第3章 氣象衛(wèi)星遙感大氣的基本原理2

/whyExplore.html/exploration/home/griffin_why_explore.html第二節(jié)太陽(yáng)和地球-大氣系統(tǒng)輻射一.太陽(yáng)輻射太陽(yáng)：6000K，直徑(2R日)=139.14萬(wàn)公里，是地球的104倍；日地平均距離d0=1.495×108公里。太陽(yáng)輻射用太陽(yáng)常數(shù)、太陽(yáng)光譜(在大氣頂處、在地面處)來(lái)描述?！?/p>

太陽(yáng)常數(shù)：到達(dá)地球大氣頂?shù)奶?yáng)輻射通量密度s0=1353W/m2，誤差21W/m2。由太陽(yáng)常數(shù)可以計(jì)算單位時(shí)間內(nèi)太陽(yáng)輻射的總能量為能量平衡：太陽(yáng)輻射到達(dá)大氣頂后，大約

35%被地球、大氣、云層反射

17%被大氣吸收

47%到達(dá)地面、被地表吸收▲太陽(yáng)光譜：

太陽(yáng)輻射能主要集中在0.3-3.0微米，輻射最大值位于0.47微米,色溫度1/4能量在波長(zhǎng)0.47微米的譜段內(nèi)，

46%的能量在0.40—0.76微米的可見(jiàn)光波段。假設(shè)太陽(yáng)是理想的黑體，則可由斯蒂芬-波爾茲曼定律計(jì)算出太陽(yáng)的有效溫度Te:▲太陽(yáng)吸收光譜（如圖）：該光譜與5900K的黑體輻射光譜有明顯差異，存在許多由大氣中的臭氧、氧、水汽、二氧化碳及塵埃等物質(zhì)選擇性吸收作用造成的吸收線和吸收帶。O3吸收：主要位于紫外光0.2-0.3m、0.32-0.36m、可見(jiàn)光0.6和4.75m。O2吸收：紫外、可見(jiàn)光。H2O吸收：0.7m、0.7—0.8mCO2吸收：3.5m

1.地面土壤粒子結(jié)構(gòu)、土壤水分對(duì)反照率的影響

2、植被、冰雪、水體的反照率

3、反照率隨波長(zhǎng)的變化圖1砂土三種不同含水量時(shí)的反射率譜反射率%波長(zhǎng)m0—4%5—12%22—32%波長(zhǎng)m葉子反射率、水吸收率%葉子反射率水吸收率2.5圖2葉子反射率、水吸收率的反相關(guān)系不同覆蓋物時(shí)地表的反照率隨波長(zhǎng)的變化地面及其覆蓋物對(duì)太陽(yáng)輻射的反射

0.5

1

1.5

2（a）不同種類(lèi)作物和裸地的反照率（b）作物覆蓋率和生物量對(duì)反照率的影響作物在生長(zhǎng)和衰老期間光譜變化小麥葉子的可見(jiàn)光-中紅外光譜特征小麥葉子在不同生長(zhǎng)期的反射率不同葉綠素濃度的海水反照率天然清水和混水的反照率不同土壤濕度下含沙壤土的反射率清水的吸收系數(shù)假設(shè)單層云層，反照率和透過(guò)率都是50%?？紤]二次反射后從第一層反射的能量占原來(lái)入射能量的62.5%。因而推測(cè)：多層云的反照率較高。入射輻射LR1=L/2T1=L/2T2=L/4R2=L/4T3=L/8R1+T3=5L/8R3=L/8圖3-7多層云對(duì)太陽(yáng)輻射的反射反射、透射、吸收%反射透過(guò)吸收云厚（米）100806040200010100100010000云厚（米）透過(guò)率（％）°°°°°°°°6005004003002001000102030405060708090°°°°??????°高層云?

層云圖３－８云層反照率、吸收率和透過(guò)率的關(guān)系（ａ）（ｂ）云層的反射特征二.地球-大氣系統(tǒng)輻射光譜和大氣吸收帶地球-大氣系統(tǒng)平均溫度~255K。

地球-大氣系統(tǒng)平均溫度255K?到達(dá)地球并被其吸收的太陽(yáng)輻射為(1-rS)

R2s0rS=0.28為地球行星反照率，R地球半徑，

s0太陽(yáng)常數(shù)。地球-大氣系統(tǒng)熱平衡狀態(tài)下吸收這些輻射后全部轉(zhuǎn)化為熱輻射向外空發(fā)射，地表平均出射度為斯蒂芬-波爾茲曼定律（M=T4）∴通常把地球-大氣系統(tǒng)近似看作平均溫度~

255K的黑體地球-大氣系統(tǒng)(~255K)發(fā)出的輻射主要特征：1.95%集中在4—120m（紅外）波段，2.最大輻射波長(zhǎng)約在10m附近。255K黑體輻射譜大氣對(duì)地球-大氣輻射的吸收

輻射在大氣中傳輸時(shí)，受大氣吸收和散射的影響。對(duì)于地球-大氣輻射（主要輻射為>3m）而言，散射很小，可忽略。所以造成地球-大氣輻射能衰減的主要原因是大氣氣體的吸收。

成分體積混合比（%）混合比特征

強(qiáng)吸收位置（m）

次強(qiáng)吸收位置（m）O2,N299常數(shù)CO20.033常數(shù)2.7，4.3，14.71.4，1.6，2.0，5.0，9.4，10.4H2O0.011.0可變1.4，1.9，2.7，6.3，13.00.9，1.1,3.2O310-6可變4.7，9.6，14.13.3，3.6，5.7N2O2.43.0×10-5可變4.5，7.83.9，4.1，9.6，17.0CH41.41.6×10-4可變3.3，3.8，7.7CO1.31.9×10-5可變4.72.3表3-1大氣氣體的紅外吸收譜帶輻射在大氣中傳輸時(shí)被大氣中的某種氣體所吸收。吸收隨波長(zhǎng)變化很大，吸收很強(qiáng)的一些波段稱(chēng)為吸收帶，吸收很弱或沒(méi)有吸收的一些波段稱(chēng)為大氣窗（因?yàn)檫@些波段的輻射可以象光通過(guò)窗戶(hù)那樣透過(guò)大氣）。三.大氣窗和大氣吸收帶譜段紫外與可見(jiàn)（m）近紅外（m）紅外（m）遠(yuǎn)紅外（m）微波（mm）波長(zhǎng)0.30—0.750.77—0.911.0—1.121.19—1.341.55—1.752.05—2.463.5—4.14.5—5.08.0—9.110.2—12.417.0—22.02.06—2.223.0—3.757.5—11.520—30表3-2大氣窗區(qū)各波段地表和大氣信息的衛(wèi)星遙感，依賴(lài)于輻射與大氣和地表之間的相互作用（即吸收、散射、反射、發(fā)射等）。（1）衛(wèi)星在大氣窗區(qū)波段可以測(cè)量地面、云層反射或發(fā)射的輻射，從而可以得到地表、云面的反射特性或溫度分布；（2）衛(wèi)星在吸收帶測(cè)量，可以得到大氣溫度和成分。根據(jù)測(cè)量目的，衛(wèi)星在一系列波段選擇N多不同的波長(zhǎng)進(jìn)行測(cè)量，這每個(gè)波長(zhǎng)稱(chēng)做一個(gè)通道，N稱(chēng)為通道個(gè)數(shù)。為更多地獲取地面、云層和大氣信息，目前衛(wèi)星測(cè)量使用的通道很多。——“權(quán)重函數(shù)”概念

四.大氣窗和大氣吸收帶

在大氣遙感中的意義圖3-3衛(wèi)星測(cè)量常用的VIS和IR波段波段(m)光譜名稱(chēng)

用途0.2—4太陽(yáng)輻射反射太陽(yáng)輻射99%，太陽(yáng)輻射總量。ERBE5—30地球-大氣輻射長(zhǎng)波輻射85%，地球—大氣發(fā)射到宇宙的長(zhǎng)波輻射。ERBE0.475—0.575藍(lán)、綠地表、地下水特征，干燥、巖石、土壤0.58—0.68黃、紅白天云分布圖，植物生長(zhǎng)、水污染、地形等0.6—0.7橙透射水體，水混濁度海洋泥沙流大河懸浮陸地冰川沙漠地植物生長(zhǎng)0.7—0.8紅對(duì)水體、濕地反映清楚，土壤濕度，植物病蟲(chóng)、生長(zhǎng)0.725—1.10近紅外窗白天云分布圖，水陸邊界，水體分布，土壤濕度，植物生長(zhǎng)3.4—4.2短波紅外窗溫度變化（火災(zāi)監(jiān)測(cè)），海溫測(cè)量，云分布（白天除太陽(yáng)干擾）5.7—7.1水汽吸收帶對(duì)流層中上部水汽含量10.5—12.5大氣紅外窗紅外云分布圖，云參數(shù)，海面溫度，降水13—15CO2吸收帶大氣溫度垂直分布AVHRRchannelization

CharacteristicsChannel1Channel2Channel3Channel4Channel5SpectralRange(m)0.58-0.680.725-1.13.55-3.9310.3-11.311.5-12.5DetectorSiliconSiliconInSbHgCdTeHgCdTeResolution(km)1.11.1IFOV(mr)1.31.3NETD@300K--2S/N@0.5%albedo>3:1>3:1---

CharacteristicsofHIRSchannelsChannelCentralPrincipalLevelofChannelcentralwavelengthabsorbingpeakenergynumberwavenumber(m)constituentscontributionPurposeoftheradianceobservation

166815.00CO230hPaTemperaturesounding.The15-mbandchannelsprovide267914.70CO260hPabettersensitivitytothetemperatureofrelativelycold369114.50CO2100hParegionsoftheatmospherethancanbeachievedwiththe470414.20CO2400hPa4.3-mbandchannels.RadiancesinChannels5,6,and7571614.00CO2600hPaalsoareusedtocalculatetheheightsandamountsofcloud673213.70COO/HO800hpawithintheHIRSfieldofview.774813.40CO2/H2O900hPa889811.10WindowSurfaceSurfacetemperatureandclouddetection910289.70O325hPaTotalozoneconcentration1012178.30H2O900hPaWatervaporsounding.Provideswatervaporcorrectionsfor1113647.30H2O700hPaCO2andwindowchannels.The6.7-mchannelisalsoused1214846.70H2O600hPatodetectthincirruscloud.1321904.57N2O1000hPaTemperaturesounding.The4.3-mbandchannelsprovide1422134.52N2O950hPabettersensitivitytothetemperatureofrelativelywarm1522404.46CO2/N2O700hParegionsoftheatmospherethancanbeachievedwiththe15m1622764.40CO2/N2O400hPabandchannels.Also,theshortwavelengthradiancesare1723614.24CO25hPalesssensitivetocloudsthanthoseforthe15mregion.1825124.00WindowSurfaceSurfacetemperature.MuchlesssensitivetocloudsandH2Othan1926713.70WindowSurfacethe11-mwindow.Usedwith11-mchanneltodetectcloudcontaminationandderivesurfacetemperatureunderpartlycloudyskyconditions.Simultaneous3.7-and4.0-mdataenablereflectedsolarcontributiontobeeliminatedfromobservations.20143670.70WindowCloudClouddetection.Usedduringthedaywith4.0-and11-mwindowchannelstodefineclearfieldsofview.

CharacteristicsofMSUchannels

CentralPrincipalLevelofChannelfrequencyabsorbingpeakenergynumber(GHz)constituentscontributionPurposeoftheradianceobservation

150.31WindowSurfaceSurfaceemissivityandcloudattenuationdetermination.253.73O2700hPaThefollowing3channelsarefortemperaturesounding.Themicrowavechannelsprobe354.96O2300hPathroughcloudandcanbeusedtoalleviatetheinfluenceofcloudsonthe4.3-and457.95O290hPa15-msoundingchannelsinHIRS.

SuggestedChannelsforCh

n(GHz)

BW(GHz)

Characteristic1* 23.8 0.27 splitwindow-watervapor100mm2* 31.4 0.18 splitwindow-watervapor500mm3* 50.3 0.18 window-surfaceemissivity4 51.76 0.40 window-surfaceemissivity5* 52.8 0.40 surfaceair6* 53.596±.115 0.17 4km~700mbtempandprecip7* 54.4 0.40 9km~400mbtempandprecip8* 54.94 0.40 11km~250mb9* 55.5 0.33 13km~180mb10* 57.2903 0.33 17km~90mb11* 57.2903±.217 0.078 19km~50mb12* 57.2903±.322±.048 0.036 25km~25mb13* 57.2903±.322±.022 0.016 29km~10mb14* 57.2903±.322±.010 0.008 32km~6mb15* 57.2903±.322±.004 0.03 37km~3mb16* 89.0 6.0 window-precipandwatervapor150mm17 166.31 4.0 H2O18mm18* 183.31±7 2.0 H2O8mm19 183.31±4.5 2.0 H2O4.5mm20* 183.31±3 1.0 H2O2.5mm21 183.31±1.8 1.0 H2O1.2mm22* 183.31±1 0.5 H2O0.5mm*IncommonwithAMSU/HSBATMS(AdvancedTechnologyMicrowaveSounder)微波遙感主要有以下幾方面的特點(diǎn)：(一)微波輻射的穿透性最重要的特點(diǎn)。穿透云蓋、濃霧、降雨，而且可以穿透一定深度的地表。所以能探測(cè)云內(nèi)和云以下的大氣狀況，對(duì)一年四季晴天很少的地區(qū)進(jìn)行地表、海洋等方面進(jìn)行觀測(cè)。冰云的微波輻射透過(guò)率近于為1；對(duì)于水云，微波波長(zhǎng)越長(zhǎng)，透過(guò)率越大；降水的透過(guò)率對(duì)微波波長(zhǎng)更為敏感；微波穿透植被的能力取決于植被的含水量、密度和微波波長(zhǎng)。(二)物體的微波輻射與亮溫的線性化在熱力平衡條件下，物體的微波輻射可以用普朗克公式的近似形式—瑞利琴斯輻射公式表示；在微波和遠(yuǎn)紅外，普朗克函數(shù)與亮溫度呈線性關(guān)系。(三)微波的低噪聲高靈敏度和低輻射微波的輻射能量相對(duì)紅外輻射是比較微弱的，探測(cè)中需要較大的儀器視場(chǎng)，降低了空間分辨率;同時(shí)微波波段的噪聲小，因此輻射計(jì)的靈敏度遠(yuǎn)超過(guò)紅外輻射計(jì)。(四)微波的比輻射率在微波波段，物體的比輻射率是物體表面粗糙度、復(fù)介電常數(shù)和溫度的函數(shù)，且與輻射的偏振方向有關(guān)。2129cm-1(4.7μm)2314cm-1(4.3μm)2314cm-1(highgain)ImagesfromTwoSingleSpectralSamples(Left)AndSpectrafromTwoDifferentSpatialSamples(Below)ObservedWitha128x128ImagingFTSSpectrumforPixel(37,64)onfaceSpectrumforPixel(90,63)inbreath4.3μm(2314cm-1)CO2AbsorptionBand(3.0μm)MeasurementswithanImagingFTS(5.0μm)1.900.641.6411.01MODIS太陽(yáng)反射光通道上的白天的低(水)云和雷暴(冰)云砧彩色合成圖有助于不同類(lèi)型云的識(shí)別紅G綠蘭第三節(jié)輻射在大氣中的傳輸與衛(wèi)星接收到的輻射氣象衛(wèi)星接收到的輻射包括：

①地面和云面發(fā)射的紅外輻射

②地面和云面反射的太陽(yáng)輻射

③大氣各成分發(fā)射的向上的紅外輻射

④地面和云面反射的大氣向下的紅外輻射

⑤大氣對(duì)太陽(yáng)輻射的散射輻射1、輻射在介質(zhì)中的傳輸

在紅外波段，忽略分子散射輻射。（1）小氣柱吸收的輻射(、T、p)L(z)dA=1dzL(z+dz)圖3-9小氣柱介質(zhì)輻射紅外輻射在大氣中的傳輸dI1因介質(zhì)吸收引起輻射的改變量，k(z)分譜質(zhì)量吸收系數(shù)，(z)吸收介質(zhì)的密度。常稱(chēng)(z)=k(z)(z)為體積吸收系數(shù)。a(z)=(z)dz為單位厚度薄層的吸收系數(shù)。（2）小氣柱發(fā)射的輻射

dL2因介質(zhì)發(fā)射引起輻射的改變量，j（z）介質(zhì)的質(zhì)量發(fā)射率。在局地地?zé)崃ζ胶鈼l件下j

=kB(T)所以，輻射的總增量為故——一階線性常微分方程。2、平面平行大氣中的輻射傳輸圖3-10平行大氣中輻射傳輸dIzI地面

假定大氣是水平平行均勻分層的，Z為垂直方向，在任意方向I的輻射傳輸方程式中dL（z，）是天頂角為方向上dz氣層引起的輻射改變量。使用氣象上習(xí)慣的P坐標(biāo)，根據(jù)靜力方程Z干空氣密度，g重力加速度，q（p）吸收氣體與干空氣的混合比,z坐標(biāo)p坐標(biāo)

令從p=0到p=p之間空氣層的透過(guò)率為：其導(dǎo)數(shù)為將以上二式代入上面一階線性常微分方程，并采用縮寫(xiě)符號(hào)，得dL+Ld=d(L)=Bd注意和L是、p、的函數(shù)，對(duì)上式從地面P0到任一高度p積分得由于L(P0

,)=SB[T(P0)]，且當(dāng)p0時(shí)(p,)1，故上式可寫(xiě)成------衛(wèi)星在紅外波段接收地氣系統(tǒng)發(fā)射輻射的表達(dá)式，即紅外輻射在大氣中的傳輸方程RTE。z坐標(biāo)p坐標(biāo)在紅外波段,到達(dá)衛(wèi)星的輻射L()由兩部分組成：（1）地面輻射項(xiàng)：表示從地面發(fā)射、透過(guò)大氣層、進(jìn)入衛(wèi)星的輻射。（2）大氣輻射項(xiàng)：表示從地面到大氣頂整層氣體發(fā)出并能進(jìn)入衛(wèi)星的輻射。權(quán)重函數(shù)定義：()][0pTBslle()),(][00qtelllppTBs3、RTE的物理意義和衛(wèi)星接收到的輻亮度二.地面和云面反射的大氣下行紅外輻射T(∞)≈2.9K≈0KL(P0

,

)=Lλ(θ）=(rsλ/π)Bλ(T日)τλ(θ日)*τλ(θs)

ω日cos(θ日)三.地面和云面反射的太陽(yáng)輻射L（zh）321L（z1）zzhz10圖3-12有云時(shí)的輻射傳輸

假如大氣中有水平均勻的高、低兩層薄云，忽略各云層和地表對(duì)輻射的反射，則到達(dá)大氣頂?shù)妮椛銵λ（）由三部分組成：①高云下面的地表、低云和大氣發(fā)出并透過(guò)高云向上的輻射，②高云云層向上發(fā)出的輻射③高云以上大氣發(fā)出的輻射，則四.有云時(shí)大氣中紅外輻射的傳輸如果只有一層薄云，云高Zh,方程可簡(jiǎn)化為在晴空無(wú)云時(shí)注意:薄層比輻射率(z)=薄層吸收率a(z)=(z)dz

權(quán)重函數(shù)定義VIS通道：

0.52—0.68，0.58—0.68m等大氣窗→可見(jiàn)光云圖

0.725—1.1m→近紅外云圖IR通道：

10.5—12.5m大氣窗→長(zhǎng)波紅外云圖

3.55—3.93m大氣窗→短波紅外云圖

5.7—7.3m水氣吸收帶→水汽圖圖象灰階規(guī)則：VIS：反射強(qiáng),輻射測(cè)量值大，用白色表示，如厚云區(qū)；反之，用黑色表示。IR：溫度低,輻射測(cè)量值小，用白色表示，如厚云區(qū)；反之，用黑色表示。第四節(jié)衛(wèi)星云圖觀測(cè)原理通道：0.52—0.68m；0.58—0.68m；0.725—1.1m等大氣窗

在大氣窗區(qū)(θ日）=(θs）1，太陽(yáng)輻亮度Bλ（T日)，可看做常數(shù)，因此衛(wèi)星觀測(cè)到的輻射Lλ(θs）與物體反照率rsλ和太陽(yáng)天頂角θ日有關(guān)。

在一定的太陽(yáng)天頂角θ日下，物體反照率rsλ越大，衛(wèi)星觀測(cè)到的輻射Lλ(θs）就越大，在云圖上色調(diào)就越亮；而rsλ越小，Lλ(θs）就越小，衛(wèi)星云圖色調(diào)就越暗。（輻射大用白色表示；輻射小用黑色表示）；在反照率rsλ相同的條件下，太陽(yáng)天頂角θ日越大，衛(wèi)星觀測(cè)到的輻射Lλ(θs）就越大，衛(wèi)星云圖的色調(diào)就越亮；θ日越小，Lλ(θs）就越小，衛(wèi)星云圖的色調(diào)就越暗。可見(jiàn)光云圖觀測(cè)原理1、長(zhǎng)波紅外云圖（10.5—12.5m大氣窗）

Lλ(θs）=SλBλ（TS)

(θs）≈Bλ（TS)

衛(wèi)星觀測(cè)到的輻射Lλ(θs）與物體溫度有關(guān)。物體溫度越高，衛(wèi)星觀測(cè)到的輻射Lλ(θs）就越大，衛(wèi)星云圖的色調(diào)就越暗；物體溫度越低，衛(wèi)星觀測(cè)到的輻射Lλ(θs）就越小，衛(wèi)星云圖的色調(diào)就越亮。（輻射大用黑色表示，輻射小用白色表示）。紅外云圖觀測(cè)原理

3.55-3.93微米大氣窗通道位于太陽(yáng)輻射和地氣輻射的重合區(qū)，在白天

Lλ(θs）包括反射的太陽(yáng)輻射和地面云面發(fā)射的輻射兩項(xiàng)，云圖色調(diào)的變化較復(fù)雜，輻射大用黑色表示，增加了圖象識(shí)別難度。對(duì)于地表溫度遙感而言，短波紅外通道在白天受太陽(yáng)污染，主要在夜間測(cè)溫。根據(jù)Planck定律可得：2、短波紅外云圖（3.55—3.93m）是波數(shù)，b是常數(shù)，對(duì)一定的B，波數(shù)越大（波長(zhǎng)越短），T越小。所以，短波紅外測(cè)溫精度比長(zhǎng)波紅外通道高。

短波紅外通道的大氣衰減也比長(zhǎng)波紅外通道小。

大氣中水汽含量越大，對(duì)其下發(fā)出的輻射吸收就越強(qiáng)，到達(dá)衛(wèi)星的輻射就越小。所以，水汽圖色調(diào)越白，表示水汽越多。反之，色調(diào)越黑，表示水汽越少。

大氣濕度層結(jié)遙感：HIRS使用6.7,7.3,和8.3m三個(gè)通道（吸收逐漸減弱），權(quán)重函數(shù)分別對(duì)應(yīng)600、700、900hPa高度層。6.7m通道（5.7—7.3m）：水汽吸收帶（吸收最強(qiáng)在為6.3m）。水汽圖觀測(cè)、大氣濕度層結(jié)遙感原理圖3-13不同大氣濕度時(shí)水汽通道的透過(guò)率、權(quán)重函數(shù)、和貢獻(xiàn)函數(shù)特征CuandCucongovertheSouthwestofChinamainland

--ToneinVIS&IR:gray─white,dependingonconvectiveintensity--Form:irregularshapeswithmoretextures(Arcs,lines,andcellularpatternsareindicativeofthelow-levelairflow.)

Aug.8AMIRAug.8AMVISBi-dimensionalimagehistogramDiscriminationofObjectswithVISandIRImages

VISIBLE

WhiteLightGrayGrayDarkGrayBlack

Black

Sand(day)

WarmSea

Dark

Gray

Sc