第1-2章_氣象衛(wèi)星遙感原理

1、南京信息工程大學(xué)大氣物理學(xué)院南京信息工程大學(xué)大氣物理學(xué)院肖穩(wěn)安肖穩(wěn)安TelE-mail：2013.8.28.2013.8.28.第一章第一章 氣象衛(wèi)星探測(cè)概述氣象衛(wèi)星探測(cè)概述 大氣物理學(xué)院大氣物理學(xué)院 肖穩(wěn)安肖穩(wěn)安TelE-mail： 第一節(jié)第一節(jié) 氣象衛(wèi)星遙感的意義和內(nèi)容氣象衛(wèi)星遙感的意義和內(nèi)容 背景：背景：二十世紀(jì)二十世紀(jì)40405050年代，科技發(fā)展的兩大年代，科技發(fā)展的兩大突出進(jìn)展：突出進(jìn)展： 19461946年現(xiàn)代電子計(jì)算機(jī)技術(shù)研制成功，大年現(xiàn)代電子計(jì)算機(jī)技術(shù)研制成功，大大地縮短了科學(xué)進(jìn)程。大地縮短了科學(xué)進(jìn)程。 空間科學(xué)的迅速發(fā)展，

2、出現(xiàn)了人造衛(wèi)星，空間科學(xué)的迅速發(fā)展，出現(xiàn)了人造衛(wèi)星，人類向宇宙空間進(jìn)軍，并廣泛應(yīng)用于天文、氣象人類向宇宙空間進(jìn)軍，并廣泛應(yīng)用于天文、氣象、地質(zhì)、海洋、農(nóng)業(yè)、軍事和通信等領(lǐng)域。、地質(zhì)、海洋、農(nóng)業(yè)、軍事和通信等領(lǐng)域。 氣象衛(wèi)星氣象衛(wèi)星 19601960年年4 4月月1 1日，日，TIROSTIROS衛(wèi)星升空，開(kāi)衛(wèi)星升空，開(kāi)創(chuàng)了人造衛(wèi)星應(yīng)用于氣象的新紀(jì)元。創(chuàng)了人造衛(wèi)星應(yīng)用于氣象的新紀(jì)元。 氣象衛(wèi)星氣象衛(wèi)星: :在宇宙空間、固定的軌道上，在宇宙空間、固定的軌道上，攜帶著各種氣象探測(cè)儀器，測(cè)量諸如溫度、攜帶著各種氣象探測(cè)儀器，測(cè)量諸如溫度、濕度、風(fēng)、云、和輻射等氣象要素和雷電等濕度、風(fēng)、云、和輻射等氣象

3、要素和雷電等天氣現(xiàn)象，用于氣象觀測(cè)目的的人造星體。天氣現(xiàn)象，用于氣象觀測(cè)目的的人造星體。 儀器越來(lái)越先進(jìn)，精度越來(lái)越高。儀器越來(lái)越先進(jìn)，精度越來(lái)越高。 遙感的概念遙感的概念 在一定距離之外，不直接接觸被測(cè)在一定距離之外，不直接接觸被測(cè)物體和有關(guān)物理現(xiàn)象，通過(guò)探測(cè)器接收物體和有關(guān)物理現(xiàn)象，通過(guò)探測(cè)器接收來(lái)自被測(cè)目標(biāo)物發(fā)射或反射的電磁輻射來(lái)自被測(cè)目標(biāo)物發(fā)射或反射的電磁輻射信息，并對(duì)其處理、分類和識(shí)別的一種信息，并對(duì)其處理、分類和識(shí)別的一種技術(shù)技術(shù)。遙感探測(cè)的設(shè)備遙感探測(cè)的設(shè)備 傳感器，運(yùn)載工具傳感器，運(yùn)載工具 遙感探測(cè)的內(nèi)容遙感探測(cè)的內(nèi)容 遙感信息獲取手段的研究；遙感信息獲取手段的研究； 各類物體

4、的輻射波譜特性及各類物體的輻射波譜特性及傳輸規(guī)律的研究；傳輸規(guī)律的研究； 遙感信息的處理與分析判讀遙感信息的處理與分析判讀技術(shù)的研究。技術(shù)的研究。 遙感探測(cè)的分類：遙感探測(cè)的分類： 按工作方式分為：被動(dòng)遙感和按工作方式分為：被動(dòng)遙感和主動(dòng)遙感；主動(dòng)遙感； 按波段分為：紫外遙感、可見(jiàn)按波段分為：紫外遙感、可見(jiàn)光遙感、紅外遙感和微波遙感；光遙感、紅外遙感和微波遙感； 按對(duì)象分為：大氣遙感、海洋按對(duì)象分為：大氣遙感、海洋遙感、農(nóng)業(yè)遙感和地質(zhì)地理遙感等。遙感、農(nóng)業(yè)遙感和地質(zhì)地理遙感等。 在空間固定軌道上運(yùn)行在空間固定軌道上運(yùn)行 自上而下進(jìn)行觀測(cè)自上而下進(jìn)行觀測(cè) 全球和大范圍的觀測(cè)全球和大范圍的觀測(cè) 遙

5、感探測(cè)遙感探測(cè) 使用新的探測(cè)技術(shù)使用新的探測(cè)技術(shù) 豐富的觀測(cè)資料豐富的觀測(cè)資料 受益面廣受益面廣極軌衛(wèi)星觀測(cè)極軌衛(wèi)星觀測(cè)靜止衛(wèi)星觀測(cè)靜止衛(wèi)星觀測(cè)第二節(jié)第二節(jié) 氣象衛(wèi)星遙感觀測(cè)的特點(diǎn)氣象衛(wèi)星遙感觀測(cè)的特點(diǎn)第三節(jié)第三節(jié) 衛(wèi)星遙感觀測(cè)資料的作用衛(wèi)星遙感觀測(cè)資料的作用 在大氣科學(xué)中的應(yīng)用在大氣科學(xué)中的應(yīng)用 農(nóng)業(yè)遙感中的應(yīng)用農(nóng)業(yè)遙感中的應(yīng)用 林業(yè)遙感中的應(yīng)用林業(yè)遙感中的應(yīng)用 海洋遙感中的應(yīng)用海洋遙感中的應(yīng)用 軍事氣象中的應(yīng)用軍事氣象中的應(yīng)用 航空氣象中的應(yīng)用航空氣象中的應(yīng)用 空間環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用空間環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用 通信中的應(yīng)用通信中的應(yīng)用 增加了氣象觀測(cè)資料的內(nèi)容增加了氣象觀測(cè)資料的內(nèi)容 填補(bǔ)了洋面和

6、荒漠地區(qū)的觀測(cè)資料填補(bǔ)了洋面和荒漠地區(qū)的觀測(cè)資料 實(shí)現(xiàn)了連續(xù)實(shí)現(xiàn)了連續(xù)監(jiān)視暴雨洪水和冰雹、龍卷、強(qiáng)風(fēng)、監(jiān)視暴雨洪水和冰雹、龍卷、強(qiáng)風(fēng)、 雷電等強(qiáng)雷暴天氣，使臨近預(yù)報(bào)成為可能雷電等強(qiáng)雷暴天氣，使臨近預(yù)報(bào)成為可能 監(jiān)視海洋上的天氣系統(tǒng)，改進(jìn)了洋面天氣預(yù)報(bào)監(jiān)視海洋上的天氣系統(tǒng)，改進(jìn)了洋面天氣預(yù)報(bào) 改善高原天氣分析和預(yù)報(bào)改善高原天氣分析和預(yù)報(bào) 加深了對(duì)天氣系統(tǒng)的理解加深了對(duì)天氣系統(tǒng)的理解 改進(jìn)了長(zhǎng)期天氣預(yù)報(bào)改進(jìn)了長(zhǎng)期天氣預(yù)報(bào) 收集和轉(zhuǎn)發(fā)各種氣象資料收集和轉(zhuǎn)發(fā)各種氣象資料 氣象衛(wèi)星資料在大氣科學(xué)中的應(yīng)用氣象衛(wèi)星資料在大氣科學(xué)中的應(yīng)用第四節(jié)第四節(jié) 氣象衛(wèi)星探測(cè)的要求和分類氣象衛(wèi)星探測(cè)的要求和分類一一. .

7、氣象衛(wèi)星探測(cè)的要求氣象衛(wèi)星探測(cè)的要求 1 1、環(huán)繞地球運(yùn)行（圓或橢圓）、環(huán)繞地球運(yùn)行（圓或橢圓） 2 2、在軌運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)（壽命長(zhǎng)）、在軌運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)（壽命長(zhǎng)） 3 3、可進(jìn)行多種觀測(cè)、可進(jìn)行多種觀測(cè) 4 4、觀測(cè)資料精度高、觀測(cè)資料精度高 5 5、觀測(cè)連續(xù)、觀測(cè)連續(xù) 6 6、便于觀測(cè)資料處理、便于觀測(cè)資料處理二二. .近極地太陽(yáng)同步衛(wèi)星軌道近極地太陽(yáng)同步衛(wèi)星軌道1 1、什么是近極地太陽(yáng)同步衛(wèi)星軌道、什么是近極地太陽(yáng)同步衛(wèi)星軌道地地球球軌軌道道太太 陽(yáng)陽(yáng)衛(wèi)星軌道春春夏夏秋秋冬冬圖圖 太陽(yáng)同步軌道太陽(yáng)同步軌道2 2、近極地太陽(yáng)同步衛(wèi)星軌道的實(shí)現(xiàn)、近極地太陽(yáng)同步衛(wèi)星軌道的實(shí)現(xiàn)（1 1）衛(wèi)星軌道平面隨地

8、球繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)時(shí)的平動(dòng)運(yùn)動(dòng)）衛(wèi)星軌道平面隨地球繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)時(shí)的平動(dòng)運(yùn)動(dòng) 一年使衛(wèi)星衛(wèi)星軌道平面發(fā)生一年使衛(wèi)星衛(wèi)星軌道平面發(fā)生360360 的轉(zhuǎn)動(dòng)，平均每天變化為：的轉(zhuǎn)動(dòng)，平均每天變化為： 360360 /365/365天天= =0.9850.985 / /天天 變化方向從變化方向從東東向向西西圖圖2-9 2-9 衛(wèi)星軌道平面隨地球繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)時(shí)的平動(dòng)運(yùn)動(dòng)衛(wèi)星軌道平面隨地球繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)時(shí)的平動(dòng)運(yùn)動(dòng) 3：00地地球球軌軌道道15：00太太 陽(yáng)陽(yáng)衛(wèi)星軌道春春夏夏秋秋冬冬9：0021：00 地地球球軌軌道道太太 陽(yáng)陽(yáng)衛(wèi)星軌道春春夏夏秋秋冬冬15：0015：0015：0015：00（2 2）衛(wèi)星軌道平面進(jìn)動(dòng)的利

9、用）衛(wèi)星軌道平面進(jìn)動(dòng)的利用 10/10/（1- e1- e2 2）2 2 （R/aR/a）3.53.5 osi=0.985osi=0.985 / /天天 若太陽(yáng)同步軌道圓形軌道，則若太陽(yáng)同步軌道圓形軌道，則a=R+H e=0a=R+H e=0 cosi=-9.85 cosi=-9.85 1010-2-2 R/R/（R+HR+H） 3.5 3.5 i i 9090 進(jìn)動(dòng)方向從西向東進(jìn)動(dòng)方向從西向東 （3 3）近極地太陽(yáng)同步衛(wèi)星軌道）近極地太陽(yáng)同步衛(wèi)星軌道 的實(shí)現(xiàn)的實(shí)現(xiàn) 利用衛(wèi)星軌道在地球扁率利用衛(wèi)星軌道在地球扁率 作用下的進(jìn)動(dòng)去抵消衛(wèi)星軌道作用下的進(jìn)動(dòng)去抵消衛(wèi)星軌道 平面隨地球繞太陽(yáng)運(yùn)行時(shí)引起平

10、面隨地球繞太陽(yáng)運(yùn)行時(shí)引起 的轉(zhuǎn)動(dòng)，即可實(shí)現(xiàn)近極地太陽(yáng)的轉(zhuǎn)動(dòng)，即可實(shí)現(xiàn)近極地太陽(yáng) 同步衛(wèi)星軌道。同步衛(wèi)星軌道。 圖圖2-10 2-10 太陽(yáng)同步軌道太陽(yáng)同步軌道3 3、太陽(yáng)同步軌道的優(yōu)缺點(diǎn)、太陽(yáng)同步軌道的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：（1 1）軌道近似圓形，軌道預(yù)告、接收和資料定位方便；）軌道近似圓形，軌道預(yù)告、接收和資料定位方便；（2 2）有利于資料處理和使用；）有利于資料處理和使用；（3 3）全球觀測(cè)；）全球觀測(cè)；（4 4）在觀測(cè)時(shí)有合適的照明，可以得到戳充分）在觀測(cè)時(shí)有合適的照明，可以得到戳充分的太陽(yáng)能。缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：（1 1）對(duì)同一地點(diǎn)觀測(cè)的時(shí)間間隔太長(zhǎng)；）對(duì)同一地點(diǎn)觀測(cè)的時(shí)間間隔太長(zhǎng)；（2 2）不利

11、對(duì)中小尺度天氣系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)；）不利對(duì)中小尺度天氣系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)；（3 3）相臨兩條軌道的觀測(cè)資料不是同一時(shí)刻，利用不利）相臨兩條軌道的觀測(cè)資料不是同一時(shí)刻，利用不利。三三. .地球同步衛(wèi)星軌道地球同步衛(wèi)星軌道H=35860KmS SN N圖圖2-11 2-11 地球同步衛(wèi)星軌道地球同步衛(wèi)星軌道2 2、地球同步衛(wèi)星軌道的實(shí)現(xiàn)、地球同步衛(wèi)星軌道的實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星運(yùn)行方向與地球自轉(zhuǎn)方向相同；衛(wèi)星運(yùn)行方向與地球自轉(zhuǎn)方向相同； 軌道傾角軌道傾角i=0i=0 ，地球赤道平面與衛(wèi)星軌道平面重合；，地球赤道平面與衛(wèi)星軌道平面重合； 軌道偏心率軌道偏心率e=0e=0 ，即軌道是圓形；，即軌道是圓形； 衛(wèi)星運(yùn)行周衛(wèi)星運(yùn)行周 期

12、期T=23T=23小時(shí)小時(shí)5656分分0404秒。秒。 H=H=（ /4/4 2 2）T T2 2 1/31/3-R-R H= 35860 H= 35860（KmKm） V= V= / /（R+HR+H） 1/21/2=3.07=3.07（千米（千米/ /秒）秒）實(shí)際衛(wèi)星軌道不可能是圓，有點(diǎn)橢圓形；傾角也不正好實(shí)際衛(wèi)星軌道不可能是圓，有點(diǎn)橢圓形；傾角也不正好 等于等于0 0，常有，常有1 1 的傾角。這種誤差會(huì)使衛(wèi)星的星下點(diǎn)在以赤道的傾角。這種誤差會(huì)使衛(wèi)星的星下點(diǎn)在以赤道 為中心的兩側(cè)產(chǎn)生為中心的兩側(cè)產(chǎn)生“8 8”字形的擺動(dòng)。字形的擺動(dòng)。3 3、地球同步衛(wèi)星軌道的有效利用、地球同步衛(wèi)星軌道的有

13、效利用 若在地球同步軌道上每若在地球同步軌道上每3 3 放置一顆衛(wèi)星，共可放置放置一顆衛(wèi)星，共可放置120120 顆衛(wèi)星，兩相臨衛(wèi)星間的距離為顆衛(wèi)星，兩相臨衛(wèi)星間的距離為2210.042210.04公里衛(wèi)星的波束公里衛(wèi)星的波束 寬度應(yīng)小于寬度應(yīng)小于2 2 0.50.5 。5 5、地球同步衛(wèi)星軌道的優(yōu)缺點(diǎn)、地球同步衛(wèi)星軌道的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)： （1 1）高度高，視野廣；）高度高，視野廣； （2 2）對(duì)同一地區(qū)連續(xù)觀測(cè)；）對(duì)同一地區(qū)連續(xù)觀測(cè)； （3 3）監(jiān)視中小尺度天氣系統(tǒng)；）監(jiān)視中小尺度天氣系統(tǒng)； （4 4）圓軌道，定位、處理、接收方便。）圓軌道，定位、處理、接收方便。缺點(diǎn)：缺點(diǎn)： （1 1）不

14、能觀測(cè)兩極；）不能觀測(cè)兩極； （2 2）高度高，精度難提高。）高度高，精度難提高。四四. .氣象衛(wèi)星發(fā)射概況氣象衛(wèi)星發(fā)射概況第一顆氣象衛(wèi)星：第一顆氣象衛(wèi)星：19601960年年4 4月月1 1日日, ,泰羅斯（泰羅斯（TIROSTIROS）氣象衛(wèi)）氣象衛(wèi) 星發(fā)射。星發(fā)射。氣象衛(wèi)星的國(guó)家：美、蘇、日、中、印、法國(guó)、歐洲空組氣象衛(wèi)星的國(guó)家：美、蘇、日、中、印、法國(guó)、歐洲空組 織和韓國(guó)等。織和韓國(guó)等。150150多顆。多顆。衛(wèi)星種類：衛(wèi)星種類：6060年代初，近極地軌道年代初，近極地軌道現(xiàn)在，近極地軌道和現(xiàn)在，近極地軌道和 地球靜止軌道兩類。地球靜止軌道兩類。探測(cè)儀器：照相機(jī)探測(cè)儀器：照相機(jī)多光譜高

15、精度掃描輻射儀。多光譜高精度掃描輻射儀。觀測(cè)內(nèi)容：白天單光譜云圖的觀測(cè)觀測(cè)內(nèi)容：白天單光譜云圖的觀測(cè)晝夜都能準(zhǔn)確地提供晝夜都能準(zhǔn)確地提供 大氣不同高度的溫、濕、風(fēng)、云資料。大氣不同高度的溫、濕、風(fēng)、云資料。 氣象衛(wèi)星探測(cè)技術(shù)有了顯著的改進(jìn)和提高，衛(wèi)星探測(cè)氣象衛(wèi)星探測(cè)技術(shù)有了顯著的改進(jìn)和提高，衛(wèi)星探測(cè)已經(jīng)成為大氣科學(xué)不可缺少的有用的現(xiàn)代化探測(cè)工具。已經(jīng)成為大氣科學(xué)不可缺少的有用的現(xiàn)代化探測(cè)工具。FY-1衛(wèi)星衛(wèi)星我國(guó)可接收的近極地軌道氣象衛(wèi)星我國(guó)可接收的近極地軌道氣象衛(wèi)星 （1 1）FY-1C.D. FY-3FY-1C.D. FY-3（0101） （2 2）NOAA K-NNOAA K-N與與ME

16、TOPMETOP配對(duì)配對(duì) （3 3）NPOES 2010NPOES 2010年以后美民用、軍用合年以后美民用、軍用合作，命名為作，命名為“國(guó)家極地軌道業(yè)務(wù)環(huán)境衛(wèi)星系國(guó)家極地軌道業(yè)務(wù)環(huán)境衛(wèi)星系統(tǒng)統(tǒng)”（NPOESNPOES）。）。 （4 4）METEORMETEOR （5 5）EOSEOS （6 6）TRMMTRMM （7 7）其它衛(wèi)星）其它衛(wèi)星我國(guó)可接收的地球靜止軌道氣象衛(wèi)星我國(guó)可接收的地球靜止軌道氣象衛(wèi)星 （1 1）FY-2(02)C.DFY-2(02)C.D （2 2）GMSGMS （3 3）INSATINSAT對(duì)未來(lái)的展望對(duì)未來(lái)的展望1、當(dāng)前對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星發(fā)展的特點(diǎn)、當(dāng)前對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星發(fā)展的特

17、點(diǎn) 高光譜分辨率高光譜分辨率1幾幾nm，獲取更多的地球、大氣信息。，獲取更多的地球、大氣信息。 高空間分辨率高空間分辨率1幾幾 m，獲取更詳細(xì)的地球大氣特性。，獲取更詳細(xì)的地球大氣特性。 高時(shí)間分辨率高時(shí)間分辨率幾十秒時(shí)間間隔，監(jiān)測(cè)快速的時(shí)間演變、多功能、幾十秒時(shí)間間隔，監(jiān)測(cè)快速的時(shí)間演變、多功能、多探測(cè)器的綜合對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星與單一作業(yè)任務(wù)的小衛(wèi)星星座相結(jié)合。多探測(cè)器的綜合對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星與單一作業(yè)任務(wù)的小衛(wèi)星星座相結(jié)合。2、定量遙感、定量遙感 開(kāi)展遙感資料反演地球物理參數(shù)的數(shù)學(xué)物理模式和算法遙感探測(cè)開(kāi)展遙感資料反演地球物理參數(shù)的數(shù)學(xué)物理模式和算法遙感探測(cè)器定標(biāo)和地面真實(shí)性檢驗(yàn)相結(jié)合。器定標(biāo)和地面真

18、實(shí)性檢驗(yàn)相結(jié)合。3、衛(wèi)星遙感定量參數(shù)與其它探測(cè)資料結(jié)合使用、衛(wèi)星遙感定量參數(shù)與其它探測(cè)資料結(jié)合使用 多種探測(cè)資料的融合問(wèn)題。多種探測(cè)資料的融合問(wèn)題。 多種探測(cè)資料的同化。多種探測(cè)資料的同化。4、遙感技術(shù)已經(jīng)成為監(jiān)測(cè)、研究地球科學(xué)各分支學(xué)科的重要手段、遙感技術(shù)已經(jīng)成為監(jiān)測(cè)、研究地球科學(xué)各分支學(xué)科的重要手段 通過(guò)努力將成為監(jiān)測(cè)、研究、預(yù)測(cè)和服務(wù)的支柱。通過(guò)努力將成為監(jiān)測(cè)、研究、預(yù)測(cè)和服務(wù)的支柱。850 KM35 800 KmSUBSATELLITE POINTGOMS (Russian Federation) 76EMETEOSAT (EUMETSAT) 63 EGMS (Japan) 140EF

19、Y-2 (China) 105EGOES-E (USA) 75WTIROS (USA)GOES-W (USA) 135W GEOSTATIONARY ORBIT METEOR (Russian Federation)Polar orbi tMETEOSAT (EUMETSAT) 0 Longitude(China)FY-1 全球氣象衛(wèi)星觀測(cè)系統(tǒng)全球氣象衛(wèi)星觀測(cè)系統(tǒng)第二章第二章 氣象衛(wèi)星遙感氣象衛(wèi)星遙感 大氣的基本原理大氣的基本原理 大氣物理學(xué)院大氣物理學(xué)院 肖穩(wěn)安肖穩(wěn)安TelE-mail： 第一節(jié)第一節(jié) 氣象衛(wèi)星遙感的基礎(chǔ)氣象衛(wèi)星遙感的基礎(chǔ) 氣象衛(wèi)星遙感地球大氣的溫度

20、、濕氣象衛(wèi)星遙感地球大氣的溫度、濕度、云雨演變等氣象要素是通過(guò)探測(cè)地度、云雨演變等氣象要素是通過(guò)探測(cè)地球大氣系統(tǒng)發(fā)射或反射的電磁波而實(shí)現(xiàn)球大氣系統(tǒng)發(fā)射或反射的電磁波而實(shí)現(xiàn)的。因此，電磁輻射是氣象衛(wèi)星遙感的的。因此，電磁輻射是氣象衛(wèi)星遙感的基礎(chǔ)?；A(chǔ)。 一. .基本輻射量基本輻射量 輻射能（輻射能（Q)Q) 輻射通量輻射通量( () ) 輻射通量密度輻射通量密度(F)(F)： 若若M M為出射度，為出射度，E E為輻照度，為輻照度，F(xiàn) F 輻射強(qiáng)度輻射強(qiáng)度(I)(I)： 若各向同性則若各向同性則 I=I= /4/4 輻射率（輻射亮度）輻射率（輻射亮度）(L)(L)：在單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)垂直面：在單位

21、時(shí)間內(nèi)通過(guò)垂直面元法線方向上單位面積、單位立體角的輻射能。元法線方向上單位面積、單位立體角的輻射能。 在垂直法線方向：在垂直法線方向： L L（n n）= = 3 3Q/Q/ A A t t= = 2 2 / / A A= = F F/ / 在在S S方向：方向： L L（s s）= = 3 3Q Q（ ）/ / A A t t = = 3 3Q Q（ ）/ / A A t tcoscos dAdsn二二. .輻射基本定律輻射基本定律 黑體：黑體：指在任何溫度、對(duì)任意方向和任意波長(zhǎng)，其指在任何溫度、對(duì)任意方向和任意波長(zhǎng)，其吸收率（或發(fā)射率）都等于吸收率（或發(fā)射率）都等于1 1的物體。的物體。

22、a(a()1)1 灰體：灰體：指其吸收率與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)，且為小于指其吸收率與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)，且為小于1 1的常數(shù)的的常數(shù)的物體。物體。 a(a()=C)=C 1 1 選擇性輻射體：選擇性輻射體：指其吸收率隨波長(zhǎng)而變的物體。指其吸收率隨波長(zhǎng)而變的物體。 a a a(a() 輻射平衡輻射平衡：指一個(gè)物體在某一溫度從外界得到的輻射：指一個(gè)物體在某一溫度從外界得到的輻射能量正好等于本身輻射而失去的能量，使物體溫度保持不能量正好等于本身輻射而失去的能量，使物體溫度保持不變的輻射過(guò)程。變的輻射過(guò)程。 黑體輻射定律：黑體輻射定律： 普朗克定律（黑體輻射方程）：普朗克定律（黑體輻射方程）： h h是普朗克常數(shù)，是普朗克

23、常數(shù)， h=6.62626.6262 1010-27-27爾格爾格/ /秒秒 k k是波爾茲曼常數(shù)，是波爾茲曼常數(shù)，k=1.3806 k=1.3806 1010-16-16爾格爾格/ /度度c c是光速是光速 若用若用c c1 1=2=2cc2 2h h， c c2 2= =hc/khc/k，方程可變?yōu)榉匠炭勺優(yōu)?21511cTcMe25/2(1)hckTc hMe（w w cmcm-2-2m m-1-1）)1(2)(/25kThffechfTB12)(/52kTchehcTB25/2()(1)hckTc hBTe 利用波長(zhǎng)、頻率和波數(shù)之間的關(guān)系，利用波長(zhǎng)、頻率和波數(shù)之間的關(guān)系，黑體是普朗體，

24、黑體是普朗體，所以分譜輻射率等于所以分譜輻射率等于M M / / ，因此，因此，可將可將普朗克輻射公式表普朗克輻射公式表示為：示為： 普朗克函數(shù)將發(fā)射的單色強(qiáng)度與物質(zhì)的溫度和波長(zhǎng)普朗克函數(shù)將發(fā)射的單色強(qiáng)度與物質(zhì)的溫度和波長(zhǎng)（頻率）聯(lián)系起來(lái)；黑體的輻射強(qiáng)度先隨波長(zhǎng)的增加而（頻率）聯(lián)系起來(lái)；黑體的輻射強(qiáng)度先隨波長(zhǎng)的增加而增大，但到達(dá)某一波長(zhǎng)后輻射強(qiáng)度卻又隨波長(zhǎng)的增長(zhǎng)而增大，但到達(dá)某一波長(zhǎng)后輻射強(qiáng)度卻又隨波長(zhǎng)的增長(zhǎng)而減小。減小。 由普朗克定律可看出：由普朗克定律可看出： 溫度越高，黑體的全輻射能力越大；溫度越高，黑體的全輻射能力越大； 溫度愈高，最大單溫度愈高，最大單色（或分譜）輻射能力所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)

25、愈?。簧ɑ蚍肿V）輻射能力所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)愈??； 太陽(yáng)近似于太陽(yáng)近似于6000k的黑體，最大輻射波長(zhǎng)為的黑體，最大輻射波長(zhǎng)為0.474 m，在，在0.154 m的范圍，的范圍，輻射能占太陽(yáng)全部輻射能量當(dāng)輻射能占太陽(yáng)全部輻射能量當(dāng)99%； 地球近似于地球近似于300k的黑體，最大輻射波長(zhǎng)為的黑體，最大輻射波長(zhǎng)為10 m，在，在380 s的范的范圍，圍，輻射能占地球全部輻射能量當(dāng)輻射能占地球全部輻射能量當(dāng)99%； 對(duì)流層頂近似于對(duì)流層頂近似于200k的黑體，最大輻射波長(zhǎng)為的黑體，最大輻射波長(zhǎng)為14.5 m，在，在4120 m的范圍，的范圍，輻射能占對(duì)流層頂全部輻射能量當(dāng)輻射能占對(duì)流層頂全部輻射能量當(dāng)9

26、9%。維恩位移定律和瑞利維恩位移定律和瑞利- -琴斯輻射公式琴斯輻射公式將普朗克函數(shù)對(duì)將普朗克函數(shù)對(duì)波長(zhǎng)微分得：波長(zhǎng)微分得： maxmaxT=0.2897885(T=0.2897885(厘米厘米 度度) ) 由這一關(guān)系式可看出，當(dāng)黑體的溫度升高時(shí)，最大由這一關(guān)系式可看出，當(dāng)黑體的溫度升高時(shí)，最大輻射朝短波方向移動(dòng)。由此可測(cè)量黑體在某一溫度時(shí)的輻射朝短波方向移動(dòng)。由此可測(cè)量黑體在某一溫度時(shí)的最大輻射波長(zhǎng)。最大輻射波長(zhǎng)。 斯蒂芬斯蒂芬- -波爾茲曼定律波爾茲曼定律 把普朗克函數(shù)由把普朗克函數(shù)由0 0的整個(gè)波長(zhǎng)域上積分，就得到黑的整個(gè)波長(zhǎng)域上積分，就得到黑體的全輻射本領(lǐng)：體的全輻射本領(lǐng)：444421

27、15)(TTccTM 由于黑體輻射是各項(xiàng)同性的，因此黑體發(fā)射由于黑體輻射是各項(xiàng)同性的，因此黑體發(fā)射的通量密度為的通量密度為 F=F= B B（T T）= = T T4 4式中式中 是是斯蒂芬斯蒂芬-波爾茲曼常數(shù)，等于波爾茲曼常數(shù)，等于5.675.67 1010-5-5爾格爾格 cmcm-2-2 s s-1-1 k k-4-4。表明表明黑體發(fā)射的通量密度與黑體發(fā)射的通量密度與絕對(duì)溫度的四次方成正比。它是紅外輻射傳輸?shù)慕^對(duì)溫度的四次方成正比。它是紅外輻射傳輸?shù)幕A(chǔ)?；A(chǔ)?；鶢柣舴蚨苫鶢柣舴蚨?前面三條定律涉及黑體發(fā)射的輻射強(qiáng)度，前面三條定律涉及黑體發(fā)射的輻射強(qiáng)度，輻射強(qiáng)度的大小與發(fā)射波長(zhǎng)和物體

28、的溫度有關(guān)。輻射強(qiáng)度的大小與發(fā)射波長(zhǎng)和物體的溫度有關(guān)。通常，物體吸收和發(fā)射之間沒(méi)有確定的關(guān)系。通常，物體吸收和發(fā)射之間沒(méi)有確定的關(guān)系。 但在熱力平衡條件下，物體可以吸收特定但在熱力平衡條件下，物體可以吸收特定波長(zhǎng)的輻射，同時(shí)也能發(fā)射同樣波長(zhǎng)的輻射，波長(zhǎng)的輻射，同時(shí)也能發(fā)射同樣波長(zhǎng)的輻射，發(fā)射率是溫度和波長(zhǎng)的函數(shù)，即物體發(fā)射的輻發(fā)射率是溫度和波長(zhǎng)的函數(shù)，即物體發(fā)射的輻射就等于吸收的輻射能。否則物體就要被加熱射就等于吸收的輻射能。否則物體就要被加熱或冷卻，這就違背了熱力平衡的假設(shè)?；蚶鋮s，這就違背了熱力平衡的假設(shè)。 因而，在熱力平衡條件下，若因而，在熱力平衡條件下，若L L 是入射的分譜輻射率是入

29、射的分譜輻射率，則發(fā)射的輻射率為：，則發(fā)射的輻射率為： J J = =B B（T T）= = a a L L 式中式中 J J 是是物體發(fā)射的輻射率；物體發(fā)射的輻射率； 是是物體的比輻射率或發(fā)射率（定義為發(fā)射強(qiáng)度與普物體的比輻射率或發(fā)射率（定義為發(fā)射強(qiáng)度與普朗克函數(shù)之比）；朗克函數(shù)之比）； B B（T T）是黑是黑體普朗克輻射；體普朗克輻射； a a是是物體的吸收率（定義為吸收強(qiáng)度與普朗克函數(shù)之物體的吸收率（定義為吸收強(qiáng)度與普朗克函數(shù)之比）；比）； L L 是入射到物體的輻射率。是入射到物體的輻射率。 如果輻射源與該物體一起處于熱力平衡中，則如果輻射源與該物體一起處于熱力平衡中，則 B B（T

30、 T）= = L L 所以有所以有 = = a a 吸收率為吸收率為a a的物體只吸收的物體只吸收a a倍的黑體輻射強(qiáng)度倍的黑體輻射強(qiáng)度B B （T T），同時(shí)它發(fā)射出，同時(shí)它發(fā)射出倍的黑體輻射強(qiáng)度。對(duì)黑體而言，吸收倍的黑體輻射強(qiáng)度。對(duì)黑體而言，吸收和發(fā)射均為最大，對(duì)所有波長(zhǎng)有和發(fā)射均為最大，對(duì)所有波長(zhǎng)有 a a=1=1 灰體的特征是不能全部吸收和發(fā)射，有灰體的特征是不能全部吸收和發(fā)射，有 a a= 1 1 不難看出基爾霍夫定律表達(dá)了兩方面的內(nèi)容：不難看出基爾霍夫定律表達(dá)了兩方面的內(nèi)容： 1 1、它將物體的吸收與發(fā)射聯(lián)系起來(lái)了，一物體在一定、它將物體的吸收與發(fā)射聯(lián)系起來(lái)了，一物體在一定溫度下發(fā)

31、射某一波長(zhǎng)的輻射，則該一物體在同一溫度下吸溫度下發(fā)射某一波長(zhǎng)的輻射，則該一物體在同一溫度下吸收這種波長(zhǎng)的輻射。收這種波長(zhǎng)的輻射。 2 2、將各種物體的輻射與黑體輻射聯(lián)系起來(lái)了，一個(gè)良、將各種物體的輻射與黑體輻射聯(lián)系起來(lái)了，一個(gè)良好的吸收體，也一定是一個(gè)良好的發(fā)射體，反之亦然。好的吸收體，也一定是一個(gè)良好的發(fā)射體，反之亦然。 三三. 輻射體的溫度輻射體的溫度 從黑體輻射定律知道，物體的輻射量都與溫從黑體輻射定律知道，物體的輻射量都與溫度有關(guān)。對(duì)于一定的溫度，就有一定的輻射光譜度有關(guān)。對(duì)于一定的溫度，就有一定的輻射光譜分布；反過(guò)來(lái)，對(duì)于一定的輻射光譜分布，可以分布；反過(guò)來(lái)，對(duì)于一定的輻射光譜分布，

32、可以求取物體的溫度。但是，實(shí)際物體并非都是黑體，求取物體的溫度。但是，實(shí)際物體并非都是黑體，在實(shí)際應(yīng)用中，須考慮輻射率的影響，為方便定在實(shí)際應(yīng)用中，須考慮輻射率的影響，為方便定義幾種不同的溫度。義幾種不同的溫度。 有效溫度（有效溫度（T Te e）: : 如果溫度為如果溫度為T T的物體的出射度為的物體的出射度為M(M(T T) ) ，又設(shè)想，又設(shè)想M M ( (T Te e) )為黑體發(fā)出的，即為黑體發(fā)出的，即M(M(T T)= M)= M ( (T Te e) )，則黑體的，則黑體的溫度溫度T Te e 稱為該物體的有效溫度。根據(jù)斯蒂芬稱為該物體的有效溫度。根據(jù)斯蒂芬- -波爾茲曼定波爾茲

33、曼定律得律得 T Te e = M= M (T)/(T)/ 1/41/4由于物體的比輻射率小于由于物體的比輻射率小于1 1，所以，所以 T T T Te e有效溫度（有效溫度（T Te e），也稱為等效黑體溫度。），也稱為等效黑體溫度。 色溫度（色溫度（TcTc）: : 如果物體的輻射光譜分布如果物體的輻射光譜分布與溫度為與溫度為TcTc的黑體物體的輻射光譜分布相一致的黑體物體的輻射光譜分布相一致則則TcTc稱為該物體的色溫度。它可以根據(jù)物體的稱為該物體的色溫度。它可以根據(jù)物體的輻射光譜曲線，求出相應(yīng)的最大輻射的波長(zhǎng)輻射光譜曲線，求出相應(yīng)的最大輻射的波長(zhǎng) m m，再由維恩位移公式得再由維恩位移

34、公式得 T Tc c=2886/=2886/ m m 亮度溫度（亮度溫度（T Tb b）: : 如果物體發(fā)射的輻射亮度如果物體發(fā)射的輻射亮度L L （T T）與溫度為）與溫度為T Tb b的黑體輻射亮度的黑體輻射亮度B （Tb）相等，即相等，即L L（T T）=B=B（T Tb b）則則T Tb b稱為該物體的稱為該物體的亮度溫度。根據(jù)普朗克亮度溫度。根據(jù)普朗克公式公式 1)exp(2)(52bbThchcTB1)(2ln52TLhchcTb 亮度溫度（亮度溫度（T Tb b）又稱輻射溫度。由于）又稱輻射溫度。由于B B（T T） B B（T Tb b），所以，所以T Tb b T T或或四四

35、. 布爾吸收定律布爾吸收定律 輻射率輻射率L L單色輻射單色輻射 通過(guò)有吸收無(wú)輻散介質(zhì)通過(guò)有吸收無(wú)輻散介質(zhì)dldl距離，距離，輻射改變量輻射改變量-dL-dL與吸收氣體的含量與吸收氣體的含量 dAdldAdl、L L成正比成正比 dLdL=- =- L Lk k （l l）dldl式中式中 （l l）吸收氣體的密度，吸收氣體的密度， k k分譜質(zhì)量吸收系數(shù)（厘米分譜質(zhì)量吸收系數(shù)（厘米2 2 克克-1-1），它是給定介質(zhì)），它是給定介質(zhì)熱力狀態(tài)的函數(shù)，熱力狀態(tài)的函數(shù)，k k （l l）= = k kVV，體積吸收系數(shù)（厘米體積吸收系數(shù)（厘米- -1 1）。 對(duì)上式沿對(duì)上式沿0 0l l積分得積分

36、得lkeLL0)(exp(00dllkLLl L 0是輻射進(jìn)入介質(zhì)時(shí)的分譜輻射率。這就是是輻射進(jìn)入介質(zhì)時(shí)的分譜輻射率。這就是布爾布爾吸收定律。式中指數(shù)部分吸收定律。式中指數(shù)部分 稱為光學(xué)厚度，稱為光學(xué)厚度，而把而把 稱做光學(xué)路徑或光程。稱做光學(xué)路徑或光程。 對(duì)于均勻介質(zhì)，對(duì)于均勻介質(zhì)， k k 、 與與l l無(wú)關(guān)無(wú)關(guān))(0dllkl0( )ll dl),0(100lLLL 在不計(jì)散射的情況下，分譜透過(guò)輻射在不計(jì)散射的情況下，分譜透過(guò)輻射L L與與分譜入射輻射分譜入射輻射L OO之比之比稱為稱為輻射通過(guò)介質(zhì)輻射通過(guò)介質(zhì)0l距離的距離的分譜輻射透過(guò)率分譜輻射透過(guò)率)()(exp),0(00dlll

37、kLLll分譜輻射吸收率為分譜輻射吸收率為如果介質(zhì)是均勻的，則分譜質(zhì)量吸收系數(shù)如果介質(zhì)是均勻的，則分譜質(zhì)量吸收系數(shù)為)1ln(1lk在實(shí)際大氣中，由于在實(shí)際大氣中，由于 和和k 隨波長(zhǎng)變化很快，通常用隨波長(zhǎng)變化很快，通常用在一有限波長(zhǎng)間隔的平均透過(guò)率。在一有限波長(zhǎng)間隔的平均透過(guò)率。五五. . 大氣、地面對(duì)輻射的散射和反射大氣、地面對(duì)輻射的散射和反射 1、大氣輻射的散射、大氣輻射的散射 輻射在大氣中傳輸時(shí)，會(huì)受到諸如分子、塵粒、霧滴輻射在大氣中傳輸時(shí)，會(huì)受到諸如分子、塵粒、霧滴和雨滴等粒子的作用，使傳播方向發(fā)生改變，而向各個(gè)方和雨滴等粒子的作用，使傳播方向發(fā)生改變，而向各個(gè)方向傳播，這就是散射。

38、散射是大氣輻射衰減的重要原因。向傳播，這就是散射。散射是大氣輻射衰減的重要原因。但是隨粒子大小不同，各個(gè)波段的衰減作用也不相同。但是隨粒子大小不同，各個(gè)波段的衰減作用也不相同。 取取 =kS 為容積散射系數(shù)為容積散射系數(shù) kS 為質(zhì)量散射系數(shù)為質(zhì)量散射系數(shù) 則輻射通過(guò)一路徑則輻射通過(guò)一路徑l后其輻射為后其輻射為dlkdlLsLseLeLL00002、地面目標(biāo)物（包含云）對(duì)輻射的反射、地面目標(biāo)物（包含云）對(duì)輻射的反射 各向同性、均勻物體表面反射特性各向同性、均勻物體表面反射特性 描述物體的反射特性時(shí)，常用反射率和反照描述物體的反射特性時(shí)，常用反射率和反照率兩個(gè)概念。率兩個(gè)概念。 反射率：是反射輻

39、射與入射輻射之比反射率：是反射輻射與入射輻射之比 反照率：是自然物體對(duì)入射輻射的總反射輻反照率：是自然物體對(duì)入射輻射的總反射輻射比。在氣象衛(wèi)星遙感中，是自某物體返回空間射比。在氣象衛(wèi)星遙感中，是自某物體返回空間的太陽(yáng)總輻射能與投射到該物體的總輻射能之比。的太陽(yáng)總輻射能與投射到該物體的總輻射能之比。 反射率和反照率是兩個(gè)不同的概念。如圖反射率和反照率是兩個(gè)不同的概念。如圖3-2所示，在所示，在I方向、立體角方向、立體角d 內(nèi)投射到內(nèi)投射到dA面上的輻照度為面上的輻照度為 L L （I I）d d L L （I I）是入射輻射率，）是入射輻射率， 在在I I方向產(chǎn)生的輻射率為方向產(chǎn)生的輻射率為 d

40、LdL （I I）=r=r （I I，I I）L L （I I）d d r r （I I，I I）稱做反射率。）稱做反射率。 于是從上半空間所有于是從上半空間所有方向來(lái)的入射輻射發(fā)生在方向來(lái)的入射輻射發(fā)生在I方向的反射輻射強(qiáng)度為方向的反射輻射強(qiáng)度為nI IdAdd圖圖3-2 反照率示意圖反照率示意圖cosLId半 球總 反 射 輻 射 =（ ）按照反照率的定義，記為按照反照率的定義，記為rs ，則則coscoscossL IdL IrL IdL Id 半球半球半球（ ）（ ）總反射輻射總?cè)肷漭椛洌?）（ ）dILrILscos)(）（半球即即cos),(srIIr由此得到反射率與反照率之間的關(guān)

41、系為由此得到反射率與反照率之間的關(guān)系為第二節(jié)第二節(jié) 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)輻射及其光譜特征太陽(yáng)輻射及其光譜特征太陽(yáng)：太陽(yáng)： 巨大的火球；直徑巨大的火球；直徑139.14萬(wàn)公里，萬(wàn)公里，是地球的是地球的104倍；表面積倍；表面積6.0931012平方公里；平方公里；體積體積1.412 1018立方公里；距離地球平均距離立方公里；距離地球平均距離為為1.495 108公里。公里。 太陽(yáng)輻射用太陽(yáng)常數(shù)、太陽(yáng)光譜和太陽(yáng)輻太陽(yáng)輻射用太陽(yáng)常數(shù)、太陽(yáng)光譜和太陽(yáng)輻射到達(dá)地面的吸收光譜來(lái)描述。射到達(dá)地面的吸收光譜來(lái)描述。 d d0 0是日地平均距離；是日地平均距離； s0是太陽(yáng)

42、常數(shù)。是太陽(yáng)常數(shù)。 到達(dá)地球大氣頂?shù)奶?yáng)輻射通過(guò)大氣時(shí)，到達(dá)地球大氣頂?shù)奶?yáng)輻射通過(guò)大氣時(shí)，大約大約 35% 35% 被地球、大氣、云層反射；被地球、大氣、云層反射； 17% 17% 被大氣吸收；被大氣吸收； 47%47% 到達(dá)地面被地表吸收。到達(dá)地面被地表吸收。瓦26211020108255. 31353)105 . 1 (44sdQ 太陽(yáng)常數(shù)：太陽(yáng)常數(shù)：1353 1353 瓦瓦/ /米米2 2，估計(jì)誤差為，估計(jì)誤差為2121瓦瓦/米米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。由太陽(yáng)常數(shù)可以計(jì)算單位時(shí)間內(nèi)太陽(yáng)輻射的總能量為總能量為 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

43、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； 1/41/4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%的能量在的能量在0.400.400.760.76的可見(jiàn)光波段。的可見(jiàn)光波段。 圖中虛線表示圖中虛線表示T=5900KT=5900K的黑體輻照度，太陽(yáng)輻光譜與該黑體輻射光譜十分相的黑體輻照度，太陽(yáng)輻光譜與該黑體輻射光譜十分相似。如果假想太陽(yáng)是理想的黑體，則可由似。如果假想太陽(yáng)是理想的黑體，則可由斯蒂芬斯蒂芬- -波爾茲曼定律和維恩位移公式波爾茲曼定律和維恩位移公式計(jì)算出太陽(yáng)的有效溫度計(jì)算出太陽(yáng)的有效溫度T

44、 Te e和色溫度和色溫度T Tc c。波長(zhǎng)（s）0.00.40.81.21.62.02.42.83.20.250.200.150.100.050.00輻照度Wm-2s-1圖圖3-3 太陽(yáng)輻射光譜示意圖太陽(yáng)輻射光譜示意圖4/124/14(）（）日日RQETeKTC96.616547. 028982898max太陽(yáng)最大輻波長(zhǎng)太陽(yáng)最大輻波長(zhǎng) max=0.47 s 太陽(yáng)吸收光譜：該光譜與太陽(yáng)吸收光譜：該光譜與5900K5900K的黑體輻射光譜有明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

45、和吸收帶。及塵埃等物質(zhì)選擇性吸收作用造成的吸收線和吸收帶。 1 1、O O3 3的吸收主要位于太陽(yáng)光的紫外光的吸收主要位于太陽(yáng)光的紫外光0.20.2 0.3 0.3m 0.29m 0.29 m m；0.320.320.360.36 m m；可見(jiàn)光可見(jiàn)光 0.60.6和和4.754.75 m m。 2 2、O O2 2在紫外、可見(jiàn)光也有吸收帶。在紫外、可見(jiàn)光也有吸收帶。 3 3、H H2 2O O在在0.70.7 m m；0.70.70.80.8 m m 4 4、C C2 2O O二二. .地面覆蓋物對(duì)太陽(yáng)輻射的反射地面覆蓋物對(duì)太陽(yáng)輻射的反射 1 1、土壤粒子對(duì)反照率的影響、土壤粒子對(duì)反照率的影

46、響 2 2、土壤水分對(duì)反照率的影響、土壤水分對(duì)反照率的影響 3 3、反照率隨波長(zhǎng)的變化、反照率隨波長(zhǎng)的變化 4 4、植被的反照率、植被的反照率 5 5、冰雪的反照率、冰雪的反照率 6 6、水體的反照率、水體的反照率 圖圖 三種不同含水量三種不同含水量砂土的光譜反射曲線砂土的光譜反射曲線 不同土壤濕度下不同土壤濕度下含沙壤土的反照率含沙壤土的反照率1、土壤水分對(duì)反照率的影響、土壤水分對(duì)反照率的影響2232%反照率%波長(zhǎng) s s04%512%反照率反照率隨波長(zhǎng)的變化反照率隨波長(zhǎng)的變化2 2、反照率隨波長(zhǎng)的變化、反照率隨波長(zhǎng)的變化 作物在生長(zhǎng)和作物在生長(zhǎng)和衰老期間光譜變化衰老期間光譜變化 從可見(jiàn)光到

47、中紅外從可見(jiàn)光到中紅外小麥葉子的反射光譜小麥葉子的反射光譜3、植被的反照率、植被的反照率反反照照率率反照率（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)返照率的影響）作物覆蓋率和生物量對(duì)返照率的影響反照率波長(zhǎng) s s葉子反照率、水吸收率%葉子反射率水吸收率0.51.31.92.5圖圖 葉子反照率、水葉子反照率、水吸收率的反比關(guān)系吸收率的反比關(guān)系衰老期小麥葉子的反射光譜衰老期小麥葉子的反射光譜反照率0.61.42.02.4波長(zhǎng) s s反照率%圖圖 雪的反射特性曲線雪的反射特性曲線4、冰雪的反照率、冰雪的反照率不同葉綠不同葉綠素濃度的素濃度的海水光譜海水光譜

48、曲線曲線 在在0.51.0微米內(nèi)天然微米內(nèi)天然清水和混水的反射光譜曲線清水和混水的反射光譜曲線5、水體的反照率、水體的反照率清水的清水的吸收系吸收系數(shù)數(shù)6 6、云層的反照率、云層的反照率 假設(shè)云層的反照率和透過(guò)率都是假設(shè)云層的反照率和透過(guò)率都是50%50%。最后從第一。最后從第一層反射的能量占原來(lái)入射能量的層反射的能量占原來(lái)入射能量的62.5%62.5%。因而多層云的。因而多層云的反照率較高。反照率較高。入射輻射LR1=L/2T1=L/2T2=L/4R2=L/4T3=L/8R3+T3=5L/8R3=L/8圖圖 多層云對(duì)太陽(yáng)輻射的反射多層云對(duì)太陽(yáng)輻射的反射圖云層反照率、吸收率和透過(guò)率的關(guān)系圖云層

49、反照率、吸收率和透過(guò)率的關(guān)系反射、透射、吸收%反射透過(guò)吸收100806040200010100100010000云厚（米）（）（）60050040030020010000102030405060708090 高層云層云（）（）云厚（米）透過(guò)率（）三三. 地球地球大氣系統(tǒng)輻射光譜和大氣吸收帶大氣系統(tǒng)輻射光譜和大氣吸收帶 1 1、地球、地球大氣系統(tǒng)輻射光譜大氣系統(tǒng)輻射光譜 地球地球大氣系統(tǒng)發(fā)出的輻射主要是紅外輻射。對(duì)于大氣系統(tǒng)發(fā)出的輻射主要是紅外輻射。對(duì)于2.52.5 m m的紅外波段，物體的比輻射率近似等于的紅外波段，物體的比輻射率近似等于1 1，近似，近似黑體，由黑體定律計(jì)算黑體，由黑體定律計(jì)

50、算地球地球大氣系統(tǒng)平均溫度。大氣系統(tǒng)平均溫度。 如果如果到達(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 r rS S行星平均反照率，行星平均反照率，R R地球半徑，地球半徑，s s0 0太陽(yáng)常數(shù)。地球大氣太陽(yáng)常數(shù)。地球大氣吸收這些輻射后全部轉(zhuǎn)化為紅外輻射向外空發(fā)射，其出射吸收這些輻射后全部轉(zhuǎn)化為紅外輻射向外空發(fā)射，其出射度為度為4)1 (4)1 (0202srRsRrMss（1-rS）R2s0 由由斯蒂芬斯蒂芬- -波爾茲曼定律（波爾茲曼定律（M=M= T T4 4），）， r rS S =0.28=0.28， s s0 0=1353=1353瓦瓦米米-2-2， =5.67=5.

51、67 1010-8-8瓦瓦米米-4 -4 開(kāi)開(kāi)-4-4代入，得代入，得KsrTs2561067. 541353)28. 01 (4)1 (4/184/10 接近實(shí)際大氣的平均溫度，可以把地球接近實(shí)際大氣的平均溫度，可以把地球- -大氣系統(tǒng)近大氣系統(tǒng)近似看作平均溫度為似看作平均溫度為256K256K的黑體。的黑體。 地球地球大氣系統(tǒng)發(fā)出的輻射能的大氣系統(tǒng)發(fā)出的輻射能的95%95%集中在集中在4120 4120 m m的波段，最大輻射波長(zhǎng)約在的波段，最大輻射波長(zhǎng)約在10 10 m m附近。在附近。在35 35 m m與太陽(yáng)與太陽(yáng)輻射光譜有重疊。輻射光譜有重疊。 2、大氣對(duì)、大氣對(duì)地球地球- -大氣

52、輻射的吸收大氣輻射的吸收 地球地球- -大氣輻射能在大氣中傳輸時(shí)，受大氣吸收和散射的影響但當(dāng)大氣輻射能在大氣中傳輸時(shí)，受大氣吸收和散射的影響但當(dāng) m時(shí)，雷利散射很小，忽略。所以造成時(shí)，雷利散射很小，忽略。所以造成地球地球- -大氣輻射能衰減的主要原因是大氣輻射能衰減的主要原因是大氣氣體的吸收。大氣氣體的吸收。表表3-1 大氣氣體的吸收譜帶大氣氣體的吸收譜帶 大氣吸收帶與大氣窗：大氣吸收帶與大氣窗：通過(guò)大氣的太陽(yáng)輻射或地球通過(guò)大氣的太陽(yáng)輻射或地球- -大氣輻大氣輻射將被大氣中的某些氣體射將被大氣中的某些氣體所吸所吸3、大氣窗和大氣吸收帶、大氣窗和大氣吸收帶收收，這些吸收隨波長(zhǎng)變化很大，這些吸收隨

53、波長(zhǎng)變化很大，在某些波段吸收很強(qiáng)，在另，在某些波段吸收很強(qiáng)，在另一些波段段吸收很弱或沒(méi)有吸一些波段段吸收很弱或沒(méi)有吸收。這些氣體對(duì)大氣的太陽(yáng)輻收。這些氣體對(duì)大氣的太陽(yáng)輻射或地球大氣輻射吸收很強(qiáng)的射或地球大氣輻射吸收很強(qiáng)的光譜波段就稱為這種氣體的吸光譜波段就稱為這種氣體的吸收帶；大氣中所有氣體在哪些收帶；大氣中所有氣體在哪些吸收很弱或沒(méi)有吸收的光譜波吸收很弱或沒(méi)有吸收的光譜波段稱為大氣窗（因?yàn)檫@些波段段稱為大氣窗（因?yàn)檫@些波段的輻射可以象光通過(guò)窗戶那樣的輻射可以象光通過(guò)窗戶那樣透過(guò)大氣）。透過(guò)大氣）。表表3-2 3-2 大氣窗區(qū)大氣窗區(qū) 輻射與大氣和地表之間的相互作用表現(xiàn)為輻射的發(fā)輻射與大氣和地

54、表之間的相互作用表現(xiàn)為輻射的發(fā)射、吸收和反射，這為衛(wèi)星遙感地表和大氣提供了大量射、吸收和反射，這為衛(wèi)星遙感地表和大氣提供了大量的信息。例如衛(wèi)星在大氣窗區(qū)波段可以測(cè)量地面、云層的信息。例如衛(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；衛(wèi)星在吸收帶測(cè)量，可以得到大氣溫度性或溫度分布；衛(wèi)星在吸收帶測(cè)量，可以得到大氣溫度和成分。和成分。 根據(jù)測(cè)量的目的，衛(wèi)星選擇不同的波長(zhǎng)間隔進(jìn)行測(cè)根據(jù)測(cè)量的目的，衛(wèi)星選擇不同的波長(zhǎng)間隔進(jìn)行測(cè)量，這種波長(zhǎng)間隔稱做通道。為更多地獲取地面、云層量，這種波長(zhǎng)間隔稱做通道。為更多

55、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。和大氣信息，目前衛(wèi)星測(cè)量使用的通道很多。 四四. 大氣窗和大氣吸收帶在遙感中的應(yīng)用大氣窗和大氣吸收帶在遙感中的應(yīng)用 表表3-3 衛(wèi)星測(cè)量使用的通道衛(wèi)星測(cè)量使用的通道第三節(jié)第三節(jié) 輻射在大氣中的傳輸和衛(wèi)星接收到的輻射輻射在大氣中的傳輸和衛(wèi)星接收到的輻射一一. .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 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，散射輻射很在紅外波段，散射輻射很小，可忽略。小，可忽略。 （1 1）小氣柱吸收的輻射）小氣柱吸收的輻射 dLdL 1 1 因介質(zhì)吸收引起輻射因介質(zhì)吸收引起輻射的改變量，的

56、改變量，k k （z z） 質(zhì)量吸收質(zhì)量吸收系數(shù)，系數(shù)， （z z）吸收介質(zhì)的密度）吸收介質(zhì)的密度。實(shí)驗(yàn)證明輻射的改變量與入。實(shí)驗(yàn)證明輻射的改變量與入射輻射強(qiáng)度和介質(zhì)密度成正比。射輻射強(qiáng)度和介質(zhì)密度成正比。 圖圖3-9 小氣柱介質(zhì)輻射小氣柱介質(zhì)輻射dzzzLzkzdL)()()()(1 （2 2）小氣柱發(fā)射的輻射）小氣柱發(fā)射的輻射 dLdL 2 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 j （z z）介質(zhì)）介質(zhì)的質(zhì)量發(fā)射率。在局地地?zé)崃ζ胶鈼l件下的質(zhì)量發(fā)射率。在局地地?zé)崃ζ胶鈼l件下j=kj=k B B （T T） 總的輻射的改變量總的輻射的改變量或或B B （T T）普朗克

57、輻射，）普朗克輻射，T T小氣柱溫度小氣柱溫度。dzzzjzdL)()()(2dzzTBzkzdL)()()()(2dzzzkTBzLdL)()()()()()()()(zzkTBzLdzdL 2 2、分層平行大氣中的輻射傳輸和紅外輻射在大氣中、分層平行大氣中的輻射傳輸和紅外輻射在大氣中的傳輸方程的傳輸方程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，在為垂直方向，在任意方向任意方向I的輻射傳輸方程的輻射傳輸方程圖圖3-10 平行大氣中輻射傳輸平行大氣中輻射傳輸dIzI地面dzzzkzTBzLzdLsec)()()(),(),(式中式中dL （z， ）是天）是天頂角

58、為頂角為 方向上方向上dz氣層氣層內(nèi)輻射的改變量。內(nèi)輻射的改變量。使用氣象上習(xí)慣的使用氣象上習(xí)慣的P坐標(biāo)，根據(jù)靜力方程坐標(biāo)，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， （z）z高度空氣密度高度空氣密度gdzdpz/ dpgpqdpzdzzz dpgpqpkpTBpLpdLsec)()(),(),(q（p）空氣混合比）空氣混合比不難看出此式一階線性常微分方程。不難看出此式一階線性常微分方程。 令令ppdpkpqgp0)()(secexp,)()()(sec),(ppkpqgdppd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，并采用將以上二式代入上面一階線性常微

59、分方程，并采用縮寫(xiě)符號(hào)，得縮寫(xiě)符號(hào)，得 dL+LddL+Ld =d=d（L L ）=Bd=Bd 注意注意 ，L L是是 ，p p， 的函數(shù)，對(duì)上式從地面到任一高度的函數(shù)，對(duì)上式從地面到任一高度（p p0 0 p p）積分得）積分得 pPpdpdpdpTBppLppL0),()(),()(,00 0000),()(),(PspdpdpdpTBppTBL式中式中 T T（P P0 0）地面溫度；）地面溫度； s s 地面發(fā)射率地面發(fā)射率； （ ，P P0 0） 方向從地面到大氣頂?shù)耐高^(guò)率；方向從地面到大氣頂?shù)耐高^(guò)率； B B TT（P P ） 是是P P 高度上溫度為高度上溫度為T T（P P ）

60、的普朗克輻射；）的普朗克輻射； （P P ， ）是）是 方向從方向從P P 到大氣頂?shù)耐高^(guò)率。到大氣頂?shù)耐高^(guò)率。 此式就是衛(wèi)星在紅外波段接收地氣系統(tǒng)發(fā)射輻射的表達(dá)式，即紅此式就是衛(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。外輻射在大氣中的傳輸方程。 由于在熱力平衡條件下有由于在熱力平衡條件下有L L （ P P0 0）= = S S B B TT（P P0 0） ，且當(dāng)且當(dāng)P P0 0時(shí)時(shí) （P P， ）1 1，故上式可寫(xiě)成，故上式可寫(xiě)成 3、紅外輻射大氣中的傳輸方程的物理意義、紅外輻射大氣中的傳輸方程的物理意義和衛(wèi)星接和衛(wèi)星接 收到的輻射收到的輻射。 在紅外波段