。定義亮溫TB對(duì)應(yīng)的輻亮度等

5、于同溫度黑體的輻亮度，而對(duì)于灰體，其亮溫低于物理溫度。 TckTBkThekTh222)(12021-11-16第一篇：大氣紅外微波遙感111.2大氣吸收和發(fā)射分子光譜發(fā)射 根據(jù)量子力學(xué)，孤立分子的能量由量子化的電子能、轉(zhuǎn)動(dòng)能和振動(dòng)能構(gòu)成。 分子在外場(chǎng)作用下發(fā)生能量躍遷，必然伴隨某一頻率的電磁波被吸收或者發(fā)射。 大氣分子能量躍遷，既可能是單一能級(jí)躍遷，也可能是多能級(jí)同時(shí)躍遷，結(jié)果形成了復(fù)雜的光譜譜帶系hcEEErveihcErvei組合能級(jí)躍遷：?jiǎn)我荒芗?jí)躍遷：,2021-11-16第一篇：大氣紅外微波遙感121.2大氣吸收和發(fā)射分子光譜發(fā)射 一般來說，分子電子能級(jí)最大，振動(dòng)能級(jí)次之，轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)最

6、小。僅有電子躍遷，光譜主要位于可見光范圍僅有轉(zhuǎn)動(dòng)躍遷，光譜主要位于微波范圍而僅有振動(dòng)躍遷發(fā)生時(shí)候，則光譜介于上面二者之間。2021-11-16第一篇：大氣紅外微波遙感13分子轉(zhuǎn)動(dòng)振動(dòng)光譜示意圖 Ei Ej 光 譜 能 級(jí) 2021-11-16第一篇：大氣紅外微波遙感141.2大氣吸收和發(fā)射光譜加寬 分子躍遷過程中，由于各種因素使得實(shí)際光譜線總是或多或少具有一定寬度。 我們用線型來描述一條具有一定寬度的光譜線。顯然線型即譜線強(qiáng)度在波數(shù)域上的概率分布。1)()()()(00dfdssf)(exp)()(0000TTTTKETTTsTsjm2021-11-16第一篇：大氣紅外微波遙感15光譜自然加寬

7、：洛倫茲線型 能級(jí)躍遷過程中能級(jí)衰減引起光譜加寬。 根據(jù)測(cè)不準(zhǔn)原理，能級(jí)漲落與能級(jí)壽命成反比，能級(jí)漲落引起的譜線波數(shù)變化。 根據(jù)量子力學(xué)，分子在i能級(jí)能量分布幾率Pi(E)。22000222)(1)()()()21()()2(1)(41,212NNiiiiiiNiiivvvvfdvvvfdEEPhcEEEhhEPcchtE由2021-11-16第一篇：大氣紅外微波遙感16溫度加寬（Doppler加寬） 當(dāng)物體有相對(duì)觀測(cè)者的徑向移動(dòng)時(shí)，物體輻射與接收輻射之間是DOPPLER關(guān)系。 根據(jù)分子運(yùn)動(dòng)論，速度分布服從邁克斯偉爾定律Pt(v)。 高層大氣分子光譜計(jì)算時(shí)，溫度加寬不容忽視。dvvvfdVVP

8、dVcvddVkTmVkTmdVVPcVvviT)()()2exp(2)()1 (0020由2021-11-16第一篇：大氣紅外微波遙感17壓力加寬（碰撞加寬） 底層大氣密度較密，分子之間碰撞能量轉(zhuǎn)移引起的光譜加寬。 至今，碰撞加寬線型還沒有完全解決。最常用的是假定為洛倫茲線型。 由于實(shí)際大氣壓力變化遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于溫度變化，可以看出壓力加寬半寬主要決定于氣壓TTPPvvvvfLLLL0002200)(1)(2021-11-16第一篇：大氣紅外微波遙感18Dopplerlorentz混合加寬 實(shí)際大氣中，DOPPler加寬與洛倫茲加寬是同時(shí)存在的。在大氣下層DOPPLER加寬可以忽略，但是到了某一個(gè)高

9、度后二者就可以相當(dāng)，在更高高度，DOPPLER加寬成為主要因素。 同時(shí)考慮兩種因素的線型稱為Voight線型，基本上可以看成兩種線型的卷積。mbPHzfLD12102021-11-16第一篇：大氣紅外微波遙感191.2大氣吸收和發(fā)射光譜吸收計(jì)算 定義給定路徑的光譜吸收光學(xué)厚度 光學(xué)路徑長(zhǎng)度u 單色光譜透過率是光學(xué)厚度的指數(shù)函數(shù) 定義光譜間隔上的透過率和吸收率AvvvvvvvlldvevdvvIdvvIevIlvIldlluvvsfkldllkl1)0 ,(),()0 ,(),()()()()()()(212102021-11-16第一篇：大氣紅外微波遙感201.2大氣吸收和發(fā)射光譜吸收計(jì)算逐線

10、計(jì)算法假定在某個(gè)光譜間隔上有N條譜線，每條譜線的光譜吸收系數(shù)已知。逐條計(jì)算每條譜線的光學(xué)厚度，最終得到光譜間隔上的透過率。特點(diǎn)：精度高，可以計(jì)算不均勻路徑，計(jì)算量大)(10iivilviivvvvfskl dkdvevii2021-11-16第一篇：大氣紅外微波遙感211.2大氣吸收和發(fā)射光譜吸收計(jì)算單線譜帶模式法用假定的譜帶模式近似計(jì)算氣體吸收。假定線型為洛倫茲線型，吸收氣體路徑均勻。計(jì)算簡(jiǎn)單)()(22ytg2su)1 (1)(100220IIevAvvdvevAvvusldkvvvlv，令vAvvAIIevAvvvus21,su21)()(210強(qiáng)線近似：弱線近似：2021-11-16第

11、一篇：大氣紅外微波遙感221.2大氣吸收和發(fā)射光譜吸收計(jì)算規(guī)則譜帶模式法假定光譜間隔內(nèi)是一系列間距為d的洛倫茲線型，吸收氣體路徑均勻。第i根譜線吸收系數(shù)只要譜線足夠多，所有譜線在波數(shù)處吸收系數(shù)可以延展為i正負(fù)無窮求和。dxdxdsidvsvkidvsvkiii2,2coscoshsinh)()()()(2222 ii+1i-1規(guī)則譜 帶模式，光譜 間隔d波 數(shù)2021-11-16第一篇：大氣紅外微波遙感23 考慮間隔d上吸收系數(shù)，由于周期性該吸收系數(shù)等于整個(gè)光譜間隔內(nèi)吸收系數(shù)。該式可以用數(shù)值積分的方法求解。2,sinhcoshexp)(sinh)coscoshsinhexp1 (21)exp1

12、 (1002/2/sudsuydyyyIdxxdvkudAyddd)2(1,su212erfAddAvv強(qiáng)線近似：弱線近似：2021-11-16第一篇：大氣紅外微波遙感24譜帶隨機(jī)模式法假定光譜間隔內(nèi)譜線位置具有顯著的隨機(jī)行。假定任意譜線在光譜間隔內(nèi)出現(xiàn)幾率相等，第i條譜線具有線強(qiáng)si的幾率記為P(si）且符合幾何分布。d是平均譜線間隔。課本P717-718有測(cè)定上述兩個(gè)參數(shù)的方法說明資料測(cè)定。這兩個(gè)參數(shù)可以有實(shí)驗(yàn)的函數(shù)。和顯然，此時(shí)透過率只是sds)us(1dusexpds)dve(1sevnexp)(n dsP(s)edvv1ds)P(seds)P(sedvdvdvv1T0vkuss/n0

13、kuvnnuk11ukvvn2v1nn12021-11-16第一篇：大氣紅外微波遙感25譜帶模式方法小結(jié) 譜帶模式方法計(jì)算光譜吸收可以大大減小計(jì)算量。在譜帶模式中，通常作如下假定：吸收氣體沿路徑均勻分布，且吸收線型為L(zhǎng)ORENTZ線型。通常譜帶模式方法的精度較低。 實(shí)際大氣均勻路徑假定并不總是適用。因此curtisgodson提出用等效概念來處理非均勻大氣，即定義沿路徑的平均線強(qiáng)與光譜寬度，用該值代替前面方法中的相應(yīng)量。2021-11-16第一篇：大氣紅外微波遙感261.2大氣吸收和發(fā)射太陽(yáng)與大氣輻射 太陽(yáng)是地球能量源泉。太陽(yáng)輻射主要集中在短波可見光區(qū)域。其中0.4-0.7微米波段地球大氣吸收

14、非常微弱，稱為大氣短波窗區(qū)。 超過15微米，可以認(rèn)為太陽(yáng)輻射幾乎可以忽略不計(jì)。 太陽(yáng)對(duì)地球輻射能力用太陽(yáng)常數(shù)來表示。定義為日地平均距離出太陽(yáng)輻照度。2021-11-16第一篇：大氣紅外微波遙感271.2大氣吸收和發(fā)射太陽(yáng)與大氣輻射 地球表面溫度約300k，根據(jù)Vein定律，地球輻射最強(qiáng)波長(zhǎng)在10微米附近，因此地球輻射也稱為長(zhǎng)波輻射。其中8-12微米波段地球大氣吸收非常微弱，稱為大氣長(zhǎng)波窗區(qū)。 紅外波段，地球可以看成黑體。但是在微波段，地面不再看成黑體。 長(zhǎng)波窗區(qū)與短波窗區(qū)提供了衛(wèi)星遙感地表的重要通道。2021-11-16第一篇：大氣紅外微波遙感281.2大氣吸收和發(fā)射太陽(yáng)與大氣輻射 地球大氣成

15、份具有豐富的輻射吸收帶。與大氣遙感相關(guān)的吸收帶主要有 CO2的15微米和4.3微米吸收帶。由于CO2在大氣中混合均勻，是衛(wèi)星遙感大氣溫度的理想吸收氣體。 O2的5mm微波吸收帶。同樣由于氧氣的均勻混合特征，該波段被選用遙感大氣溫度廓線。 O3吸收帶主要位于短波紫外和可見光區(qū)，在長(zhǎng)波窗區(qū)有一個(gè)著名的9.6微米帶。 H2O是大氣中成份變化最劇烈的氣體。著名的吸收帶有6.3微米帶，其2.7微米帶與CO2吸收帶有重疊。2021-11-16第一篇：大氣紅外微波遙感291.3非散射大氣輻射傳輸 紅外波段，大氣的散射效應(yīng)可以忽略，輻射在大氣中傳播，主要的作用機(jī)制就是吸收。 傳感器接收的紅外輻射調(diào)制了大氣的某

16、些狀態(tài)信息，這也是紅外大氣遙感的物理基礎(chǔ)。2021-11-16第一篇：大氣紅外微波遙感30平面平行大氣輻射傳輸 假定大氣處于熱平衡 假定大氣水平均勻，大氣輻射特性只隨高度變化。定義垂直方向由大氣上界向下計(jì)算的垂直光學(xué)厚度。整層大氣光學(xué)厚度記為1。 任意天頂角方向的光學(xué)厚度與垂直方向光學(xué)厚度之間關(guān)系如下coscos)(記zzdk Z 0 Z 1 0 dz 2021-11-16第一篇：大氣紅外微波遙感31平面平行大氣輻射傳輸 一束天頂為的輻射經(jīng)過垂直厚度為dz的氣層后強(qiáng)度變化可以表示為施瓦茲方程。 該貝努里方程的形式解如右。其中向下輻射用表示，而均取正值。該解的物理意義明確。/e ),-()e,-

17、0I(),-I(/e ),()e,I(),I()/-( -0/-)/-( -)/-( -111dBdBdzkTBdzkIdI)()(TBIddI2021-11-16第一篇：大氣紅外微波遙感32例：晴空大氣輻射致冷 如圖，對(duì)于薄層氣層來說，上下兩個(gè)表面的輻入和輻出通量密度之差即該氣層能量?jī)羰罩В洖镕，則該氣層的溫度變化率如下。顯然，大氣紅外致冷最終歸結(jié)到各高度層的輻射通量密度計(jì)算。 z+z z uFCqzFCtTvDFdvFFzFzFzzFzzFDFppvvvvvvvvv1)()()()(2021-11-16第一篇：大氣紅外微波遙感33 如圖，對(duì)于Z高度層，向上的輻射通量密度等于該層向上輻亮度

18、的法向分量對(duì)半球立體角積分。 同樣可以得到向下的單位面積輻射通量密度。 Z 10/)(10/)(11011)(2,2,2cos,ddeBdeIdIdIF2021-11-16第一篇：大氣紅外微波遙感34 定義指數(shù)積分dEBETBFxEddEdxxeEvsvvnnnxn1)()(2)()(2,sec1)()()(21311可以得到令dEBFvv02)()(22021-11-16第一篇：大氣紅外微波遙感35 定義通量密度的漫透函數(shù)。對(duì)漫反射，漫透函數(shù)相當(dāng)于透過函數(shù)在光學(xué)路徑擴(kuò)大到1.66倍時(shí)的值。顯然，計(jì)算不同吸收帶上的通量密度，即可估算該輻射引起的大氣紅外降溫率。)(22)()(22)(210/3

19、10/EdeddEdefvfvdddBTBFfvvfvsvv1)()()()(12021-11-16第一篇：大氣紅外微波遙感361.4大氣溫度的衛(wèi)星紅外遙感 溫度是描述大氣狀態(tài)的重要參數(shù)之一。最早是通過氣球或者火箭探空來獲得大氣溫度的垂直結(jié)構(gòu)，至今仍然是獲得局地大氣溫度結(jié)構(gòu)的常用有效手段。在1961年的TIROS-2衛(wèi)星上開始衛(wèi)星遙感大氣溫度結(jié)構(gòu)的方法實(shí)驗(yàn)，并在第三代美國(guó)氣象衛(wèi)星上正式投入業(yè)務(wù)應(yīng)用。 衛(wèi)星遙感大氣溫度建立了衛(wèi)星遙感的基本概念和方法，拉開了大規(guī)模的衛(wèi)星遙感地球環(huán)境活動(dòng)的序幕。2021-11-16第一篇：大氣紅外微波遙感37衛(wèi)星接收的紅外輻射 為了簡(jiǎn)單起見，假定衛(wèi)星儀器視場(chǎng)正對(duì)地面

20、，即天頂角等于0。在紅外波段地面可以足夠精確地看成黑體。d-ede: de)B()eI(I(0)1，垂直 觀0大氣上界/de),B()e,I()I(-0-1)/- ( -)/-(-11111注測(cè)dppdepdpqdkgepdpgqdzqgdpdzPzdkevvpvvzvv)()(1exp)(/exp)(-0-00以及質(zhì)量混合比定義：坐標(biāo)下由靜力平衡方程 顯然，衛(wèi)星接收輻射是由地面貢獻(xiàn)和大氣熱輻射貢獻(xiàn)兩部分構(gòu)成。 dp(p)B(p)(p)B(TI(0)0psssp2021-11-16第一篇：大氣紅外微波遙感38溫度遙感方程如果地面溫度已知，大氣的光學(xué)性質(zhì)已知，那么地面輻射貢獻(xiàn)可以從衛(wèi)星接收輻射總

21、扣除（訂正）。訂正后的衛(wèi)星輻射由各層大氣的熱發(fā)射與透過率的高度變化率的乘積來決定。如果大氣透過率已知，那么訂正后的衛(wèi)星輻射唯一由大氣的溫度結(jié)構(gòu)來決定，這也是衛(wèi)星遙感溫度的物理基礎(chǔ)。由于透過率與吸收氣體密度分布有關(guān)，因此溫度遙感不僅要求吸收氣體具有豐富的吸收帶，而且要求氣體含量是定常的，即氣體密度變化引起的透過率變化可以忽略。合適氣體CO2和O2。另外一方面，如果大氣溫度結(jié)構(gòu)已知，則訂正后的衛(wèi)星輻射唯一由大氣的透過率結(jié)構(gòu)來決定。透過率隱含氣體密度信息，也是氣體含量遙感的物理基礎(chǔ)。 dp(p)B(p)(p)B(T-I(0)0psssp1exp)(0-pvvpqdkgep2021-11-16第一篇：

22、大氣紅外微波遙感39遙感方程反演地面輻射訂正，記為一般形式。核函數(shù)?。╬-p0）則遙感方程有精確解。取核函數(shù)為常量，則遙感方程沒有唯一解。只有核函數(shù)具有類似Dirac函數(shù)的尖峰形狀，上述遙感方程才可能被反演，核函數(shù)越窄越好。核函數(shù)最大氣層也稱為有效信息層。實(shí)際溫度遙感中，選擇數(shù)個(gè)合適的觀測(cè)通道，每個(gè)通道的核函數(shù)在不同高度達(dá)到最大，則這些氣層高度溫度可能被反演出來。)(B(p)f:(p)(K dp)(p)Kf(0)I0pspTppp核函數(shù))(0)I ()()(0)I)()(K1000fpTpTfPPp?)()(K0pTconstp2021-11-16第一篇：大氣紅外微波遙感40直接線性反演溫度遙

23、感方程中，普朗克輻射量既是溫度的函數(shù)也是波數(shù)的函數(shù)。為了消除波數(shù)的影響，選定一個(gè)固定參考波數(shù)，將普朗克函數(shù)展成波數(shù)變化項(xiàng)與溫度變化項(xiàng)。選取M個(gè)通道，記每個(gè)通道波數(shù)i，i=1,2,M。顯然，如果由遙感方程確定f(p)，即參考波數(shù)下的普朗克函數(shù)，進(jìn)而反演溫度。為此，將f(p)用N階經(jīng)驗(yàn)函數(shù)展開，遙感反演最終歸結(jié)為確定展開系數(shù)fjppppTpvr)()(K)(Bf(p),cdIg dp)(f(p)Kg0psvvdpTcpTr)(B)(Biiiggp)(KKiNjjjpWfpf1)()(2021-11-16第一篇：大氣紅外微波遙感41直接線性反演溫度遙感方程中，普朗克輻射量既是溫度的函數(shù)也是波數(shù)的函數(shù)

24、。為了消除波數(shù)的影響，選定一個(gè)固定參考波數(shù)，將普朗克函數(shù)展成波數(shù)變化項(xiàng)與溫度變化項(xiàng)。選取M個(gè)通道，記每個(gè)通道波數(shù)i，i=1,2,M。顯然，如果由遙感方程確定f(p)，即參考波數(shù)下的普朗克函數(shù)，進(jìn)而反演溫度。為此，將f(p)用N階經(jīng)驗(yàn)函數(shù)展開，遙感反演最終歸結(jié)為確定展開系數(shù)fjdp)(p)KW1,2,.Mi , dp)(p)KWg0pj0pjsspAfApfiijjjijjijiiiiggp)(KKiGAAAA*1*)(FNMA1NF1MGFG該矩陣有形式解矩陣。是列矢量是列矢量，是其中2021-11-16第一篇：大氣紅外微波遙感42約束直接線性反演由于儀器固有噪聲導(dǎo)致的輻亮度測(cè)量誤差，以及普朗

25、克函數(shù)展開引起的誤差，上述線性方程的解是不穩(wěn)定的。需要附加一些約束條件來得到穩(wěn)定的反演解。約束條件：輻亮度殘差最小，以及反演解約束在氣候統(tǒng)計(jì)平均值附近。是平滑系數(shù)。與直接線性反演相比，約束線性反演多了一個(gè)平滑項(xiàng)，進(jìn)而保證解的穩(wěn)定性。NkfQfNfffgfAkjjiijijij,.2 , 1, 01 )()(Q22 NNNNNNNNNH111111111111GAH)AA(F0HFGA-AFA*1-*其中2021-11-16第一篇：大氣紅外微波遙感43數(shù)值迭代chachine 根據(jù)權(quán)函數(shù)性質(zhì)，對(duì)于給定通道，大氣頂輻亮度可以用該氣層溫度普朗克輻射表示（中值定理）。 同樣有氣層期望溫度T(Pi)時(shí)期

26、望輻亮度。 顯然給定猜測(cè)溫度，則可由上述迭代方程獲得期望溫度。)(pT(BII(B)T(p)(pT(B)(T(pBIIlnp|ln(p)(pT(BI lnp|ln(p)(T(pBIiiii1 -iiiiiiiiiiiiiiiipppp2021-11-16第一篇：大氣紅外微波遙感44Chachine迭代步驟 (a)各氣層溫度T(n)(Pi)猜測(cè)初始值 (b)代入遙感方程計(jì)算各通道的期望輻亮度 (c)計(jì)算輻亮度與觀測(cè)輻亮度比較，所有通道結(jié)果都輻射殘差標(biāo)準(zhǔn)時(shí)則此時(shí)T(n)(Pi)即反演結(jié)果，否則繼續(xù) (d)利用張馳迭代方程計(jì)算各氣層新的溫度猜測(cè)值T(n1)(Pi) ，并重復(fù)步驟（b) dp(p)(T

27、(p)BI0piispi2021-11-16第一篇：大氣紅外微波遙感45猜測(cè)溫度T(50)=T(400)=T(1000)=260Ii=Bi(1000)i(1000) +Bi(900)i(600)i(1000)+Bi(400)i(150)-i(600) +Bi(50)i(10)-i(150)計(jì)算得到76.9,82.3,85.2,不滿足新的溫度值 228,238,254K計(jì)算得到 45.7,55.3,71.6 228,239,259K 45.3,56.4,74.4 228,239,262K 45.2,56.7,75.9 228,239,264K 45.2,56.8,76.7，結(jié)束Chachine迭

28、代算例假定衛(wèi)星有三個(gè)通道（波數(shù)cm-1），各通道透過率如表。輻亮度mw/m2/ster/cm-1，氣壓用mb表示。地面溫度280k。氣壓676.7708.7756.7100.860.960.981500.050.650.8760000.090.611000000.21輻亮度45.256.577.8信息層504009002021-11-16第一篇：大氣紅外微波遙感46Smith迭代 對(duì)于給定溫度，有輻亮度。 二者相減并假定普朗克函數(shù)差不依賴氣壓P得到有迭代關(guān)系式。 基于i通道得到新溫度。各獨(dú)立通道的溫度做加權(quán)平均得到反映氣層溫度的新結(jié)果。iiiiiiiiiipWpWppp)(/ )(TTT I-

29、I )B(T)B(T)B(T)B(TI -Idp(p)B(T)B(T)(p)B(T- )B(TI -I dp(p)B(T)(p)B(TI dp(p)B(T)(p)B(TI1)(n1)(n1)(ni(n)i(n)1)(n1)(n(n)1)(ni(n)i1)(n0p(n)s1)(ns(n)s1)(ni(n)i0p1)(ns1)(ns1)(ni0p(n)s(n)s(n)isss2021-11-16第一篇：大氣紅外微波遙感47統(tǒng)計(jì)反演 基于遙感方程的反演方法稱為物理反演。實(shí)際應(yīng)用中往往大量使用統(tǒng)計(jì)反演，這是由于輻射與大氣介質(zhì)相互作用的復(fù)雜性，遙感方程本身還比較粗糙，有時(shí)候甚至不能用明確的遙感方程來描述

30、。 統(tǒng)計(jì)反演的基礎(chǔ)是衛(wèi)星接收輻亮度與遙感目標(biāo)之間有統(tǒng)計(jì)相關(guān)性。對(duì)歷史資料（衛(wèi)星資料與地面資料）做統(tǒng)計(jì)回歸找出這種聯(lián)系。 統(tǒng)計(jì)反演時(shí)，需要對(duì)衛(wèi)星資料做必要的處理，以便剔除一些 與遙感目標(biāo)無關(guān)的因素。2021-11-16第一篇：大氣紅外微波遙感481.4大氣溫度的微波遙感 由于云對(duì)紅外輻射是不透明的，因此紅外溫度遙感只適合在晴空無云天氣條件下的溫度遙感?？紤]到微波對(duì)云雨的強(qiáng)穿透能力，在紅外溫度遙感的基礎(chǔ)上發(fā)展了衛(wèi)星微波溫度遙感，解決了云雨天氣下的大氣垂直溫度遙感問題。 微波遙感大氣溫度，主要是利用O2的5mm微波吸收帶。1979年6月發(fā)射的國(guó)防氣象衛(wèi)星上首次開展了大氣溫度垂直分布的微波遙感業(yè)務(wù)。2

31、021-11-16第一篇：大氣紅外微波遙感49微波溫度遙感方程 在微波段，地面不再看成黑體，地面比發(fā)射率小于1。此時(shí)，衛(wèi)星接收的微波輻射不僅有大氣向上熱發(fā)射、地面熱發(fā)射的貢獻(xiàn)，還有大氣向下熱發(fā)射經(jīng)地面反射輻射的貢獻(xiàn)。 顯然，微波溫度遙感方程中核函數(shù)不僅有紅外溫度遙感方程同樣的要求，而且由于核函數(shù)中包含地面比發(fā)射率項(xiàng)，因此必須安排特定的通道來確定比發(fā)射率或者把它從遙感方程中消除。)(p,0),0)(p)-(11(p)Jdp(p,0)(p)J,0)(pT)(T(p,0)(p,0),0)(pp),(p(p,0),0)(pp),(pdp(p,0)T(p) dpp),(pT(p)-(1,0)(pT)(T

32、2s0pssb2ssss0psp0ssbssspTpppppvvvvvvvvv v 1-v 2021-11-16第一篇：大氣紅外微波遙感50溫度遙感小結(jié) 無論co215微米帶，4.3微米帶還是O2的5mm帶，都是利用吸收氣體的熱發(fā)射以及不同高度層對(duì)輻射的貢獻(xiàn)差異來遙感大氣溫度。衛(wèi)星遙感大氣溫度應(yīng)該具備如下條件 選用的吸收氣體混合比已知，最好是定常的，消除氣體濃度變化對(duì)輻射傳輸?shù)挠绊??；鹦桥c金星可以使用co2，而木星可以使用CH4的7.7微米帶。 選用吸收氣體具有豐富的吸收帶，而且不能與氣體氣體吸收帶重疊 大氣處于局地?zé)崞胶鉅顟B(tài)，太陽(yáng)輻射以及散射效應(yīng)可以忽略不計(jì)。地球80km以下大氣屬于這種情況

33、。 衛(wèi)星反演溫度結(jié)果的檢驗(yàn)也存在難度，表現(xiàn)在衛(wèi)星資料與地面探空資料在時(shí)間，空間上的一致性差異，以及不可避免的測(cè)量誤差的影響。2021-11-16第一篇：大氣紅外微波遙感51引申：地面溫度遙感衛(wèi)星遙感大氣溫度垂直結(jié)構(gòu)時(shí)，為了把地面熱輻射貢獻(xiàn)從衛(wèi)星接收輻射中扣除，要求地面溫度是已知的。問題是，如何由衛(wèi)星遙感地面溫度？回到輻射傳輸方程。如果選擇波段位于大氣窗區(qū)，即大氣吸收可以忽略，大氣透過率等于1，則很容易得到如下關(guān)系：衛(wèi)星接收輻亮度就是地面黑體輻亮度！然而，即使選擇波段位于大氣窗口，由于水汽實(shí)際大氣也還是有一定的吸收特性。為了消除實(shí)際大氣吸收因素，通常采樣分裂窗法，利用2個(gè)通道來消除水汽吸收影響，

34、提高反演地面溫度的精度。!I(0)T)B(TI(0)1(p) dp(p)B(p)(p)B(T-I(0)1ss0psssBp無吸收大氣，2021-11-16第一篇：大氣紅外微波遙感52引申：衛(wèi)星視場(chǎng)云含量 衛(wèi)星紅外遙感時(shí)，如果視場(chǎng)部分有云，我們也希望利用這部分?jǐn)?shù)據(jù)，進(jìn)而擴(kuò)展衛(wèi)星資料的使用范圍。問題是，如何確定視場(chǎng)內(nèi)云量？ 假定視場(chǎng)內(nèi)云量百分比Nc，則無云區(qū)域百分比（1-Nc）。地面或者云團(tuán)的面輻射強(qiáng)度可以由其它無云區(qū)域或者滿視場(chǎng)云區(qū)域的強(qiáng)度來確定，那么結(jié)合部分有云區(qū)域的輻亮度可以最終確定視場(chǎng)內(nèi)云的比率。B(p)Nc-)B(T -)B(TB(p)Nc)1 ( )B(TI(0)sssNc2021-1

35、1-16第一篇：大氣紅外微波遙感531.5 大氣成份的紅外/微波遙感 大氣溫度遙感奠定了衛(wèi)星遙感的基本概念與方法。除此之外，大氣中的水汽，微量成份，氣溶膠，云，降水等也是大氣遙感的重要領(lǐng)域。2021-11-16第一篇：大氣紅外微波遙感54成份遙感方程 回到輻射傳輸方程（#）。用分步積分可以寫成（#）式。如果大氣溫度已知，則（#）式即反演吸收氣體透過率的遙感方程。由于透過率與吸收氣體的密度或者混合比緊密相關(guān)，（#）可能導(dǎo)出氣體密度廓線。注意到氣體密度包含在積分式，因此實(shí)際反演要困難得多。)#(# dpB(p)(p)B(T(0)-I(0)(# dp(p)B(p)(p)B(T-I(0)0p0psss

36、spp1exp)(0-pvvpqdkgep2021-11-16第一篇：大氣紅外微波遙感55臨邊遙感 平流層大氣成份，比如O3，H2O，CO2等在天氣氣候過程及大氣化學(xué)中有重要作用，但是含量稀少。如果用垂直探測(cè)這些氣體的熱發(fā)射的方法來遙感它們的含量，則由于輻射太弱很難得到較高的精度。衛(wèi)星技術(shù)出現(xiàn)之后發(fā)展了一種臨邊遙感技術(shù)，用小光學(xué)視場(chǎng)儀器掃描地球的邊緣并接收來自地球高層薄層氣體輻射，進(jìn)而反演高層大氣特性。2021-11-16第一篇：大氣紅外微波遙感56臨邊遙感幾何結(jié)構(gòu) 至傳感器 dx dz z h 由已知?dú)怏w確定溫度，如上。 溫度確定后得到吸收氣體的總發(fā)射率，與氣體密度總量有關(guān)。0222),()(,(),()(2)()(),(exp),(),()(,(),(dzzhvWzTBhBhzRxRhxRzdhkhxvdxxhxvxTBhBx),()(,(),(),()(,(),()(,(),(hvhTBhvhvhTBdxxhxvhTBhB2021-11-16第一篇：大氣紅外微波遙感57臨邊遙感特點(diǎn) 大氣密度和壓力隨高度呈指數(shù)衰減，所以只在切