大氣輻射與遙感第七章課件

第七章

大氣輻射在遙感中的應(yīng)用-《大氣輻射與遙感》授課人：王天河2015·春季第七章

大氣輻射在遙感中的應(yīng)用-《大氣輻射與遙感》授課1第七章

大氣輻射在遙感中的應(yīng)用

7.1引言7.2

利用透射的太陽(yáng)光進(jìn)行遙感7.2.1氣溶膠光學(xué)厚度和尺度譜的確定7.2.2確定臭氧總量7.2.3臨邊消光技術(shù)7.3應(yīng)用反射的太陽(yáng)光進(jìn)行遙感7.3.1衛(wèi)星-太陽(yáng)幾何光學(xué)和理論基礎(chǔ)7.3.2臭氧的衛(wèi)星遙感7.3.3氣溶膠的衛(wèi)星遙感7.3.4陸地表面的衛(wèi)星遙感7.3.5云的光學(xué)厚度和粒子尺度第七章大氣輻射在遙感中的應(yīng)用7.1引言27.4利用發(fā)射的紅外輻射進(jìn)行遙感7.4.1地球表面溫度的確定7.4.2溫度廓線(xiàn)的遙感7.4.3水汽和痕量氣體廓線(xiàn)的遙感7.4.4云的紅外遙感7.4.5紅外冷卻率和地表通量的遙感7.5利用發(fā)射的微波輻射進(jìn)行遙感7.5.1微波波譜和微波輻射傳輸7.5.2由微波發(fā)射輻射確定降雨率和水汽7.5.3微波探測(cè)器的溫度反演7.6利用激光和微波能量進(jìn)行遙感7.6.1后向散射方程7.6.2激光雷達(dá)的差分吸收方法7.6.3激光雷達(dá)的差分退偏方法7.6.4用于研究云的毫米波雷達(dá)7.4利用發(fā)射的紅外輻射進(jìn)行遙感3§7.4利用發(fā)射的紅外輻射進(jìn)行遙感§7.4利用發(fā)射的紅外輻射進(jìn)行遙感4理論基礎(chǔ)紅外輻射傳輸基本方程向上輻亮度的解：其中紅外譜區(qū)地表發(fā)射率接近于1。大氣頂處衛(wèi)星垂直對(duì)地（μ=1）測(cè)量的輻亮度：儀器僅能分辨有限的帶寬，在某一波數(shù)間隔內(nèi)的輻亮度按歸一化形式表示：理論基礎(chǔ)5響應(yīng)函數(shù)的有效頻譜間隔通常很小，以至于普朗克函數(shù)的變化微不足道，于是可以用

表示不帶來(lái)明顯誤差。氣象衛(wèi)星進(jìn)行大氣和地面遙感的基本原理：考慮響應(yīng)函數(shù)的光譜透射比：天基遙感關(guān)鍵：從實(shí)測(cè)的紅外輻亮度中提取大氣狀態(tài)（溫度、溫度廓線(xiàn)）和大氣組成（水汽、痕量氣體、云）的有關(guān)信息。（＊）響應(yīng)函數(shù)的有效頻譜間隔通常很小，以至于普朗克函數(shù)的變化微不足6熱紅外光譜中主要吸收光譜：CO2：15μm，4.3μmO3：9.6μmH2O：整個(gè)紅外譜區(qū)，最重要6.3μm和波數(shù)小于500cm-1CH4：7.6μmN2O：7.9μmCFCs：大氣窗區(qū)有吸收線(xiàn)大氣窗區(qū)：800-1200cm-1，除9.6μm的臭氧吸收帶外，大氣氣體的吸收表現(xiàn)為一極小值。熱紅外光譜中主要吸收光譜：7§7.4.1地球表面溫度的確定大氣窗區(qū)向上的輻亮度與地表的發(fā)射輻射密切相關(guān)。

為了確定地表溫度，引入大氣分裂窗技術(shù)，即利用兩個(gè)通道上的實(shí)測(cè)值消去Ta項(xiàng)。在10.5～12.5μm大氣窗區(qū)，Ta的變化幅度小于1k，同時(shí)大氣窗區(qū)地表發(fā)射率變化很小。透射比主要是水汽的連續(xù)吸收形成的：兩個(gè)通道的窗區(qū)方程：（7.4.11）（7.4.13）（7.4.14）§7.4.1地球表面溫度的確定大氣窗區(qū)向上的輻亮度與地表8為了消去Ta項(xiàng)，利用Ta的泰勒級(jí)數(shù)展開(kāi)T的普朗克函數(shù)：消去T-Ta：利用亮溫Tb2和Ts代替T，并利用（7.4.14）分析得到：從(7.4.17)和(7.4.13)中消去B1(Ta)，得到分裂窗方程：在窗區(qū)的小光譜間隔內(nèi)，兩亮溫間可建立一種局部線(xiàn)性關(guān)系：用10.9和12μm確定地表溫度，夜間加上3.7μm增加反演精度。（7.4.15）（7.4.16）（7.4.17）（7.4.18）（7.4.20）為了消去Ta項(xiàng)，利用Ta的泰勒級(jí)數(shù)展開(kāi)T的普朗克函數(shù)：（7.9§7.4.2溫度廓線(xiàn)的遙感根據(jù)衛(wèi)星熱紅外輻射觀測(cè)推求大氣溫度廓線(xiàn)最早是由King(1956)提出的，證明了由輻亮度推求溫度廓線(xiàn)的可行性。Kaplan

(1959)證明了具有垂直分辨率的溫度場(chǎng)可根據(jù)大氣發(fā)射的譜分布導(dǎo)出，發(fā)展了上述遙感探測(cè)的概念。在光譜帶翼區(qū)的觀測(cè)可以感知大氣深處，而在帶中心的觀測(cè)僅能感知大氣的頂層。因此，通過(guò)適當(dāng)選擇一組不同的探測(cè)波數(shù)，就可以利用實(shí)測(cè)的輻亮度進(jìn)行解譯，最終求得大氣得垂直溫度分布。§7.4.2溫度廓線(xiàn)的遙感根據(jù)衛(wèi)星熱紅外輻射觀測(cè)推求大氣10如果地表發(fā)射輻射對(duì)觀測(cè)的輻亮度有重要貢獻(xiàn)，則必須確定下墊面的溫度。如果舍棄地表貢獻(xiàn)項(xiàng)，則前向輻射傳輸方程可表示為：給出對(duì)應(yīng)于不同波數(shù)和已知權(quán)函數(shù)的一系列實(shí)測(cè)輻亮度之后，溫度廓線(xiàn)反演的基本問(wèn)題是怎樣求解函數(shù)由于普朗克函數(shù)隨波數(shù)而變化，所以在反演中必須首先消除普朗克函數(shù)對(duì)波數(shù)的依賴(lài)關(guān)系。由于普朗克函數(shù)是光滑函數(shù)，而且在小光譜間隔內(nèi)，可以用線(xiàn)性形式近似表示（7.4.22）（7.4.23）（＊）（7.4.22）（7.4.23）（＊）11方程(7.4.22)可表示為即著名的第一類(lèi)弗雷德霍姆方程。其中：由熱紅外發(fā)射觀測(cè)值確定大氣溫度，發(fā)射源必須是一種含量相當(dāng)豐富的已知?dú)怏w，且其分布要比較均勻。否則，氣體含量的不確定性將使我們不能根據(jù)觀測(cè)結(jié)果來(lái)明確地確定溫度。100km以下的地氣系統(tǒng)中，有兩種氣體具有均勻豐富的含量，且在易于觀測(cè)的光譜區(qū)具有發(fā)射帶：(1)CO2，具有振轉(zhuǎn)帶譜線(xiàn)；(2)

O2，具有微波自旋－轉(zhuǎn)動(dòng)帶。（7.4.24a）（7.4.24b）方程(7.4.22)可表示為（7.4.24a）（7.4.2412帶中心時(shí)黑體溫度逐漸下降，這與對(duì)流層溫度隨高度增加而降低有關(guān)。波數(shù)690附近，溫度出現(xiàn)極小值，這與較冷的對(duì)流層頂有關(guān)。波數(shù)690之外，隨波數(shù)下降，溫度卻又升高，這是由于平流層溫度升高所致?？蓳?jù)此選擇一組探測(cè)波數(shù)，把對(duì)流層和平流層低層溫度廓線(xiàn)大部分包含進(jìn)去。云雨4號(hào)衛(wèi)星上的紅外干涉光譜儀觀測(cè)到的15μm帶附近按黑體溫度給出的出射輻亮度譜帶中心時(shí)黑體溫度逐漸下降，這與對(duì)流層溫度隨高度增加而降低有關(guān)13對(duì)裝載在NOAA2號(hào)衛(wèi)星上的一組垂直溫度廓線(xiàn)輻射儀(VTPR)計(jì)算的權(quán)函數(shù)廓線(xiàn)和透射比廓線(xiàn)的個(gè)例。權(quán)函數(shù)的每個(gè)峰值代表對(duì)向上輻亮度的最大貢獻(xiàn)部分。668.5

cm-1677.5

cm-1695.0

cm-1708.8

cm-1725.0

cm-1745.0

cm-1對(duì)裝載在NOAA2號(hào)衛(wèi)星上的一組垂直溫度廓線(xiàn)輻射儀(VTP14云的去除在許多溫度反演的情況中，主要的問(wèn)題是探測(cè)輻射儀的視場(chǎng)內(nèi)存在云，進(jìn)行溫度反演之前去除云的效應(yīng)非常重要。云的去除15考慮一對(duì)相鄰的像素(掃描點(diǎn))，像素1和2的輻亮度可表示為：如果相鄰像素內(nèi)探測(cè)通道的云光學(xué)性質(zhì)相同，則相鄰像素內(nèi)的溫度場(chǎng)也是相同的，于是有如果預(yù)先知道N＊值，則可根據(jù)以下方程確定晴空氣柱輻亮度：（7.4.46）每個(gè)像素點(diǎn)的有效云量，即云量與發(fā)射率的乘積（7.4.47）（7.4.48）考慮一對(duì)相鄰的像素(掃描點(diǎn))，像素1和2的輻亮度可表示為：（16在輻射儀視場(chǎng)中消除云貢獻(xiàn)的N＊方法須遵守的限定條件：假定相鄰都得云具有同樣的高度、溫度和光學(xué)性質(zhì)；有效云量η1和η2必須是不同的；需要附加信息來(lái)根據(jù)N＊值確定晴空氣柱輻亮度。為了確定N＊值，通常的辦法是使用一個(gè)獨(dú)立的微波通道：即注意：微波觀測(cè)經(jīng)常會(huì)受到低分辨率、降水云的污染和預(yù)估的地表發(fā)射率造成的誤差的影響，在溫度反演中檢測(cè)和校正云的作用時(shí)，處理探測(cè)資料時(shí)需要許多經(jīng)驗(yàn)方法和閾值檢驗(yàn)。在輻射儀視場(chǎng)中消除云貢獻(xiàn)的N＊方法須遵守的限定條件：17由6.3μm振轉(zhuǎn)帶遙感水汽對(duì)上式積分項(xiàng)進(jìn)行分部積分如果已通過(guò)15μm和4.3μmCO2帶反演了溫度廓線(xiàn)，則未知數(shù)為透射比。如果選擇水汽6.3μm振轉(zhuǎn)帶波數(shù)，則僅有的未知量為路徑長(zhǎng)度廓線(xiàn)u(p)。與溫度的反演相比，推求氣體的廓線(xiàn)的輻射傳輸方程更為復(fù)雜?！?.4.3水汽和痕量氣體廓線(xiàn)的遙感（＊）（7.4.51）（7.4.50）由6.3μm振轉(zhuǎn)帶遙感水汽§7.4.3水汽和痕量氣體廓線(xiàn)18理論上，溫室氣體(O3,

N2O,

CH4,

CFCs)的濃度可以根據(jù)俯視觀測(cè)的光譜儀來(lái)推求得到。然而：臭氧在9.6μm帶顯現(xiàn)出振轉(zhuǎn)譜線(xiàn)。由于濃度極大值位于平流層，目前還沒(méi)有設(shè)計(jì)出反演使用的基于熱紅外輻射的俯視觀測(cè)儀器。N2O和CH4在7.9μm和7.6μm光譜區(qū)具有譜線(xiàn)結(jié)構(gòu)。其他微量氣體與此相同，而且由于混合比較小，這些氣體濃度的遙感使用的是臨邊掃描技術(shù)。

理論上，溫室氣體(O3,N2O,CH4,CFCs)的濃19平行輻射儀或光譜儀，其視角是水平的，它接收來(lái)自較薄高度層的大氣輻射，稱(chēng)為臨邊輻射。由臨邊觀測(cè)獲得痕量氣體廓線(xiàn)的一般方法叫做臨邊探測(cè)。上圖為臨邊探測(cè)的幾何光路。平行輻射儀或光譜儀，其視角是水平的，它接收來(lái)自較薄高度層的大20大氣臨邊掃描探測(cè)優(yōu)點(diǎn)：由于大氣密度和壓力隨高度快速遞減，發(fā)射輻射主要在切點(diǎn)之上幾千米的范圍。因此可獲得固有的高垂直分辨率。接受的所有輻射都來(lái)自大氣，相比朝天底觀測(cè)的儀器，不存在因下墊面變化而引起的變化。沿水平路徑有很大的不透明性。對(duì)確定中層大氣的微量氣體特別有用。衛(wèi)星的儀器視場(chǎng)方向可取在相對(duì)于衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)的任何方位角方向，并且能覆蓋相當(dāng)大的范圍。缺點(diǎn)：沿光線(xiàn)路徑上高云的干擾；較大水平范圍上急劇變化大氣狀態(tài)的解譯問(wèn)題。大氣臨邊掃描探測(cè)優(yōu)點(diǎn)：21考慮一個(gè)由云層構(gòu)成的視場(chǎng)，云層位于溫度為T(mén)c的氣壓層pc上，云量為η，云上的發(fā)射率為εv。為了說(shuō)明問(wèn)題，僅考慮單色輻射傳輸，衛(wèi)星觀測(cè)的輻亮度可以寫(xiě)成：式中右端四項(xiàng)的意義：地表、云下大氣、云層、云上大氣發(fā)射輻射對(duì)大氣頂處的貢獻(xiàn)。§7.4.4云的紅外遙感衛(wèi)星地面視場(chǎng)（7.4.55）考慮一個(gè)由云層構(gòu)成的視場(chǎng)，云層位于溫度為T(mén)c的氣壓層pc上，22單色透射比定義為：根據(jù)單色透射比的增加遵循指數(shù)運(yùn)算的規(guī)則：對(duì)于晴空視場(chǎng)：從有云視場(chǎng)中減去晴空視場(chǎng)，即云的輻亮度信息：進(jìn)行分部積分：（7.4.57）（7.4.58a）（7.4.58b）對(duì)云頂氣壓和發(fā)射率的CO2切片技術(shù)單色透射比定義為：（7.4.57）（7.4.58a）（7.423將方程(7.4.58b)應(yīng)用到15μmCO2帶的兩個(gè)譜帶上：即CO2切片技術(shù)，利用兩個(gè)CO2通道在相同視場(chǎng)中觀測(cè)的云信息的比值來(lái)確定云頂氣壓的想法是Smith

&

Platt

(1978)提出的。一旦確定云頂氣壓，就可以由紅外窗區(qū)通道計(jì)算有效發(fā)射率，在窗區(qū)里（令波數(shù)指數(shù)為3）（7.4.59）（7.4.60a）（7.4.60b）將方程(7.4.58b)應(yīng)用到15μmCO2帶的兩個(gè)譜帶上24CO2切片方法對(duì)于高空卷云是最適用的，這是由于權(quán)函數(shù)在15μm帶的性質(zhì)使然。Wylie等(1994)利用此方法，根據(jù)NOAA極軌高分辨率紅外輻射探測(cè)儀(HIRS)對(duì)云量、云高和有效發(fā)射率的多光譜資料，確定了卷云的統(tǒng)計(jì)性質(zhì)。如右圖所示4年(1989.6

-

1993.5)平均的北半球夏季(JAS)和冬季(DJF)卷云的地理分布。CO2切片方法對(duì)于高空卷云是最適用的，這是由于權(quán)函數(shù)在15μ25人們多次試圖根據(jù)10μm窗區(qū)發(fā)射的紅外輻射（加上白天的反射可見(jiàn)光輻射）對(duì)云的全球分布進(jìn)行等級(jí)劃分。一般來(lái)說(shuō)，云頂比地表的溫度要低，有云時(shí)發(fā)射的輻射比晴空時(shí)地表發(fā)射的輻射要小。一種很實(shí)用的方法是劃定不同的閾值區(qū)分晴空和有云情況，從而得到云量的信息。最好的例子：20世紀(jì)80年代世界氣象組織開(kāi)展的國(guó)際衛(wèi)星-云-氣候計(jì)劃(ISCCP)。精確的云氣候?qū)W統(tǒng)計(jì)結(jié)果對(duì)于發(fā)展基于物理過(guò)程的氣候模式是至關(guān)重要的，既可以作為描述云量的模式輸入資料的源，又可以作為預(yù)報(bào)云的生成的一種驗(yàn)證模式的手段。云蓋的發(fā)射輻射人們多次試圖根據(jù)10μm窗區(qū)發(fā)射的紅外輻射（加上白天的反射可26ISCCPD2CloudClassificationISCCPD2CloudClassification27大氣輻射與遙感第七章課件28卷云主要位于對(duì)流層高層和平流層低層，且由非球形冰晶構(gòu)成，在熱紅外波長(zhǎng)上一般是透明的，特別是3.7μm和10μm窗區(qū)，因此在與遙感應(yīng)用有關(guān)的輻射傳輸中不能把卷云視為黑體。雙通道紅外技術(shù)：考慮有卷云時(shí)大氣頂?shù)南蛏陷椓炼菼，選擇兩個(gè)合適的窗區(qū)波長(zhǎng)，由兩個(gè)輻亮度實(shí)測(cè)值推求云的紅外發(fā)射率ε和平均有效溫度Tc。由于上述方程中還涉及許多未知數(shù)，從而需要進(jìn)行參數(shù)化處理：卷云光學(xué)厚度和溫度的反演（7.4.61）卷云主要位于對(duì)流層高層和平流層低層，且由非球形冰晶構(gòu)成，在熱29云的發(fā)射率：

兩波長(zhǎng)處的發(fā)射率可用k2/k1聯(lián)系起來(lái)，該比值是冰晶尺度分布的函數(shù)，因此反演前需事先給定冰晶尺度分布的函數(shù)。(2)普朗克函數(shù)：(3)到達(dá)云底的向上輻亮度：

通過(guò)尋找云附近的晴空像素來(lái)完成。注意：雙通道紅外技術(shù)要求卷云的光學(xué)性質(zhì)在兩個(gè)波長(zhǎng)上由顯著的變化。如：Huang&Liou

(1984)

3.75μm+10.9μm；Liou等(1985)6.5μm+11μm；Minnis等(1993)

10μm+可見(jiàn)光反射強(qiáng)度……（7.4.63）（7.4.62）云的發(fā)射率：（7.4.63）（7.4.62）30大氣中紅外通量的交換以及由這些交換產(chǎn)生的大氣冷卻是大氣動(dòng)力和熱力過(guò)程的重要來(lái)源?！?.4.5紅外冷卻率和地表通量的遙感（4.7.1）大氣中紅外通量的交換以及由這些交換產(chǎn)生的大氣冷卻是大氣動(dòng)力和31使用逐線(xiàn)積分方法計(jì)算的加熱率廓線(xiàn)和相關(guān)k分布方法產(chǎn)生的誤差廓線(xiàn)。（From大氣輻射導(dǎo)論Figure4.14）使用逐線(xiàn)積分方法計(jì)算的加熱率廓線(xiàn)和相關(guān)k分布方法產(chǎn)生的誤差廓32晴空對(duì)流層：