現(xiàn)代大氣探測(cè)學(xué)十三講遙感

第十三講：大氣遙感探測(cè)主要內(nèi)容13.1概述13.2地基雷達(dá)大氣遙感探測(cè)13.3衛(wèi)星大氣遙感探測(cè)1、遙感就是不直接接觸測(cè)量目標(biāo)物或有關(guān)的大氣物理現(xiàn)象，通過(guò)探測(cè)器接收來(lái)自被測(cè)目標(biāo)物發(fā)出的輻射信息，并對(duì)其處理、分類(lèi)和識(shí)別的一種技術(shù)

2、遙感的分類(lèi)遙感按探測(cè)器的工作方式可分為主動(dòng)式大氣遙感探測(cè)和被動(dòng)式大氣遙感探測(cè)兩種

3、主動(dòng)式大氣遙感探測(cè)是探測(cè)器本身發(fā)射某一波長(zhǎng)的電磁輻射，然后再接收目標(biāo)物反射回來(lái)的電磁輻射強(qiáng)度的變化來(lái)推測(cè)被測(cè)物體的特性和氣象要素的分布4、被動(dòng)式大氣遙感探測(cè)是在一定電磁波譜段內(nèi)測(cè)量被測(cè)物體發(fā)射的電磁輻射，然后由物理定理推出被測(cè)物體的特性和氣象要素的分布

為什么需要遙感探測(cè)呢？

在需要空間和時(shí)間很密集的資料時(shí)，觀(guān)測(cè)區(qū)域是常規(guī)觀(guān)測(cè)儀器所不能達(dá)到的，或者使用常規(guī)觀(guān)測(cè)儀器獲取又很不經(jīng)濟(jì)，此時(shí)，遙感就成為了一種特別有用的探測(cè)手段

“雷達(dá)”是RadioDetectionAndRanging縮寫(xiě)Radar的音譯，字面上含義是無(wú)線(xiàn)電探測(cè)和測(cè)距。確切的講，就是無(wú)線(xiàn)電方法發(fā)現(xiàn)并測(cè)定空間目標(biāo)的位置。最主要的作用：就是用于警戒強(qiáng)對(duì)流災(zāi)害性天氣。同時(shí)，也可以把它作為研究大氣物理的重要手段1、雷達(dá)常規(guī)天氣雷達(dá)

50年代開(kāi)始使用軍事雷達(dá)

58年引進(jìn)第一部天氣雷達(dá)

60年代末711X波段數(shù)字化天氣雷達(dá)

70年代自行生產(chǎn)711、712、713

80年代具有數(shù)字處理系統(tǒng)的714S波段，引進(jìn)多普勒雷達(dá)多普勒天氣雷達(dá)

90年代已生產(chǎn)出714CD、714SD型脈間相干雷達(dá)

99年對(duì)WSR-88D進(jìn)行改造，第一部先進(jìn)的S波段全相干脈沖多普勒雷達(dá)CINRAD/CC3824型我國(guó)雷達(dá)氣象發(fā)展歷史

雷達(dá)定向發(fā)射的電磁波在大氣中近似以光速傳播，當(dāng)它碰到目標(biāo)物時(shí)，就有一部分電磁波能量被散射返回，回來(lái)的信號(hào)（回波）被雷達(dá)接收機(jī)接收，并用顯示器（或計(jì)算機(jī)系統(tǒng)）顯示出來(lái)，從而確定氣象目標(biāo)物的位置和特性。(C=3*108m,1sec=106μs)2、天氣雷達(dá)的工作原理XYZHLRφθ3、天氣雷達(dá)的基本組成

信號(hào)通過(guò)天線(xiàn)發(fā)射和接收；發(fā)射機(jī)和接收機(jī)用于發(fā)射和接收信號(hào)；信號(hào)處理器對(duì)接收到的信號(hào)通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換、視頻積分等處理后得到回波強(qiáng)度、移動(dòng)速度和譜寬；伺服系統(tǒng)主要控制天線(xiàn)、將其數(shù)據(jù)送回信號(hào)處理器及監(jiān)控系統(tǒng)；監(jiān)控系統(tǒng)負(fù)責(zé)拳擊的監(jiān)視和控制；數(shù)據(jù)處理和顯示系統(tǒng)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集、顯示、生成產(chǎn)品、存儲(chǔ)及傳輸。4、什么是雷達(dá)氣象方程？

雷達(dá)回波強(qiáng)度不僅取決于雷達(dá)系統(tǒng)各參數(shù)的特性，而且和被觀(guān)測(cè)的目標(biāo)物（云、降水粒子）的性質(zhì)有關(guān)，還與雷達(dá)和被測(cè)目標(biāo)物之間的距離以及其間的大氣狀況有關(guān)。只有把這些要素分析清楚，才能根據(jù)所測(cè)定的回波強(qiáng)度去推斷云、降水的物理狀況，雷達(dá)氣象方程就是為此目的而建立的。雷達(dá)氣象方程：集中反映雷達(dá)回波強(qiáng)弱與氣象目標(biāo)物、雷達(dá)的各參數(shù)以及距離等關(guān)系的數(shù)學(xué)表達(dá)式。雷達(dá)氣象方程是雷達(dá)氣象學(xué)的理論基礎(chǔ)。利用雷達(dá)氣象方程，可以根據(jù)回波的強(qiáng)度判斷降水區(qū)的物理狀況，并正確地選擇雷達(dá)的參數(shù)4、雷達(dá)氣象方程雷達(dá)機(jī)各參數(shù)及其在雷達(dá)探測(cè)中的作用氣象因子的作用距離因子的影響瑞利散射

1871年Rayleigh推出散射公式，粒子直徑和入射波長(zhǎng)d＜＜λ的小球形粒子散射。一般云滴、小雨滴對(duì)厘米波長(zhǎng)的雷達(dá)波的散射可看作瑞利散射米散射

1908年G.Mie

推出均勻介質(zhì)圓粒子對(duì)平行波散射的函數(shù)表達(dá)式。粒子直徑和入射波長(zhǎng)d

λ的大球形粒子散射。5.瑞利散射和米散射6、散射是雷達(dá)探測(cè)大氣的基礎(chǔ)。

雷達(dá)截面：雷達(dá)截面的大小反映了粒子所造成的后向散射的大小。

雷達(dá)反射率：?jiǎn)挝惑w積內(nèi)全部降水粒子的雷達(dá)截面之和，以η表示

雷達(dá)反射率因子：?jiǎn)挝惑w積中粒子的數(shù)密度與直徑6次方乘積的總和，用Z表示。

反射率因子Z值的大小，反映了氣象目標(biāo)內(nèi)部粒子的尺度和數(shù)密度，常用來(lái)表示氣象目標(biāo)的強(qiáng)度。由于反射率因子Z只取決于氣象目標(biāo)本身而與雷達(dá)參數(shù)和距離無(wú)關(guān)，所以不同參數(shù)的雷達(dá)所測(cè)得的Z值可以相互比較。

等效反射率因子Ze：能夠產(chǎn)生同樣回波功率，與小球粒子的等效的Z的數(shù)值。引進(jìn)Ze值后．即使在米散射情況下．只要以Ze值代替Z值，雷達(dá)氣象方程仍可保持瑞利散射時(shí)的簡(jiǎn)單形式7、衰減

衰減：就是吸收和散射兩種作用的總和，由于衰減，使回波圖像、定量測(cè)量情況與實(shí)際情況之間出現(xiàn)偏差，造成回波的失真。了解衰減對(duì)雷達(dá)探測(cè)的影響，對(duì)于正確使用回波資料是十分重要的。衰減物：大氣、云、降水粒子氣體：考慮吸收作用，忽略散射作用氣體吸收：3~10cm波長(zhǎng)可忽略。（1）對(duì)2cm以上的雷達(dá)波其吸收所造成的衰減，一般可忽略。（2）對(duì)波長(zhǎng)在1cm附近或探測(cè)距離較遠(yuǎn)時(shí)，吸收所造成的衰減必須考慮。（3）衰減除與雷達(dá)波長(zhǎng)有關(guān)外，還與濕度、溫度、氣壓等有關(guān)。（4）吸收雷達(dá)波的大氣氣體主要是水汽和氧氣。吸收帶：水汽：1.35±0.18cm0.2cm處水汽吸收與絕對(duì)濕度成正比，近似與水汽密度成正比；除1.35cm波長(zhǎng)附近，與氣壓成正比；水汽含量不變，與溫度成反比。氧氣：0.5cm處氧氣吸收與溫度成反比；波長(zhǎng)在0.7~10cm時(shí)，與氣壓的平方成正比。大氣氣體對(duì)雷達(dá)波的衰減云的衰減（1）液態(tài)云：衰減與波長(zhǎng)、溫度成反比。（2）液態(tài)云：10cm雷達(dá)波云的衰減可以忽略；

5cm雷達(dá)波云的衰減一般可以忽略；

3cm雷達(dá)波穿過(guò)較長(zhǎng)距離的云層時(shí)，云的衰減不可以忽略。（3）冰云：由于冰的介電常數(shù)小，冰云的衰減要比液態(tài)云的衰減小2~3個(gè)量級(jí)，因此冰云的衰減可以忽略。雨的衰減考慮10cm雷達(dá)除特大暴雨外，一般雨滴可以忽略5cm雷達(dá)對(duì)中、小雨滴可以忽略3cm雷達(dá)對(duì)雨滴不能忽略8、脈沖多普勒雷達(dá)測(cè)量的基本參數(shù)

多普勒雷達(dá)的探測(cè)出可以得到雷達(dá)反射率因子外，還可以以多普勒效應(yīng)為基礎(chǔ)，通過(guò)接收和發(fā)射信號(hào)之間的相位或頻率差異，測(cè)定有效照射體內(nèi)散射粒子相對(duì)于雷達(dá)的平均速度、速度譜以及速度譜寬等物理量9、研究回波強(qiáng)度分布和回波徑向速度場(chǎng)特征的意義

前者可以了解回波強(qiáng)弱和性質(zhì)，從而可以知道屬于什么類(lèi)型和性質(zhì)的回波后者除進(jìn)一步證實(shí)上述回波的強(qiáng)弱和性質(zhì)外，還可以了解大氣流場(chǎng)、氣流垂直速度分布等兩者結(jié)合，加上有時(shí)間序列的連續(xù)探測(cè)資料，就可以了解回波演變和移動(dòng)規(guī)律10、回波分類(lèi)

（1）氣象回波：分為降水回波和非降水回波。成因：大氣中云、降水中的各種水汽凝結(jié)物對(duì)電磁波的后向散射和大氣中溫、壓、濕等氣象要素劇烈變化而引起的。降水回波：層狀云連續(xù)性降水回波、對(duì)流云降水回波、積層混和云降水回波、雪的回波，凍雨、沙暴中降水、第二次掃描回波等其他類(lèi)型降水回波。非降水回波：云的回波、霧的回波、閃電信號(hào)及其回波、晴空大氣回波（點(diǎn)狀或圓點(diǎn)狀、窄帶狀、細(xì)胞狀、層狀、大氣波動(dòng)和湍流、環(huán)狀、海風(fēng)）。（2）非氣象回波：成因：地物、飛機(jī)等非氣象目標(biāo)物對(duì)電磁波的反射以及由于雷達(dá)的性能而引起的虛假回波。包括：地物回波、超折射回波、同波長(zhǎng)干擾回波、飛機(jī)船只等的回波、海浪回波、由天線(xiàn)輻射特性造成的虛假回波。多普勒徑向速度場(chǎng)分析技術(shù)

對(duì)其基本特征的研究，①可按零徑向速度線(xiàn)；②朝向雷達(dá)雷達(dá)分量（負(fù)）、離開(kāi)雷達(dá)分量（正）范圍、分布及中心；③強(qiáng)多普勒徑向速度梯度帶；三個(gè)方面進(jìn)行分析。在PPI上，當(dāng)距離變遠(yuǎn)，即距離增加實(shí)際風(fēng)向始終和零徑向速度線(xiàn)正交。即任意高度上零徑向速度廓線(xiàn)方位轉(zhuǎn)過(guò)±90o，就是該高度上的實(shí)際風(fēng)向。

天氣雷達(dá)應(yīng)用得最多的是平面位置顯示器。平面位置顯示器，簡(jiǎn)稱(chēng)平顯，也叫PPI(英文planpositionindicator的縮寫(xiě))。用“亮度調(diào)制”顯示。如右圖所示，當(dāng)天線(xiàn)仰角為００，天線(xiàn)圍繞鉛直軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，平面位置顯水器表示的是波束掃描平面上的降水分析。平面位置顯示(PPI)

為了了解云、雨的形成和垂宣結(jié)構(gòu)情況，在天氣雷達(dá)上還有一種常用的顯示器——距離高度顯示器。距離高度顯示器簡(jiǎn)稱(chēng)高顯或RHI

(rangheightindicator)。在高顯中，橫坐標(biāo)表示云、雨目標(biāo)的斜距，縱坐標(biāo)是云雨目標(biāo)的高度。云雨目標(biāo)仍用“亮度調(diào)制”顯示。云和降水區(qū)和平面位置顯示器上一樣為一片亮班。距離高度顯示器(RHI)

距離仰角顯示器同樣是顯示云和降水的垂直結(jié)構(gòu)的顯示器。由于距離高度顯示器只能在低仰角下位用，如711雷達(dá)和7l3常達(dá)在作距離仰角顯示時(shí)，天線(xiàn)的最大仰角只分別為32０和29０，這樣的仰角看不到近距離天頂附近的云雨情況，為了了解近距離天頂附近的云雨發(fā)展情況和結(jié)構(gòu)，某些天氣雷達(dá)(如圖產(chǎn)713雷達(dá))可以作“距離仰角顯示”，這種顯示器簡(jiǎn)稱(chēng)為REI(rangelevationindicator)

橫坐標(biāo)為距離，縱坐標(biāo)為高度，垂直坐標(biāo)尺度和水平坐標(biāo)尺度一樣，因此它沒(méi)有距離高度顯示器那樣出于兩個(gè)坐標(biāo)尺度不一樣而引起的失真。距離仰角顯示器(REl)

平面位置顯示器只是在仰角為０時(shí)得到降水目標(biāo)的平面分布，仰角大于０時(shí)得到的是一個(gè)遠(yuǎn)處高近處低的漏斗面上的云雨分布。為了了解不同高度上的云和降水分布，了解降水發(fā)生發(fā)展的三度空間情況，國(guó)外設(shè)計(jì)使用了所謂“等高平面位置顯示器”，簡(jiǎn)稱(chēng)CAPPI(constantaltitudePPl)。等向顯示器能夠顯示不同高度平面上的云雨分布等高平面位量顯示器(CAPPl)基本速度圖,由風(fēng)場(chǎng)看出上下層均為一致東南風(fēng),水汽充沛,降水維持

風(fēng)廓線(xiàn)圖,強(qiáng)勁的東南偏南風(fēng),輸送足夠的水汽,有利于降水天氣產(chǎn)生及維持

速度方位顯示，入流大于出流，說(shuō)明低層有輻合

垂直液態(tài)含水量（VIL），垂直液態(tài)含水量最大達(dá)到44kg/m2。水汽充沛，有利于產(chǎn)生冰雹?；夭敻摺⒒夭@示高度達(dá)11.6Km,說(shuō)明對(duì)流發(fā)展旺盛。回波頂高是一個(gè)監(jiān)測(cè)對(duì)流性天氣產(chǎn)生強(qiáng)降水的重要指標(biāo)13.2衛(wèi)星大氣遙感探測(cè)

被動(dòng)式大氣遙感探測(cè)是利用大氣或地面對(duì)太陽(yáng)光的吸收、反射及自身發(fā)射的能量進(jìn)行大氣遙感的一種方法，該方法不需要人工輻射源，而是利用自然界中已有的各種輻射能量，被動(dòng)地接收自然界本身的信息。根據(jù)遙感接收機(jī)所接收的電磁波的波長(zhǎng)不同，被動(dòng)式大氣遙感探測(cè)一般可分為可見(jiàn)光探測(cè)、紅外輻射探測(cè)和微波探測(cè)等。13.2衛(wèi)星大氣遙感探測(cè)

由于科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，當(dāng)前衛(wèi)星已經(jīng)能夠?yàn)槠浯钶d的傳感器提供足夠的能量，這就為主動(dòng)式遙感探測(cè)的實(shí)現(xiàn)打下了基礎(chǔ)。衛(wèi)星遙感已經(jīng)由單一的被動(dòng)式遙感發(fā)展到主被動(dòng)遙感兼?zhèn)涞臅r(shí)代。最近10年來(lái)，已經(jīng)發(fā)射多個(gè)搭載主動(dòng)式遙感設(shè)備的衛(wèi)星1、可見(jiàn)光探測(cè)

可見(jiàn)光譜段是一個(gè)很狹窄的波長(zhǎng)間隔，波長(zhǎng)在0.35－0.8微米之間，這一譜段的最大特點(diǎn)是它對(duì)人眼的視網(wǎng)膜施以一種特殊的刺激引起視覺(jué)，因而人眼可以感覺(jué)它，可見(jiàn)光通過(guò)梭鏡可以分解為紫、藍(lán)、綠、黃、橙、紅等顏色

可見(jiàn)光探測(cè)主要測(cè)量地面（包括云面）對(duì)太陽(yáng)輻射反射的可見(jiàn)光輻射，物體對(duì)太陽(yáng)輻射的反射輻射可以從0.3微米的紫外光譜區(qū)延伸至波長(zhǎng)2.5微米的近紅外光譜區(qū)。從0.75微米到2.5微米的近紅外光譜區(qū)稱(chēng)為反射紅外輻射區(qū)1、可見(jiàn)光探測(cè)1、可見(jiàn)光探測(cè)

可見(jiàn)光探測(cè)主要應(yīng)用于衛(wèi)星遙感。衛(wèi)星探測(cè)器屬于被動(dòng)式遙感探測(cè)儀器(實(shí)際上現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展了主動(dòng)式可見(jiàn)光衛(wèi)星傳感器，如CALIOP（星載激光雷達(dá)）)，其在可見(jiàn)光譜段測(cè)量目標(biāo)物對(duì)太陽(yáng)光的反射輻射。若把衛(wèi)星測(cè)得的這種輻射轉(zhuǎn)換成圖象便得到可見(jiàn)光云圖在一定太陽(yáng)高度角下，可見(jiàn)光云圖上物象的色調(diào)主要決定于目標(biāo)物的反照率。一般說(shuō)來(lái)，目標(biāo)物的反照率愈大，其色調(diào)愈白。從可見(jiàn)光云圖可以觀(guān)測(cè)到云系的各種分布，地表特征（高山、平原、沙漠、河流、積雪等），海流、海冰等2、紅外輻射探測(cè)

紅外輻射光譜段從0.8微米到1000微米。紅外輻射也稱(chēng)熱輻射。紅外輻射是人眼看不見(jiàn)的光線(xiàn)，但是利用儀器可以測(cè)量它。

紅外輻射探測(cè)一般可分為兩種情況，一是接收來(lái)自地球表面或者是大氣發(fā)射的紅外輻射；另一種是接收太陽(yáng)的紅外輻射，該波段位于大氣中某種大氣成份的吸收帶上，用于遙感大氣中該成份的濃度或含量。2、紅外輻射探測(cè)

衛(wèi)星上的紅外輻射探測(cè)器測(cè)量的是地球

——大氣系統(tǒng)發(fā)出的紅外輻射，若把衛(wèi)星測(cè)得的這種輻射轉(zhuǎn)換成圖象便得到紅外云圖。在紅外云圖上，色調(diào)愈黑處表示目標(biāo)物發(fā)射的輻射愈強(qiáng)，色調(diào)愈淺表示目標(biāo)物發(fā)射的輻射愈弱。由于紅外輻射取決于溫度，溫度愈高輻射愈強(qiáng)，溫度愈低輻射愈弱，所以紅外云圖也可看成為一張溫度分布圖。這樣一來(lái)，就可以根據(jù)紅外云圖上色調(diào)的深淺判斷溫度的高低。色調(diào)愈白，溫度愈低；色調(diào)愈黑，溫度愈高。由于大氣溫度隨高度是遞減的，低云和地表的溫度較高，中云次之，卷云最低。所以由紅外云圖可以判別云頂高度和云的種類(lèi)2、紅外輻射探測(cè)

衛(wèi)星的紅外輻射探測(cè)不僅可以得到云系分布、云頂高度、云頂溫度，而且還可以確定海面溫度、地表溫度、洋流、海洋石油污染等。紅外輻射探測(cè)還可以測(cè)定大氣垂直溫度分布廓線(xiàn)。大氣垂直溫度分布狀況是數(shù)值天氣預(yù)報(bào)所需要的重要數(shù)據(jù)。另外，紅外輻射探測(cè)可以利用大氣中各種成份的吸收光譜特性，接收太陽(yáng)輻射或反射，對(duì)大氣中的某種成份進(jìn)行遙感測(cè)量。如監(jiān)測(cè)CO2，常使用波長(zhǎng)為2.06微米的CO2吸收帶；測(cè)量大氣中的CH4含量，常使用波長(zhǎng)為3.34微米的CH4的P(2)吸收線(xiàn)3、微波探測(cè)

微波輻射通常指1毫米到30厘米波長(zhǎng)范圍的輻射。微波輻射本質(zhì)也是一種“長(zhǎng)波熱輻射”。自然界里許多物體都能吸收和發(fā)射微波輻射。利用感應(yīng)器測(cè)量物體發(fā)射的