第3章 氣象衛(wèi)星遙感大氣基本原理2

1、http:/ 太陽(yáng)和地球太陽(yáng)和地球- -大氣系統(tǒng)輻射大氣系統(tǒng)輻射一一. 太陽(yáng)輻射太陽(yáng)輻射太陽(yáng)：太陽(yáng)： 6000K，直徑，直徑(2R日日)=139.14萬(wàn)公里，是地球的萬(wàn)公里，是地球的104倍；日倍；日地平均距離地平均距離d0=1.495 108公里。公里。太陽(yáng)輻射用太陽(yáng)常數(shù)、太陽(yáng)光譜太陽(yáng)輻射用太陽(yáng)常數(shù)、太陽(yáng)光譜(在大氣頂處、在地面處在大氣頂處、在地面處)來(lái)描述。來(lái)描述。 太陽(yáng)常數(shù)太陽(yáng)常數(shù)：到達(dá)地球大氣頂?shù)奶?yáng)輻射通量密度到達(dá)地球大氣頂?shù)奶?yáng)輻射通量密度s0=1353 W/m1353 W/m2 2，誤差誤差 21W/m21W/m2 2。由太陽(yáng)常數(shù)可以計(jì)算單位時(shí)間內(nèi)太陽(yáng)輻射的總能量為由太陽(yáng)常數(shù)可以

2、計(jì)算單位時(shí)間內(nèi)太陽(yáng)輻射的總能量為 瓦26211020108255. 31353)105 . 1 (44sdQ能量平衡：太陽(yáng)輻射到達(dá)大氣頂后，大約能量平衡：太陽(yáng)輻射到達(dá)大氣頂后，大約 35% 被地球、大氣、云層反射被地球、大氣、云層反射 17% 被大氣吸收被大氣吸收 47% 到達(dá)地面、被地表吸收到達(dá)地面、被地表吸收 太陽(yáng)光譜：太陽(yáng)光譜： 太陽(yáng)輻射能主要集中在太陽(yáng)輻射能主要集中在0.3-3.00.3-3.0微米，微米， 輻射最大值位于輻射最大值位于0.470.47微米微米, ,色溫度色溫度 1/4 1/4能量在波長(zhǎng)能量在波長(zhǎng) 0.470.47微米的譜段內(nèi)，微米的譜段內(nèi)， 46%46%的能量在的能量

3、在0.400.400.760.76微米的可見(jiàn)光波段。微米的可見(jiàn)光波段。 假設(shè)太陽(yáng)是理想的黑體，則可由假設(shè)太陽(yáng)是理想的黑體，則可由斯蒂芬斯蒂芬- -波爾茲曼定律計(jì)波爾茲曼定律計(jì)算出太陽(yáng)的有效溫度算出太陽(yáng)的有效溫度T Te e: :21/ 41/ 44(5754eQERTK日日）（）KTC96.616547. 028982898max 太陽(yáng)吸收光譜（如圖）：該光譜與太陽(yáng)吸收光譜（如圖）：該光譜與5900K5900K的黑體輻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汽、二氧化碳及塵埃等物質(zhì)選

4、擇性吸收作用造成的吸收線和吸收帶。線和吸收帶。O3吸收吸收：主要位于紫：主要位于紫外光外光0.2 -0.3m、0.32-0.36 m、可見(jiàn)光可見(jiàn)光0.6和和4.75 m。O2吸收吸收：紫外、可見(jiàn)：紫外、可見(jiàn)光。光。H2O吸收吸收：0.7 m、0.70.8 mCO2吸收吸收：3.5 ml 1. 1. 地面土壤粒子結(jié)構(gòu)、土地面土壤粒子結(jié)構(gòu)、土壤水分對(duì)反照率的影響壤水分對(duì)反照率的影響l 2 2、植被、冰雪、水體的反、植被、冰雪、水體的反照率照率l 3 3、反照率隨波長(zhǎng)的變化、反照率隨波長(zhǎng)的變化 圖圖1 砂土三種不同含水量時(shí)砂土三種不同含水量時(shí)的反射率譜的反射率譜反射率%波長(zhǎng) m m04%512%22

5、32%波長(zhǎng) m m葉子反射率、水吸收率%葉子反射率水吸收率 0.5 1.3 1.9 2.5圖圖2 葉子反射率、水吸收率的反相關(guān)系葉子反射率、水吸收率的反相關(guān)系不同覆蓋物時(shí)地不同覆蓋物時(shí)地表的反照率隨波表的反照率隨波長(zhǎng)的變化長(zhǎng)的變化地面及其覆蓋物對(duì)太陽(yáng)輻射的反射地面及其覆蓋物對(duì)太陽(yáng)輻射的反射 0.5 1 1.5 2（a）不同種類作物和裸地的反照率）不同種類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作物在生長(zhǎng)和衰老期間光譜變化小麥葉子的可見(jiàn)光小麥葉子的可見(jiàn)光-中紅外光譜特征中紅外光譜特征小麥葉子在不同生長(zhǎng)期的反射率小麥葉子

6、在不同生長(zhǎng)期的反射率不同葉綠素濃度的海水反照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不同土壤濕度下含沙壤土的反射率清水的吸收系數(shù)清水的吸收系數(shù)假設(shè)單層云層，反照率和透過(guò)假設(shè)單層云層，反照率和透過(guò)率都是率都是50%50%?？紤]二次反射后。考慮二次反射后從第一層反射的能量占原來(lái)入從第一層反射的能量占原來(lái)入射能量的射能量的62.5%62.5%。因而推測(cè)：。因而推測(cè)：多層云的反照率較高。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

7、射反射、透射、吸收%反射透過(guò)吸收云厚（米）100806040200010 100 1000 10000云厚（米）透過(guò)率（） 600500400300200100 010 20 30 40 50 60 70 80 90 高層云高層云 層云層云圖云層反照率、吸收率和透過(guò)率的關(guān)系圖云層反照率、吸收率和透過(guò)率的關(guān)系（）（）（）（）云層的反射特征云層的反射特征二二. 地球地球-大氣系統(tǒng)輻射光譜大氣系統(tǒng)輻射光譜和大氣吸收帶和大氣吸收帶地球地球-大氣系統(tǒng)平均溫度大氣系統(tǒng)平均溫度255K。 地球地球-大氣系統(tǒng)平均溫度大氣系統(tǒng)平均溫度255K?到達(dá)地球并被其吸收的太陽(yáng)輻射為到達(dá)地球并被其吸收的太陽(yáng)輻射為 (1-

8、rS) R2s0 rS =0.28=0.28為地球?yàn)榈厍蛐行欠凑章?，行星反照率，R地球半徑，地球半徑， s0太陽(yáng)常數(shù)。太陽(yáng)常數(shù)。 地球地球-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，地表平均出射度為熱輻射向外空發(fā)射，地表平均出射度為斯蒂芬斯蒂芬-波爾茲曼定律波爾茲曼定律（M=M= T T4 4）4)1 (4)1 (0202srRsRrMss1/41/41/408(1)(1 0.28) 1353(/ )25644 5.67 10sr sTMK通常把地球通常把地球- -大氣系統(tǒng)近似看作平均溫度大氣系統(tǒng)近似看作平均溫度 255K255K

9、的黑體的黑體地球地球-大氣系統(tǒng)大氣系統(tǒng)(255K)發(fā)出的輻射主要特征：發(fā)出的輻射主要特征：1. 95%集中在集中在4120 m（紅外）波段，（紅外）波段，2. 最大輻射波長(zhǎng)約在最大輻射波長(zhǎng)約在10 m附近。附近。255K黑體輻射譜黑體輻射譜大氣對(duì)大氣對(duì)地球地球- -大氣輻射的吸收大氣輻射的吸收 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)于地球地球-大氣輻射（主要輻射為大氣輻射（主要輻射為 3 m）而言而言，散射很小，可忽略。所以，散射很小，可忽略。所以造成造成地球地球- -大氣輻射能衰減的主要原因是大氣氣體的吸收大氣輻射能衰減的主要原因是大氣

10、氣體的吸收。 成成 分分體積混合比體積混合比 （%）混合比混合比特征特征 強(qiáng)吸收位置強(qiáng)吸收位置 （ m） 次強(qiáng)吸收位置次強(qiáng)吸收位置 （ m）O2, N299常數(shù)CO20.033常數(shù)2.7，4.3，14.71.4，1.6，2.0，5.0，9.4，10.4H2O0.01 1.0可變1.4，1.9，2.7，6.3，13.00.9，1.1, 3.2O3 10-6可變4.7，9.6，14.13.3，3.6，5.7N2O2.4 3.0 10 -5可變4.5，7.83.9，4.1，9.6，17.0CH41.4 1.6 10 -4可變3.3，3.8，7.7CO1.3 1.9 10 -5可變4.72.3表3-1

11、 大氣氣體的紅外吸收譜帶大氣氣體的紅外吸收譜帶輻射在大氣中傳輸時(shí)被輻射在大氣中傳輸時(shí)被大氣中的某種氣體大氣中的某種氣體所吸所吸收。收。吸收隨波長(zhǎng)變化很大，吸收隨波長(zhǎng)變化很大，吸收很強(qiáng)的一些波段稱吸收很強(qiáng)的一些波段稱為為吸收帶吸收帶，吸收很弱或，吸收很弱或沒(méi)有吸收的一些波段稱沒(méi)有吸收的一些波段稱為為大氣窗大氣窗（因?yàn)檫@些波（因?yàn)檫@些波段的輻射可以象光通過(guò)段的輻射可以象光通過(guò)窗戶那樣透過(guò)大氣）。窗戶那樣透過(guò)大氣）。三三. 大氣窗和大氣吸收帶大氣窗和大氣吸收帶譜譜 段段紫外與可紫外與可見(jiàn)（見(jiàn)（ m）近近 紅紅 外外（ m）紅紅 外外（ m）遠(yuǎn)紅外遠(yuǎn)紅外（ m）微微 波波（mm）波波長(zhǎng)長(zhǎng)0.300.7

12、50.770.911.041.551.752.052.45.08.017.022.02.062.223.03.757.511.52030表表3-2 大氣窗區(qū)各波段大氣窗區(qū)各波段地表和大氣信息的衛(wèi)星遙感，依賴于輻射與大氣和地表之間地表和大氣信息的衛(wèi)星遙感，依賴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）。的相互作用（即吸收、散射、反射、發(fā)射等）。（1 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）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；的輻射，從而可以

13、得到地表、云面的反射特性或溫度分布；（2 2）衛(wèi)星在吸收帶測(cè)量，可以得到大氣溫度和成分。）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根據(jù)測(cè)量目的，衛(wèi)星在一系列波段選擇N N多不同的波長(zhǎng)多不同的波長(zhǎng)進(jìn)行進(jìn)行測(cè)量，這每個(gè)波長(zhǎng)稱做一個(gè)通道，測(cè)量，這每個(gè)波長(zhǎng)稱做一個(gè)通道，N N稱為通道個(gè)數(shù)稱為通道個(gè)數(shù)。為更多。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。多。“權(quán)重函數(shù)權(quán)重函數(shù)”概念概念 四四. 大氣窗和大氣吸收帶大氣窗和大氣吸收帶在大氣遙感中的意義在大氣遙感中的意義圖圖3-3 衛(wèi)星測(cè)量常用的衛(wèi)星測(cè)量

14、常用的VIS和和IR波段波段波段波段( m)光譜名稱光譜名稱 用用 途途0.24太陽(yáng)輻射太陽(yáng)輻射反射太陽(yáng)輻射反射太陽(yáng)輻射99%，太陽(yáng)輻射總量。，太陽(yáng)輻射總量。ERBE530地球地球-大氣輻大氣輻射射長(zhǎng)波輻射長(zhǎng)波輻射85%，地球，地球大氣發(fā)射到宇宙的長(zhǎng)波輻射。大氣發(fā)射到宇宙的長(zhǎng)波輻射。ERBE0.4750.575藍(lán)、綠藍(lán)、綠地表、地下水特征，干燥、巖石、土壤地表、地下水特征，干燥、巖石、土壤0.580.68黃、紅黃、紅白天云分布圖白天云分布圖，植物生長(zhǎng)、水污染、地形等，植物生長(zhǎng)、水污染、地形等0.60.7橙橙透射水體，水混濁度海洋泥沙流大河懸浮陸地冰川沙漠地植物生透射水體，水混濁度海洋泥沙流大河

15、懸浮陸地冰川沙漠地植物生長(zhǎng)長(zhǎng)0.70.8紅紅對(duì)水體、濕地反映清楚，土壤濕度，植物病蟲、生長(zhǎng)對(duì)水體、濕地反映清楚，土壤濕度，植物病蟲、生長(zhǎng)0.7251.10近紅外近紅外窗窗白天云分布圖，水陸邊界，水體分布，土壤濕度，植物生長(zhǎng)白天云分布圖，水陸邊界，水體分布，土壤濕度，植物生長(zhǎng)3.44.2短波紅外窗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）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）5.77.1水汽吸收帶水汽吸收帶對(duì)流層中上部水汽含量對(duì)流層中上部水汽含量10.512.5大氣紅外窗大氣紅外窗紅外云分布圖，云參數(shù)紅外云分布圖，云參數(shù)，海面溫度，降水，海面溫度，降水1

16、315CO2吸收帶吸收帶大氣溫度垂直分布大氣溫度垂直分布AVHRR channelization Characteristics Channel 1 Channel 2 Channel 3 Channel 4 Channel 5 Spectral Range(m) 0.58-0.68 0.725-1.1 3.55-3.93 10.3-11.3 11.5-12.5 Detector Silicon Silicon InSb HgCdTe HgCdTe Resolution(km) 1.1 1.1 1.1 1.1 1.1 IFOV(mr) 1.3 1.3 1.3 1.3 1.3 NETD 300

17、K - - 0.12 0.12 0.12 S/N 0.5% albedo 3:1 3:1 - - - Characteristics of HIRS channels Channel Central Principal Level of Channel central wavelength absorbing peak energy number wavenumber ( m) constituents contribution Purpose of the radiance observation 1 668 15.00 CO2 30 hPa Temperature sounding. Th

18、e 15-m band channels provide 2 679 14.70 CO2 60 hPa better sensitivity to the temperature of relatively cold 3 691 14.50 CO2 100 hPa regions of the atmosphere than can be achieved with the 4 704 14.20 CO2 400 hPa 4.3-m band channels. Radiances in Channels 5,6, and 7 5 716 14.00 CO2 600 hPa also are

19、used to calculate the heights and amounts of cloud 6 732 13.70 COO/HO 800 hpa within the HIRS field of view. 7 748 13.40 CO2/H2O 900 hPa 8 898 11.10 Window Surface Surface temperature and cloud detection 9 1028 9.70 O3 25 hPa Total ozone concentration 10 1217 8.30 H2O 900 hPa Water vapor sounding. P

20、rovides water vapor corrections for 11 1364 7.30 H2O 700 hPa CO2 and window channels. The 6.7-m channel is also used 12 1484 6.70 H2O 600 hPa to detect thin cirrus cloud. 13 2190 4.57 N2O 1000 hPa Temperature sounding. The 4.3-m band channels provide 14 2213 4.52 N2O 950 hPa better sensitivity to th

21、e temperature of relatively warm 15 2240 4.46 CO2/N2O 700 hPa regions of the atmosphere than can be achieved with the 15m 16 2276 4.40 CO2/N2O 400 hPa band channels. Also, the short wavelength radiances are 17 2361 4.24 CO2 5 hPa less sensitive to clouds than those for the 15m region. 18 2512 4.00 W

22、indow Surface Surface temperature. Much less sensitive to clouds and H2O than 19 2671 3.70 Window Surface the 11-m window. Used with 11-m channel to detect cloud contamination and derive surface temperature under partly cloudy sky conditions. Simultaneous 3.7- and 4.0-m data enable reflected solar c

23、ontribution to be eliminated from observations. 20 14367 0.70 Window Cloud Cloud detection. Used during the day with 4.0- and 11-m window channels to define clear fields of view. Characteristics of MSU channels Central Principal Level of Channel frequency absorbing peak energy number (GHz) constitue

24、nts contribution Purpose of the radiance observation 1 50.31 Window Surface Surface emissivity and cloud attenuation determination. 2 53.73 O2 700 hPa The following 3 channels are for temperature sounding. The microwave channels probe 3 54.96 O2 300 hPa through cloud and can be used to alleviate the

25、 influence of clouds on the 4.3- and 4 57.95 O2 90 hPa 15-m sounding channels in HIRS. Suggested Channels forChn n(GHz)BW(GHz)Characteristic1*23.80.27split window-water vapor 100 mm2*31.40.18split window-water vapor 500 mm3*50.30.18window-surface emissivity451.760.40window-surface emissivity5*52.80.

26、40surface air6*53.596.1150.174 km 700 mb temp and precip7*54.40.409 km 400 mb temp and precip8*54.940.4011 km 250 mb 9*55.50.3313 km 180 mb10*57.29030.3317 km 90 mb11*57.2903 .2170.07819 km 50 mb12*57.2903 .322 .0480.03625 km 25 mb13*57.2903 .322 .0220.01629 km 10 mb14*57.2903 .322 .010 0.00832 km 6

27、 mb15*57.2903 .322 .0040.0337 km 3 mb16*89.06.0window-precip and water vapor 150 mm17166.314.0H2O 18 mm18*183.3172.0H2O 8 mm19183.314.52.0H2O 4.5 mm20*183.3131.0H2O 2.5 mm21183.311.81.0H2O 1.2 mm22*183.3110.5H2O 0.5 mm* In common with AMSU/HSBATMS (Advanced Technology Microwave Sounder )微波遙感主要有以下幾方面

28、的特點(diǎn)：微波遙感主要有以下幾方面的特點(diǎn)：(一一) 微波輻射的穿透性微波輻射的穿透性最重要的特點(diǎn)。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)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)。洋等方面進(jìn)行觀測(cè)。冰云的微波輻射透過(guò)率近于為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；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；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

29、于植被的含水量、密度和微波波長(zhǎng)。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)。(二二) 物體的微波輻射與亮溫的線性化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；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。在微波和遠(yuǎn)紅外，普朗克函數(shù)與亮溫度呈線性關(guān)系。(三三) 微波的低噪聲高靈敏度和低輻射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

30、了空間分辨率視場(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)。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)。(四四) 微波的比輻射率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)。的函數(shù)，且與輻射的偏振方向有關(guān)。wavenumbers (cm-1)2000250030003500relative intensity012345672129 cm-1 (4.7 m)2314 cm-1 (4.3m)2314cm-1 (high gain)

31、Images from Two Single Spectral Samples (Left)And Spectra from Two Different Spatial Samples (Below) Observed With a 128 x 128 Imaging FTSSpectrum for Pixel (37,64) on faceSpectrum for Pixel (90,63) in breath4.3 m (2314 cm-1)CO2 Absorption Band(3.0 m)(5.0 m)1.900.641.6411.01MODIS太陽(yáng)反射光太陽(yáng)反射光通道上的白天的低通道

32、上的白天的低(水水)云和雷暴云和雷暴(冰冰)云砧云砧彩色合成圖有助于不同類型云的識(shí)別紅G 綠蘭第三節(jié)第三節(jié) 輻射在大氣中的傳輸與衛(wèi)星接收輻射在大氣中的傳輸與衛(wèi)星接收到的輻射到的輻射氣象衛(wèi)星接收到的輻射包括：氣象衛(wèi)星接收到的輻射包括： 地面和云面發(fā)射的紅外輻射地面和云面發(fā)射的紅外輻射 地面和云面反射的太陽(yáng)輻射地面和云面反射的太陽(yáng)輻射 大氣各成分發(fā)射的向上的紅外輻射大氣各成分發(fā)射的向上的紅外輻射 地面和云面反射的大氣向下的紅外輻射地面和云面反射的大氣向下的紅外輻射 大氣對(duì)太陽(yáng)輻射的散射輻射大氣對(duì)太陽(yáng)輻射的散射輻射1 1、輻射在介質(zhì)中的傳輸、輻射在介質(zhì)中的傳輸 在紅外波段，忽略分子散射輻射在紅外波段

33、，忽略分子散射輻射。 （1 1）小氣柱吸收的輻射）小氣柱吸收的輻射( 、T、p)L (z)dA=1dzL (z+dz)圖圖3-9 小氣柱介質(zhì)輻射小氣柱介質(zhì)輻射紅外輻射在大氣中的傳輸紅外輻射在大氣中的傳輸dI 1因介質(zhì)吸收引起輻射的改變量，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)，分譜質(zhì)量吸收系數(shù)，(z)吸收介質(zhì)的密度。常稱吸收介質(zhì)的密度。常稱 (z)=k (z)(z) 為體積吸收系數(shù)。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)。為單位厚度薄層的吸收系數(shù)。1( )( )( ) ( )( )( )( )( )dLzkz Lzz dzz Lz dzaz Lz

34、（2）小氣柱發(fā)射的輻射）小氣柱發(fā)射的輻射 dL 2因介質(zhì)發(fā)射引起輻射的改變量，因介質(zhì)發(fā)射引起輻射的改變量，j （z）介質(zhì)的質(zhì)）介質(zhì)的質(zhì)量發(fā)射率。在局地地?zé)崃ζ胶鈼l件下量發(fā)射率。在局地地?zé)崃ζ胶鈼l件下 j =k B (T)dzzzjzdL)()()(2dzzTBzkzdL)()()()(2dzzzkTBzLdL)()()()()()()(zTBzLdzdL所以，輻射的總增量為所以，輻射的總增量為故故 一階線性常微分方程。一階線性常微分方程。2 2、平面平行大氣中的輻射傳輸、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dzzzkzTBzLzdLsec)()()(),(),(

35、 假定大氣是水平平行均勻分層的，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?yàn)榇怪狈较?，在任意方向I的輻射傳的輻射傳輸方程輸方程式中式中dL （z， ）是天頂角為）是天頂角為 方向上方向上dz氣層氣層引起的輻射改變量。使用氣象上習(xí)慣的引起的輻射改變量。使用氣象上習(xí)慣的P坐標(biāo)，坐標(biāo)，根據(jù)靜力方程根據(jù)靜力方程 Z干空氣密度，干空氣密度，g重力加速度，重力加速度，gdzdpz/ zzqpz dzdpdpgg (,)(,) ()()secqpdLpLpBT pkpdpgq（p）吸收氣體與干空氣的混合比）吸收氣體與干空氣的混合比,z坐標(biāo)p坐標(biāo) 令令從從p=0到到p=p之間之間空氣層的透過(guò)率為：

36、空氣層的透過(guò)率為：ppdpkpqgp0)()(secexp,(,)sec()()()dpqp kppd pg 其導(dǎo)數(shù)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，并采用縮寫將以上二式代入上面一階線性常微分方程，并采用縮寫符號(hào)，得符號(hào)，得 dL+Ld =d(L )=Bd 注意注意 和和L是是 、p、 的函數(shù)，對(duì)上式從地面的函數(shù)，對(duì)上式從地面P0到任一高度到任一高度 p積分得積分得000(,),(, )(, ) ()pPdpLppL PPB T pdpdp 由于由于L ( P0 , )= S B T( P0)，且當(dāng)，且當(dāng)p0時(shí)時(shí) (p, )1，故上式可寫成故上式可寫成 0000(, ) (, )

37、 ()sPdpLB T ppB T pdpdp-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，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，即即紅外輻射在大氣中的傳輸方程紅外輻射在大氣中的傳輸方程RTE。 0( , )0 (0, ) ( )sdzLB TB T zdzdzz坐標(biāo)p坐標(biāo)在紅外波段在紅外波段, 到達(dá)衛(wèi)星的輻射到達(dá)衛(wèi)星的輻射L ( )由兩部分組成：由兩部分組成： （1）地面輻射項(xiàng)：）地面輻射項(xiàng)： 表示從地面發(fā)射表示從地面發(fā)射、透過(guò)大氣層、進(jìn)入衛(wèi)星的輻射。、透過(guò)大氣層、進(jìn)入衛(wèi)星的輻射。 （2）大氣輻射項(xiàng)：）大氣輻射項(xiàng)： 表示從地面到大氣頂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。整

38、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：00(,)()PdpBTpdpdp0pTBs),(00ppTBs)()()()(zzdzzdzw3、RTE的物理意義的物理意義和衛(wèi)星接收到的輻亮度和衛(wèi)星接收到的輻亮度二二.地面和云面反射的大氣下行紅外輻射地面和云面反射的大氣下行紅外輻射,0)()I(-(1sdz dzz),(d T(z)-,B(+ ),()T(,B(=,0)(Isz0T()2.9K0K z)dz,(z0 exp-=z),(,0)(=),(L (P0 , ) =L L(）= (r= (rss/) B/) B(T T日日)(日日) *(s s) 日日cos(日日)三三.地面和云面反射的

39、太陽(yáng)輻射地面和云面反射的太陽(yáng)輻射)(LL（zh）3 2 1L（z1）zzhz10圖圖3-12有云時(shí)的輻射傳輸有云時(shí)的輻射傳輸 假如大氣中有水平均勻的高、低兩層薄云，假如大氣中有水平均勻的高、低兩層薄云，忽略各云層和地忽略各云層和地表對(duì)輻射的反射表對(duì)輻射的反射，則到達(dá)大氣頂?shù)妮椛洌瑒t到達(dá)大氣頂?shù)妮椛銵（ ）由三部分組成：由三部分組成：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，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，高云云層向上發(fā)出的輻射高云云層向上發(fā)出的輻射高云以上大氣發(fā)出的輻射，高云以上大氣發(fā)出的輻射，則則cloudcloudzhhhczzlczschchhdzzzzBz

40、zBdzzzzBzzBdzzzzBBL1 其中)()()()()()()()()()()()()() 0 () 0 ()(,11,0111四四.有云時(shí)大氣中紅外輻射的傳輸有云時(shí)大氣中紅外輻射的傳輸hhzhhczscdzzzzBzzBdzzzzBBL)()()()()()1 ()()()() 0() 0()(0如果只有一層薄云，云高如果只有一層薄云，云高Zh, 方程可簡(jiǎn)化為方程可簡(jiǎn)化為在晴空無(wú)云時(shí)在晴空無(wú)云時(shí)0)()()()0()0()(dzzzzBBLs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)()()()(zzdzzdzwVISVIS通道：通道： 0.520.

41、68，0.580.68 m等大氣窗等大氣窗可見(jiàn)光云圖可見(jiàn)光云圖 0.7251.1 m 近紅外云圖近紅外云圖IR通道：通道： 10.512.5 m大氣窗大氣窗長(zhǎng)波紅外云圖長(zhǎng)波紅外云圖 3.553.93 m大氣窗大氣窗短波紅外云圖短波紅外云圖 5.77.3 m水氣吸收帶水氣吸收帶水汽水汽圖圖圖象灰階規(guī)則：圖象灰階規(guī)則：VISVIS：反射強(qiáng)：反射強(qiáng), ,輻射測(cè)量值大，用白色表示，如厚云區(qū)輻射測(cè)量值大，用白色表示，如厚云區(qū)；反之，用反之，用黑黑色表示。色表示。IR：溫度低：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。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)第四節(jié)

42、 衛(wèi)星云圖觀測(cè)原理衛(wèi)星云圖觀測(cè)原理通道：通道：0.520.520.680.68 m；0.580.68 m；0.7251.1 m等大氣窗等大氣窗 在大氣窗區(qū)在大氣窗區(qū) (日日）= = (s(s） 1 1，太，太陽(yáng)輻亮度陽(yáng)輻亮度B B（T T日日)，可，可看做看做常數(shù)，常數(shù)，因此因此衛(wèi)星觀測(cè)到的輻射衛(wèi)星觀測(cè)到的輻射L L(s(s）與物體反照率與物體反照率r rss和太陽(yáng)和太陽(yáng)天頂角天頂角日日有關(guān)有關(guān)。 在一定的太陽(yáng)天頂角在一定的太陽(yáng)天頂角日下，日下，物體反照率物體反照率r rss越大，衛(wèi)星觀測(cè)到越大，衛(wèi)星觀測(cè)到的輻射的輻射L L(s(s）就越大，在云圖上色調(diào)就越亮；）就越大，在云圖上色調(diào)就越亮；

43、而而r rss越小，越小， L L(s(s）就越小，衛(wèi)星云圖色調(diào)就越暗。（輻射大用白色表示）就越小，衛(wèi)星云圖色調(diào)就越暗。（輻射大用白色表示；輻輻射射小小用用黑黑色表示）色表示）； 在反照率在反照率r rss相同的條件下，相同的條件下，太陽(yáng)天頂角太陽(yáng)天頂角日日越大，衛(wèi)星觀測(cè)到越大，衛(wèi)星觀測(cè)到的輻射的輻射L L(s(s）就越大，衛(wèi)星云圖的色調(diào)就越亮；）就越大，衛(wèi)星云圖的色調(diào)就越亮； 日日越小，越小， L L(s(s）就越小，衛(wèi)星云圖的色調(diào)就越暗。）就越小，衛(wèi)星云圖的色調(diào)就越暗?？梢?jiàn)光云圖觀測(cè)原理可見(jiàn)光云圖觀測(cè)原理日日日日）（）（）cos()(sssTBrL1 1、長(zhǎng)波紅外云圖（、長(zhǎng)波紅外云圖（10

44、.512.5 m大氣窗）大氣窗） L L(s(s）= = S SB B（T TS S) (s s） B B（T TS S) 衛(wèi)星觀測(cè)到的輻射衛(wèi)星觀測(cè)到的輻射L L(s(s）與物體溫度有關(guān)。與物體溫度有關(guān)。 物體溫度越高，衛(wèi)星觀測(cè)到的輻射物體溫度越高，衛(wèi)星觀測(cè)到的輻射L L(s(s）就越大，）就越大，衛(wèi)星云圖的色調(diào)就越暗；衛(wèi)星云圖的色調(diào)就越暗；物體溫度越低，衛(wèi)星觀測(cè)到的輻物體溫度越低，衛(wèi)星觀測(cè)到的輻射射L L(s(s）就越小，衛(wèi)星云圖的色調(diào)就越亮。（輻射大用）就越小，衛(wèi)星云圖的色調(diào)就越亮。（輻射大用黑色表示黑色表示，輻射輻射小小用用白白色表示色表示）。）。紅外云圖觀測(cè)原理紅外云圖觀測(cè)原理 3.5

45、5-3.933.55-3.93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 L L(s(s）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）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。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，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，主要短波紅外通道在白天受太陽(yáng)污染，主要在夜間測(cè)溫。在夜間測(cè)溫。93. 355. 393. 355. 3cos()(1dTBdTErLLLLssssssers）（）

46、（）（）（）（物體發(fā)射輻射）反射太陽(yáng)輻射）日日日93.355.393.355.3cos(1dTBdTErLssss）（）日日根據(jù)根據(jù)PlanckPlanck定律可得定律可得 ：BBbeTTTbss)1(2nn2 2、短波紅外云圖（、短波紅外云圖（3.553.553.933.93 m）n n是波數(shù)，是波數(shù)，b是常數(shù)，對(duì)一定的是常數(shù)，對(duì)一定的 B，波數(shù)越大（波長(zhǎng)越，波數(shù)越大（波長(zhǎng)越短），短）， T越小。所以，越小。所以，短波紅外測(cè)溫精度比長(zhǎng)波紅外短波紅外測(cè)溫精度比長(zhǎng)波紅外通道高。通道高。 短波紅外通道的大氣衰減也比短波紅外通道的大氣衰減也比長(zhǎng)波紅外通道長(zhǎng)波紅外通道小。小。 大氣中水汽含量越大，對(duì)其下發(fā)出的輻射吸收就越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，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。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：大氣濕度層結(jié)遙感：HIRSHIRS使用使用6.7,7.3,6.7,7.3,和和8.38.3 m三三個(gè)通道（吸收逐漸減弱），權(quán)重函數(shù)分別對(duì)應(yīng)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。高度層。6.76.7 m通道（通道（5.75