新大遙感地學(xué)分析課件第8章 大氣遙感

第8章大氣遙感主要內(nèi)容8.1大氣的特征8.1.1大氣成分組成8.1.2大氣的物理特性8.2大氣遙感原理8.2.1大氣遙感的物理基礎(chǔ)8.2.2電磁波輻射傳輸特征一、太陽輻射傳輸特征二、微波輻射傳輸特征8.3大氣遙感監(jiān)測(cè)8.3.1大氣參數(shù)的垂直分布探測(cè)8.3.2大氣污染遙感監(jiān)測(cè)8.1.1大氣成分組成干潔大氣水汽大氣氣溶膠其他干潔大氣干潔大氣：通常把除水汽以外的純凈大氣稱為干潔大氣，簡(jiǎn)稱干空氣。干潔大氣由多種氣體混合組成，按照各成分在大氣中的濃度，可分為主要成分、微量成分和痕量成分三部分。主要成分一般指N2、O2、Ar(氬氣)及CO2

氣體相對(duì)分子質(zhì)量體積百分比質(zhì)量百分比濃度/(μg.m-3)同位素平均停留時(shí)間/年準(zhǔn)定常成分N228.013478.08475.529.76×10814N99.635%15N0.365%約106O231.998820.94823.152.98×10816O99.759%17O0.0374%18O0.2039%約5×103Ar39.9480.9341.281.66×10740Ar99.600%38Ar0.063%36Ar0.337%約107可變成分CO244.00990.0330.05(4~8)×l0512C98.9%l3C1.1%14C2×10－10%5~6低層（對(duì)流層內(nèi)）大氣的主要成分

水汽水汽在大氣中所占的比例很小，僅0.1%~3%，卻是大氣中最活躍的成分

來源主要是海洋表面的蒸發(fā)

水（水汽）循環(huán)過程大氣氣溶膠氣溶膠的原來含義是指懸浮在氣體中的固體和（或）液體微粒與氣體載體組成的多相體系習(xí)慣上“大氣氣溶膠”就是指大氣中懸浮著的各種固體和液體粒子按尺度大小將氣溶膠粒子分成三類：愛根核（半徑r<0.1μm）、大粒子（0.1μm<r<1μm）和巨粒子（r>1μm）。此外，大氣中還有大、小離子，小離子是分子或原子失去電子或捕獲電子后形成的，它的半徑小于0.005μm，大離子則相當(dāng)于愛根核的尺度。氣溶膠粒子濃度分布影響因素在不同地方，氣溶膠粒子的濃度分布不一樣的。受地理位置、地形、地表性質(zhì)、人類居住情況、距污染源的遠(yuǎn)近程度及氣象條件的影響氣溶膠粒子的尺度分布

標(biāo)準(zhǔn)大氣氣溶膠數(shù)密度隨高度的分布

8.1.2大氣的物理特性大氣分層氣壓和大氣密度大氣濕度大氣分層大氣在水平方向比較均勻，而在垂直方向呈明顯的層狀分布按大氣的熱力性質(zhì)、電離狀況、大氣組分等特征分成若干層次按中性成分的熱力結(jié)構(gòu)，把大氣分成對(duì)流層、平流層、中間層、熱層和逸散層；按大氣的化學(xué)成分，把大氣分為均質(zhì)層和非均質(zhì)層；按大氣的電磁特性，分為電離層和磁層；按大氣的壓力結(jié)構(gòu)，在高空500km以上直到2000~3000km的大氣層稱為外大氣層或逸散層，由該層逐漸過渡到行星際空間，逸散層以下稱為氣壓層。根據(jù)大氣熱力結(jié)構(gòu)，即根據(jù)大氣中溫度隨高度的垂直分布特征，把大氣分為對(duì)流層、平流層，中間層，熱層和逸散層（或外層）等五層。大氣圈的層狀結(jié)構(gòu)氣壓和大氣密度大氣壓力：指單位面積上直至大氣上界整個(gè)空氣柱的質(zhì)量大氣密度：?jiǎn)挝蝗莘e的大氣質(zhì)量它們的分布和變化與大氣運(yùn)動(dòng)及天氣狀況有密切關(guān)系大氣濕度常用表示量：水汽壓：表示大氣中的水汽分壓強(qiáng)，單位取毫巴；絕對(duì)濕度：表示單位體積大氣中所含水汽質(zhì)量，即水汽密度，單位為克／米3（或克／厘米3）；比濕q：表示同體積大氣中水汽質(zhì)量與濕空氣質(zhì)量之比，單位為克／千克（或克／克）；混合比sh：表示同體積大氣中水汽質(zhì)量與干空氣質(zhì)量之比，單位為克／千克（或克／克）；相對(duì)濕度f：表示空氣中水汽壓與同溫度下飽和水汽壓E之比，單位為毫巴/毫巴；露點(diǎn)溫度T：是將水汽壓為e的水汽,等壓冷卻到飽和時(shí)的溫度。8.2大氣遙感原理8.2.1大氣遙感的物理基礎(chǔ)8.2.2電磁波輻射傳輸特征太陽輻射傳輸特征微波輻射傳輸特征8.2.1大氣遙感的物理基礎(chǔ)大氣遙感：在一定距離以外測(cè)定某處大氣的成分、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和氣象要素值的探測(cè)方法和技術(shù)。氣象雷達(dá)和氣象衛(wèi)星等都屬于大氣遙感的范疇。8.2.1大氣遙感的物理基礎(chǔ)

大氣遙感可分為被動(dòng)式大氣遙感和主動(dòng)式大氣遙感被動(dòng)式大氣遙感：它是利用大氣本身發(fā)射的輻射或其他自然輻射源發(fā)射的輻射同大氣相互作用的物理效應(yīng)，進(jìn)行大氣探測(cè)的方法和技術(shù)主動(dòng)式大氣遙感：它是由人采用多種手段向大氣發(fā)射各種頻率的高功率的波信號(hào)，然后接收、分析并顯示被大氣反射回來的回波信號(hào)，從中提取大氣成分和氣象要素的信息方法和技術(shù)8.2.1大氣遙感的物理基礎(chǔ)電磁輻射與大氣的相互作用主要有三種方式：散射、吸收和透射其作用強(qiáng)度取決于大氣的物質(zhì)成分、結(jié)構(gòu)和通過大氣時(shí)的路程長(zhǎng)短大氣的傳輸特性電磁波穿過大氣時(shí)，會(huì)被大氣衰減，若入射強(qiáng)度為I0，經(jīng)過大氣的路程為x，則通過該大氣路程后的輻射強(qiáng)度為Ir，則有式中:為衰減系數(shù)或消光系數(shù)。根據(jù)透射率定義，有式中：主要包括大氣散射系數(shù)和吸收系數(shù)k,即

和用在不同的場(chǎng)合，一般在研究大氣本身的性質(zhì)時(shí)用衰減系數(shù)，而將大氣作為介質(zhì)，研究地面物體時(shí)用透射率。大氣對(duì)電磁波的影響主要是散射和吸收。散射

散射是指電磁輻射與結(jié)構(gòu)不均勻的物體作用后，產(chǎn)生的次級(jí)輻射無干涉抵消，而是向各個(gè)方向傳播的現(xiàn)象，它實(shí)質(zhì)是反射、折射和衍射的綜合反映。散射主要發(fā)生在可見光波段．其性質(zhì)和強(qiáng)度取決于大氣中分子或微粒的半徑r與被散射光的波長(zhǎng)λ二者之間的相互對(duì)比關(guān)系。散射的類型散射能力的大小常用散射系數(shù)來表達(dá)a.瑞利散射。當(dāng)λ＜＜r，發(fā)生的散射稱瑞利散射．它的散射強(qiáng)度與入射輻射波長(zhǎng)的四次方成反比其中：γ為散射系數(shù)，λ為波長(zhǎng)入射輻射的波長(zhǎng)短，輻射能力愈強(qiáng)

散射的類型b.米氏散射。當(dāng)λ=r時(shí)，發(fā)生的散射稱米氏散射，其散射程度約與波長(zhǎng)的二次方成反比。散射的類型c.粗粒散射。當(dāng)λ＜＜r時(shí)，發(fā)生的散射稱粗粒散射，其散射強(qiáng)度與波長(zhǎng)無關(guān)，是非選擇性散射。大氣中的液、固態(tài)水和固體雜質(zhì)r＞1μm，都大于可見光的波長(zhǎng)(λ＜r)，因此它們對(duì)可見光散射出的輻射呈白色．如云、霧等呈白色即是這個(gè)原因。吸收吸收電磁輻射是物質(zhì)的普通性質(zhì)，是指電磁輻射與物體作用后，轉(zhuǎn)化為物體的內(nèi)能。根據(jù)吸收的強(qiáng)弱和隨波長(zhǎng)的變化，吸收分為兩種：a.一般吸收。在電磁輻射的整個(gè)波段內(nèi)都有吸收．且吸收率隨波長(zhǎng)的變化幾乎不變的吸收。b.選擇吸收。在一些波段上吸收很大．而一些波段上吸收很少，即吸收率隨波長(zhǎng)的變化有急劇變化的吸收。朗伯定律電磁輻射通過介質(zhì)時(shí)，由于介質(zhì)的吸收作用。強(qiáng)度必然衰減，減弱強(qiáng)度用朗伯定律表示式中:k為吸收系數(shù)；I0為入射輻射強(qiáng)度；I為吸收后的強(qiáng)度；x為吸收層厚度。吸收系數(shù)k是波長(zhǎng)的函數(shù)，在一般吸收的波段內(nèi),k近似于常數(shù)，在選擇吸收的波段內(nèi),k隨波長(zhǎng)不同有顯著變化；吸收系數(shù)k愈大．輻射破吸收的愈強(qiáng)列。大氣對(duì)電磁輻射的吸收a.水汽(H2O)吸收。水汽對(duì)電磁輻射的吸收最為顯著，其吸收帶集中在中紅外波段，實(shí)驗(yàn)表明液態(tài)和固態(tài)水比汽態(tài)水具更強(qiáng)的吸收能力。水汽吸收帶很多，歸納起來為：（1）2個(gè)寬的強(qiáng)吸收帶：波長(zhǎng)為2.27～3.57μm和4.9～7.8μm。（2）2個(gè)窄的強(qiáng)吸收帶：其中心波長(zhǎng)分別為1.38μm、1.86μm。（3）1個(gè)弱的窄吸收帶：波長(zhǎng)0.7～1.23μm。臭氧和氧氣吸收b.臭氧(O3)吸收。臭氧吸收集中在紫外波段，對(duì)波長(zhǎng)0.3μm以下的波段全部吸收．在9.6μm附近有一很窄的弱吸收收帶。c.氧氣(O2)吸收。氧氣對(duì)電磁輻射的吸收發(fā)生在小于0.2μm、0.69μm、0.76μm幾處，但都很弱。二氧化碳吸收d.二氧化碳(CO2)吸收。CO2對(duì)電磁輻射的吸收主要發(fā)生在大于2μm的紅外波段。（1）1個(gè)寬的吸收帶：波長(zhǎng)大于13μm的超遠(yuǎn)紅外線幾乎全被吸收受。（2）個(gè)窄的強(qiáng)吸收帶：2.6～2.8μm和4.1～4.45μm。此外，塵埃、水滴、N2O、CO等也對(duì)電磁輻射有所吸收。大氣透射透射是指電磁輻射與介質(zhì)作用后，產(chǎn)生次級(jí)輻射扣部分原入射輻射穿過該介質(zhì)，到達(dá)另一種介質(zhì)的現(xiàn)象或過程，一般用透射率τ來表示透射能力，τ=透射能量／入射能量。大氣窗口大氣窗口是指大氣對(duì)電磁輻射的吸收和散射都很小，而透射率很高的波段，換句話說，就是電磁輻射在大氣中傳輸損耗很小，能透過大氣的電磁波段。電磁波譜上的大氣窗口如下圖

大氣窗口0.3～1.3μm，即紫外、可見光、近紅外波段。這一波段是攝影成像的最佳波段，也是許多衛(wèi)星傳感器掃描成像的常用波段。比如，Landsat衛(wèi)星的TM的1～4波段，SPOT衛(wèi)星的HRV波段等。大氣窗口1.5～1.8μm，2.0～3.5μm，即近、中紅外波段，在白天日照條件好的時(shí)候掃描成像常用這些波段，比如TM的5、7波段等用以探測(cè)植物含水量以及云、雪或用于地質(zhì)制圖等。大氣窗口3.5～5.5μm，即中紅外波段，物體的熱輻射較強(qiáng)。這一區(qū)間除了地面物體反射光譜反射太陽輻射外，地面物體也有自身的發(fā)射能量。比如，NOAA衛(wèi)星的AVHRR傳感器用3.55～3.93μm探測(cè)海面溫度，獲得晝夜云圖。大氣窗口8～14μm，即遠(yuǎn)紅外波段。主要來自物體熱輻射的能量，適于夜間成像，測(cè)量探測(cè)目標(biāo)的地物溫度大氣窗口0.8～2.5cm，即微波波段，由于微波穿云透霧的能力，這一區(qū)間可以全天候工作。而且由其他窗口區(qū)間的被動(dòng)遙感工作方式過渡到主動(dòng)遙感的工作方式。如側(cè)視雷達(dá)影像，Radarsat的衛(wèi)星雷達(dá)影像等。其常用的波段為0.8cm，3crn，5cm，10cm，有時(shí)也可將該窗口擴(kuò)展為0.05cm至300cm波段大氣微波輻射特性

大氣微波輻射主要來自氧氣、水汽和臭氧等氣體成分，其次是云、雨、雪、雹、塵埃和其他氣體成分。此外，大氣中的某些微量氣體和污染氣體(如硫化氫、二氧化硫、一氧化氮和一氧化碳等)也有很弱的微波輻射大氣微波輻射特性大氣微波輻射的持征可以用大氣吸收譜來描述。大氣氧分子的微波吸收氧分子5毫米吸收帶氧分子2.53毫米吸收線大氣微波輻射特性水汽的微波吸收水汽1.348厘米吸收帶水汽0.164厘米吸收帶大氣微波輻射特性臭氧和其他大氣分子及污染氣體成分的微波吸收特征臭氧（O3）二氧化硫（SO2）二氧化氮（NO2）氨（NH3）硫化氫（H2S）一氧化碳（CO）云霧的微波輻射特征它們對(duì)大氣的微波吸收和發(fā)射過程起著積極的作用。研究云霧降水的微波輻射特征是大氣微波輻射中的一個(gè)重要課題。在微波遙感中，我們還必須在考察云和降水本身的微波輻射的同時(shí)，利用它們的輻射特征，探測(cè)云和降水的物理結(jié)構(gòu)。降水的微波輻射特征球形雨滴的微波輻射雨滴譜的微波輻射8.3大氣遙感監(jiān)測(cè)8.3.1大氣參數(shù)的垂直分布探測(cè)8.3.2大氣成分監(jiān)測(cè)8.3.1大氣參數(shù)的垂直分布探測(cè)大氣溫度和濕度探測(cè)衛(wèi)星云跡風(fēng)探測(cè)大氣溫度和濕度探測(cè)在地球大氣的各種氣體成分中，與電磁輻射發(fā)生相互作用的主要?dú)怏w是二氧化碳（CO2）、水汽和臭氧（O3）。下圖給出了大氣成分在1.0~16μm波段范圍內(nèi)對(duì)電磁輻射的吸收帶分布大氣溫度和濕度探測(cè)氣體具有吸收某一光譜范圍的輻射，同時(shí)又以本身狀態(tài)發(fā)射同一光譜范圍輻射的特性。所以，在弱吸收光譜區(qū)，表面輻射被近地面層大氣吸收，同時(shí)又從大氣低層以自身溫度發(fā)射同一波段的輻射到太空。大氣溫度和濕度探測(cè)在強(qiáng)吸收光譜區(qū)，當(dāng)輻射通過大氣時(shí)，表面輻射經(jīng)過一個(gè)吸收和放射過程，到達(dá)太空的強(qiáng)吸收光譜區(qū)的輻射基本上來自于大氣比較高的層次。在中等強(qiáng)度的吸收光譜區(qū)內(nèi)，有效輻射層位于大氣層的中間高度。因此，衛(wèi)星在一個(gè)吸收帶的中央（強(qiáng)吸收區(qū)）和兩翼（相對(duì)弱的吸收區(qū)）選擇若干個(gè)光譜帶進(jìn)行觀測(cè)，就可以得到大氣不同高度的熱狀態(tài)，進(jìn)而得到大氣溫度的垂直分布。大氣溫度和濕度探測(cè)至今為止，利用氣象衛(wèi)星探測(cè)大氣溫、溫度分布的工作已經(jīng)開展了近30年，取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。但存在一個(gè)致命問題是探測(cè)精度尚不夠高，垂直分辨率低。2002年發(fā)射的EOS第二顆星Aqua給我們帶來了希望。該星上的大氣紅外探測(cè)器AIRS，在可見光、近紅外、中紅外和長(zhǎng)波紅外光譜范圍，分2300個(gè)波段進(jìn)行探測(cè)，其水平分辨率為13.5km，垂直分辨率1km，反演溫度的均方根誤差有望達(dá)1K左右。若如此，則可以滿足數(shù)值天氣預(yù)報(bào)和氣候監(jiān)測(cè)的要求。衛(wèi)星云跡風(fēng)探測(cè)風(fēng)是大氣中最重要的動(dòng)力學(xué)參數(shù)，但衛(wèi)星上的遙感探測(cè)器目前尚沒有直接跟蹤和觀測(cè)大氣運(yùn)動(dòng)的能力。所以，早期的衛(wèi)星云圖分析人員，均從云型特征、天氣系統(tǒng)和風(fēng)場(chǎng)的統(tǒng)計(jì)相關(guān)關(guān)系，來間接地推測(cè)風(fēng)場(chǎng)。自從短時(shí)間間隔的靜止氣象衛(wèi)星圖像觀測(cè)取得成功以后，一種想法提出來了：如果在半小時(shí)時(shí)間內(nèi)云的生消變化不大，衛(wèi)星圖像上云的移動(dòng)就是大氣氣流對(duì)它平流的結(jié)果，若能準(zhǔn)確地求出云的移動(dòng)矢量，這就是風(fēng)衛(wèi)星云跡風(fēng)探測(cè)解決以下幾個(gè)問題：示蹤云的選擇；云圖的精確定位和圖像配準(zhǔn)；示蹤云高度的確定。衛(wèi)星云跡風(fēng)探測(cè)衛(wèi)星云圖上所看到的云移動(dòng)，實(shí)際上由兩部分組成：一是隨著天氣系統(tǒng)移動(dòng)而伴隨的云的生、消活動(dòng)。其二則是云一生成后，受環(huán)境流場(chǎng)的作用而產(chǎn)生的平流運(yùn)動(dòng)。后者正是我們所說的風(fēng)矢量，當(dāng)然，它就是我們要選的示蹤云。這是需要一套分析識(shí)別原則來確定的。衛(wèi)星云跡風(fēng)探測(cè)所謂圖像匹配問題，就是用于計(jì)算風(fēng)的連續(xù)兩幅衛(wèi)星圖像的定位網(wǎng)格的一致性問題。如果衛(wèi)星的軌道和姿態(tài)預(yù)報(bào)均己達(dá)到足夠高的精度，則不存在這一問題。當(dāng)衛(wèi)星的軌道和姿態(tài)達(dá)不到要求，一些衛(wèi)星業(yè)務(wù)運(yùn)行中心的作法是采用精細(xì)的地標(biāo)導(dǎo)航方法對(duì)每幅云圖均作到精確的定位，則二者定位網(wǎng)格的一致性就會(huì)達(dá)到測(cè)風(fēng)計(jì)算的要求。衛(wèi)星云跡風(fēng)探測(cè)示蹤云高度的確定是一個(gè)重要而難度大的問題。由于大氣中的風(fēng)存在著顯著的水平變化和垂直變化，尤其是在對(duì)流層頂附近，風(fēng)的垂直切變可以達(dá)到每公里10~30m·s1，如果把10km高度的云誤定為11km，則僅此一項(xiàng)帶來的誤差就不能承受。衛(wèi)星云跡風(fēng)探測(cè)我國(guó)專家提出了“用紅外和水汽兩個(gè)通道的衛(wèi)星測(cè)值指定云跡風(fēng)高度”的方法。其核心是利用不同云類在紅外窗區(qū)和水汽吸收帶的輻射特性的差異，通過其點(diǎn)聚圖將低云區(qū)、半透明卷云區(qū)和密蔽的高云區(qū)區(qū)分開來。在低云區(qū)和密蔽高云區(qū)用紅外窗區(qū)測(cè)值確定云高；在半透明的卷云區(qū)，用紅外和水汽兩個(gè)通道的測(cè)值確定云高，取得了較好的效果。為了增加示蹤信號(hào)，尤其是無云的晴空區(qū)的示蹤信號(hào)，近年來衛(wèi)星氣象工作者又發(fā)展了以水汽圖像上的水汽塊為示蹤信號(hào)的水汽風(fēng)處理方法，也取得了很好的效果。8.3.2大氣成分監(jiān)測(cè)臭氧監(jiān)測(cè)大氣氣溶膠監(jiān)測(cè)臭氧監(jiān)測(cè)原理如果在人造地球衛(wèi)星上安裝一臺(tái)光譜儀，通過測(cè)量某些特定譜線（即那種氣體成分的吸收線）存在與否，來確定大氣中是否存在著那種氣體，是探測(cè)它的行之有效的方法。在大氣溫度廓線已知的情況下，通過測(cè)量吸收譜線的強(qiáng)度，還可以得到那種氣體成分的濃度。臭氧的強(qiáng)吸收帶主要位于波長(zhǎng)短于0.36μm的紫外波段、9~10μm的地球輻射的紅外波段，此外，對(duì)0.46~0.74μm的可見光波段也有吸收。臭氧含量監(jiān)測(cè)專門用于測(cè)量臭氧含量的主要星載遙感探測(cè)器有兩個(gè)。一個(gè)是SBUV，另一個(gè)是臭氧總量制圖光譜儀（TOMS）TOMS是通過測(cè)量后向太陽紫外輻射中的4個(gè)光譜通道的輻射值（其波長(zhǎng)分別為：312、317、331和339nm其中臭氧的最強(qiáng)吸收（312nm）輻射和最弱吸收（331nm）輻射的比值就可以反演出大氣柱中臭氧的總量臭氧含量監(jiān)測(cè)TOMS對(duì)臭氧總量的反演精度可達(dá)5%以上。TOMS的掃描幅寬2300km，地面分辨率50~100km，每天可得到一幅全球的臭氧總量分布圖臭氧含量監(jiān)測(cè)流程氣溶膠監(jiān)測(cè)原理衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)氣溶膠和沙塵粒子的基本原理是它們對(duì)太陽可見光和近紅外波段的反射和散射由于不同粒徑大小的氣溶膠粒子的光學(xué)特性有差異，這樣利用星載遙感探測(cè)器得到的不同波段的輻射就有可能反演得到相應(yīng)粒子氣溶膠的光學(xué)厚度氣溶膠監(jiān)測(cè)實(shí)例（沙塵暴監(jiān)測(cè)）沙塵暴是利用氣象衛(wèi)星能有效監(jiān)測(cè)的陸地上空氣溶膠含量的一種特殊情況沙塵暴爆發(fā)之后，懸浮在大氣中不同粒徑的沙塵粒子已經(jīng)足夠多，使衛(wèi)星遙感探測(cè)器監(jiān)測(cè)到的輻射均來自沙塵本身可見光和近紅外通道測(cè)得的沙塵對(duì)太陽光的反射和散射輻射，紅外波段測(cè)得的則是沙塵頂部的發(fā)射輻射氣溶膠監(jiān)測(cè)實(shí)例（沙塵暴監(jiān)測(cè)）通過對(duì)某一地區(qū)（如中國(guó)西北地區(qū)）云、沙塵和地表在AVHRR各通道的統(tǒng)計(jì)分析，一些低云與沙塵頂部的亮溫很相近，但二者在反射率上卻有顯著差別；西北地區(qū)裸露的地表與沙塵在可見光通道的反射率上很相近，但二者在紅外通道和亮溫上又有明顯差別。根據(jù)這些特點(diǎn)，可以對(duì)可見光、近紅外和紅