卫星气象学全册配套最完整精品课件2

卫星气象学全册配套最完整精品课件2卫星气象学第一章绪论卫星观测不仅是气象观测的重要组成部分，而且是未来地球信息观测的主流。本章主要内容：1、卫星气象学与卫星遥感2、卫星资料在大气科学和其它领域中的应用3、气象卫星种类及其发展概况第1节卫星气象学与卫星遥感

一、气象卫星和卫星气象学气象卫星专门用于气象目的（气象要素的探测）的卫星。卫星气象学指研究如何利用气象卫星探测各种气象要素，并将卫星探测资料应用到大气科学的一门学科。

卫星气象学的主要内容

1、研究大气目标物（各类吸收气体）、云和地表等的辐射光谱特性及电磁辐射在大气中的传输规律；

2、寻找从卫星探测获取大气中主要气象要素和大气现象的理论和方法。包括最佳光谱段选取的研究，传感器的设计研究，以及气象卫星资料反演方法的研究；

3、气象卫星资料的接收、处理和存贮、质量控制；

4、气象卫星资料在天气预报、大气科学研究中的应用，以及在其它有关领域中的应用（如监测森林大火等）。

二、气象卫星遥感遥感：在一定距离之外，不直接接触被测物体和有关物理现象，通过探测仪器接收来自被测物体反射或发射的电磁辐射信息，并对其进行处理、分类和识别的一种技术。传感器：收集电磁辐射信息的装置（如扫描辐射仪、相机等）遥感的分类：

1、按工作方式分主动遥感和被动遥感：

主动遥感：仪器接收由仪器本身发射经被测物体反射、散射回来的电磁辐射，再根据接收的电磁辐射特征来识别和推断目标物的特性（人工源遥感）；

被动遥感：测量目标物发射的电磁辐射或反射自然源（如太阳辐射）发射的电磁辐射来识别目标物特征（自然源遥感）。遥感的分类：

2、按探测器的电磁波谱段分为紫外遥感、可见光遥感、红外遥感和微波遥感等；

3、按探测信息形式可分为图像方式和非图像方式。气象卫星遥感卫星遥感：气象卫星遥感：利用气象卫星对大气进行遥感探测。

卫星遥感技术包括：

1、遥感信息的获取方法的研究（与传感器有关）；

2、各类目标物的光谱特性和遥感信息传输规律的研究；

3、遥感数据的处理和分析技术的研究。

三、气象卫星的观测特点

1、实现全球和大范围观测；

2、在空间自上而下观测；

3、采用遥感探测方式；

卫星观测方法优势:

空间覆盖优势极轨气象卫星在约900km的高空对地观测，一条轨道的扫描宽度就可达3000km，每天都可以得到覆盖全球的资料；地球静止卫星在3．6万公里的高空观测地球，一颗静止卫星的观测面积就可达1亿7千万平方公里，约为地球表面的1／3；卫星的大范围观测，使人类第一次获得几乎无常规观测的大范围海洋、两极和沙漠地区的资料；目前已经可以通过卫星观测系统，获取全球或任何感兴趣区域的空间连续的高分辨率气象和环境资料，不受国界限制极轨气象卫星具有全球观测能力14条轨道合成的全球图像三颗静止卫星即可获取覆盖全球的观测资料卫星观测方法优势:

时间取样优势气象卫星观测可以大大地改善资料的时间取样频次。特别是静止气象卫星双星可获得每15分钟一次的大范围实时资料，非常有利于对灾害性天气进行动态监测；双星组网的极轨气象卫星也可以每天提供4次全球覆盖的图象资料和垂直探测资料。而常规高空站每天只在00时12时（世界时）进行两次观测，且无法观测海洋和无人地区。卫星观测方法优势

资料一致性优势与地面和高空常规观测相比，卫星资料具有内在的均一性和好的代表性；尽管世界气象组织（WMO）已经颁布了一系列规范，来统一常规观测仪器的性能和观测方法，但仍不能避免不同国家和地区、使用不同仪器和方法获得的资料的不一致性；站分布的不均匀等使资料的不确定性增加(点)；气象卫星是在较长一段时期内使用同一仪器对全球进行观测，资料的相对可比较性强、分布均匀一致性好。卫星资料则是对一定视场面积内的取样平均值，具有较好的区域代表性(面)。卫星观测方法优势:

综合参数观测优势气象卫星从大气层外这个新视角观测地球—大气系统。有些重要的气候变量，特别是通过整个垂直方向大气层的积分参数，如地气系统的反照率、大气顶的地气系统射出长波辐射，只能通过气象卫星观测获得；目前已成功地从气象卫星观测资料中导出了全球大气温度和湿度廓线、辐射平衡、海陆表面温度及云顶温度、风场、云参数、冰雪覆盖、云中液态水含量和降水量、臭氧总量和廓线、陆地下垫面状态植被状况等诸多重要气候和环境参数，这是任何其它观测手段所不能观测的。这是一场观测方法的重要变革。第2节卫星资料在大气科学和其它领域的应用一、在大气科学领域中的应用1、卫星资料是日常天气分析预报的重要依据。

……2、监视暴雨、强雷暴等灾害性天气系统

……3、监视热带洋面上的低压、台风等天气系统

……4、改进中长期天气预报

……5、为数值天气预报提供资料

……6、在气候研究方面的应用

……风云二号监测天气105E赤道上空每半小时测得一幅全圆盘图像台风监测贵州望谟、罗甸大暴雨卫星云图分析干旱监测干旱监测渤海、黄海西北部以及山东半岛南部海域有大雾覆盖，部分雾区上空有云覆盖。卫星监测到的海上大雾影响面积约为10.8万平方公里响。

监测显示，湖南中部、江西西北部和东北部、安徽南部有大雾覆盖，部分地区的雾区上空有低云遮挡,大雾影响面积约为2.4万平方公里在河南、安徽和山东三省交界地区出现了轻到大雾（包括雾凇）天气，其中部分雾区被云覆盖。经估算雾区面积大约有2.1万平方公里。雾区给当地的交通带来不同程度的影响。

强沙尘暴监测2001.4.7.

气象卫星监测到新疆南部塔里木盆地出现了沙尘天气。受冷空气影响，塔里木盆地东部发生沙尘天气，沙尘在偏东大风的输送下自罗布泊向西南方向扩散。由于沙尘强度较弱，且发生在荒漠地区，其造成的影响有限。

2005年2月15日16：41分（北京时间）气象卫星NOAA-16在飞跃南亚上空时，观测到在巴基斯坦、印度边境地区大范围的沙尘天气。在地面西风的作用下，两国边境地区的荒漠地区发生严重的沙尘天气，黄色的沙尘与周围覆盖有绿色植被的地区形成强烈反差。随风向，沙尘向下游地区扩散，印度境内受到的影响相对较大。

灰霾的扩散过程监测(03年12月22-25日)气溶胶监测卫星监测海面温度二、在其它领域的应用

1、为农业提供气象资料；2、监视森林大火、地表热异常；3、卫星资料在水文方面的应用；4、为海洋活动提供气象资料；5、为航空提供飞行保障；6、为军事提供气象服务；7、空间环境监视……风云一号监测中国及周边地区植被植被监测用TM卫星资料制作的广州植被指数图2003年5月19日大兴安岭森林火灾卫星监测图像，为火灾扑救提供了及时准确信息地理信息系统准确定位火点2003年7月7日中国淮河流域洪涝监测图卫星遥感中国气候生态资源调查图集64个图幅；250米分辨率Natural&HumanInducedDisasters自然和人为的灾害HumanHealth&Well-Being人类健康和福利EnergyResources能源ClimateVariability&Change气候变化WaterResources水资源WeatherInformation,Forecasting&Warning气象信息，预报和预警Terrestrial,Coastal

&Marine

Ecosystems陆地，海岸带和海洋生态系统Sustainable

Agriculture&Desertification可持续农业和荒漠化Biodiversity生物多样性

气象卫星的资料产品

1、

图像产品和数值产品

1.图像产品

2.数值产品2、业务产品

1.气象资料产品，有各类云图、垂直探空、高中低层风、水汽含量、云量、雨量、臭氧总含量、气溶胶含量、辐射收支等；

2.海洋资料产品，有海表温度、海色、洋面风、洋面高度、海洋环流和极区海冰等；

3.水文资料产品，有半球及区域的冰雪覆盖图、河流雪盖等；

4.陆地资料产品，有地表温度、土壤湿度、冰雪盖、植被指数等；

5.空间环境监测资料，有太阳质子、粒子、电子密度流、能谱等

一、气象卫星的种类

按轨道分：1、极轨卫星和静止卫星

按所承担的任务分：2、实验卫星和业务卫星

第3节

气象卫星的种类及其发展概况二、气象卫星的发展历史

1、

极轨卫星的发展历史

1.美国的极轨业务卫星

TOS/ESSA（TIROS业务卫星/环境科学管理局卫星）系列

ITOS/NOAA（改进的TIROS业务卫星/国家海洋大气管理局）系列

TIROS-N/NOAA系列

2.苏联的极轨卫星－METEOP（流星）系列

3.中国的极轨卫星－FY-1，FY-3（风云）卫星系列

2、静止卫星的发展历史

1.ATS（全称applicationtechnologysatellite,应用技术卫星）

2.SMS/GOES（同步气象卫星/对地静止业务环境卫星）

3.Meteosat4.GMS5.Insat6.GOMS(geostationaryoperationalmeteorologicalsatellite)7.FY-28.EOS(earthobservingsystem)三、未来的气象卫星发展

1、

极轨卫星的发展

1.美国未来的极轨卫星-NPOESS

国家极轨业务环境卫星系统NPOESS：

nationalpolar-orbitingoperationalenvironmentalsatellitesystem2.欧洲未来的极轨卫星-METOP系列气象业务项目(Meteosatoperationalprogramme)极轨卫星系列

3.美欧联合的业务极轨卫星系列－三星组网的全球极轨业务卫星系列

4.中国的极轨卫星－FY-3卫星系列

2、静止卫星的发展

1.日本MTSAT卫星

2.印度的INSAT-Ⅲ卫星

3.欧洲的MSG卫星

4.俄罗斯的GOMS-N2卫星

5.中国的FY-4卫星

6.美国的下一代静止气象卫星－GOES-N～GOES-Q系列卫星

3、

气象卫星的发展方向

1.极轨卫星的发展方向

1.遥感探测仪器的改进将开辟新的遥感波段，增加通道数，以便区分不同的遥感对象，提高分辨率，发展微波遥感和主动遥感，向“高光谱、高精度和高分辨率，全天候）方向发展

2.发展极轨平台，开展综合应用。平台可安放气象、水文、海洋、资源勘察等各种探测仪，一台多用（如EOS）

3.联合运行。

2.静止卫星的发展方向

1.自旋改为三轴稳定，使垂直探测与成像同时进行，观测时间缩短，对地观测的时间利用率提高，卫星定位精度也得到提高；

2.改进遥感仪器，提高频率分辨率（增设通道）和空间分辨率全球大气探测的现状占全球面积70%以上的广阔的海洋、高原、沙漠和两极地区，常规大气探测严重缺乏;中、小尺度天气预报和研究，在目前常规探测资料较密集的地区，时空密度也严重不足;特种观测资料（大气化学观测，如大气臭氧、二氧化硫等）严重缺乏。可能的解决办法气象卫星全球大气探测，是最终解决全球数值天气预报和气候预测问题的关键TOVS资料在世界各国取得了很好的应用效果，ATOVS在数值天气预报中的应用将在未来几年取得较大进展；现在是卫星大气探测重要发展阶段WMO对未来20年气象业务的要求:

如果有足够的卫星观测系统和地基观测能力，利用数值模式，则可以：对很具破坏性的天气事件提前30分钟作出预警对5天台风路径预报精度达到30km开展10-14天天气预报预测未来12个月的区域降水预测15-20个月厄尔尼诺事件进行10年尺度的气候预测高稳定、高质量、长寿命灾害性天气监测连续天气监测数值模式天气预报气候系统/地球系统观测空间天气监测……未来十年到二十年，我国气象卫星无论在质量和规模上都必须有长足的发展我国气象卫星发展历程和现状FY-1系列极轨气象卫星:1988年9月7日

FY-1A星发射(试验星)1990年9月3日

FY-1B星发射(试验星)1999年5月10日

FY-1C星发射(业务星)2002年5月15日

FY-1D星发射(业务星)2008年5月15日FY-3A星发射2010年11月5日FY-3B星发射2013年9月23日FY-3C星发射FY-2系列静止气象卫星:1997年6月10日

FY-2A星发射(试验星)2000年6月25日

FY-2B星发射(试验星)2004年10月19日FY-2C星发射(业务星)2006年12月8日FY-2D星发射(业务星)2008年12月23日FY-2E(123.5°E)

2012年1月13日FY-2F(112°E)

（目前在轨备份）2014年12月31日FY-2G(99.5°E)

FY-1A和FY-1B的状况FY-1A可见光通道图像质量良好，信噪比高于设计要求。尽管由于卫星姿态失去控制使这颗星只工作了39天，水汽对红外探测器的污染问题，造成红外通道信号衰减。但在FY-1A飞行期间，卫星以及载荷的工作情况和卫星子系统都得到了检验。FY-1B质量较FY-1A都了实质性提高，反映在卫星姿态控制和扫描辐射仪的防水汽污染方面。这颗星持续观测约半年后，姿态控制再次出现问题，经过地面指令系统的挽救，卫星间断工作到1992年末。FY-1A/B为FY-1C/D业务卫星的发展奠定了技术基础风云一号C/D(业务卫星)

FY-1C于1999年5月10日发射，设计寿命3年，创造几个第一（被世界卫星组织认可、达到并超过寿命、第一颗业务星、2007.1.17日炸成碎片）FY-1D于2005年5月15日在太原卫星发射中心用长征四号B火箭发射升空，目前一切正常。我国风云一号C星的第一幅云图——腾飞的中国龙FY-2号系列研制情况我国于80年代后期开始研制地球静止气象卫星FY-2号系列。在1989年向国际电联申请了下列三个风云二号轨道位置：业务星位置：105°E（fy-2d）；备份星位置：86.5°E(fy-2c)；功能测试星位置：123.5°EFY-2号卫星发射情况

1994年4月2日，我国原定用长征3号火箭在西昌卫星发射中心发射的ＦＹ－２第一颗静止气象卫星，由于卫星在技术测试过程中发生意外。其后，我国分别于1997年6月10日、2000年6月25日、2004年10月19日和2006年12月8日利用长征3号火箭从西昌卫星基地发射了四颗地球静止气象卫星：风云二号A、B、C、D气象卫星。目前FY-2A、FY-2B两颗试验星已经退役。

FY-2D定点于105°E赤道上空。在FY-2D发射之前，已将FY-2C移动并定点于86.5°E，用于测试和备份。和FY-1系列气象卫星一样，FY-2卫星数据已被广大用户使用。

从图中可以看出，前几天影响我国的强冷锋云系已移出我国，在中蒙边境地区又有新的弱锋面云系东移。

在中国区域图像中，西南大片的中低云区和北方的积雪（图中青灰色区域）都清晰可见。同时拥有极轨和静止气象卫星是WMO全球观测网组成部分是全球地球综合观测系统（GEOSS）成员中国气象卫星数据开放、共享中国第二代气象卫星静止气象卫星要向大范围、高时效、高分辨发展极轨卫星向综合观测系统方向发展，实现对地球系统的同步观测要形成星座观测能力FY-3静止气象卫星:2008年5月27日实现全球、全天候、多光谱和三维定量遥感

风云三号2008年5月27日11点02分发射升空风云三号主要遥感仪器简介

红外大气探测器：以CT扫描方式测不同高度的地球大气的结构.微波大气温度（湿度）探测器：可以弥补红外大气探测器在有云区域无法探测的不足;和红外大气探测器结合共同获得全球全天候大气温度和湿度探测；微波成像仪：低频率通道可以在全天候条件下观测地球表面洪涝灾害区域,高频率通道可以在全天候条件下监测造成洪涝灾害的强对流区域,为灾害性降水预报提供极有价值信息;可以监测台风降水结构,对登陆台风降水预报提供信息。中分辨率成像光谱仪：20个光谱通道，有4个空间分辨率高达250米，扫描宽度达2300公里，每天观测全球2次，可对地球和海洋表面特性，云，辐射和气溶胶，以及辐射平衡等进行综合观测。从前所有卫星都不能比拟的。FY-3卫星的主要特点(1/3)（1）具有大气探测能力（2）观测仪器多(11种仪器)

可见光和红外扫描辐射计、红外分光计、微波温度计、微波湿度计、微波成像仪、中分辨率光谱成像仪、紫外臭氧垂直探测仪、紫外臭氧总量探测仪、地球辐射探测仪、太阳辐射监测仪、空间环境探测器(FY-1两种)。（3）光谱范围广，探测通道多，空间分辨率高

◆紫外、可见、红外、微波（FY-1仅可见和红外）◆共99个光谱通道（FY-1有10个可见和红外）◆250m分辨率(5个通道)FY-3卫星的主要特点(2/3)（4）数传信道多，传输速度高◆X、L、S三个波段（FY-1L和S）◆X波段93Mbps(DPT)18.7Mbps(MPT)◆L波段4.2Mbps(HRPT)◆S波段4096bps(遥测)2.0Kbps(遥控)

（FY-11.3308Mbps）（5）数据格式采用国际先进的CCSDS标准（FY-1无）（6）应用领域广FY-3卫星的主要特点（3/3）广州气象卫星地面站08年5月29日上午10时16分10秒接收的风云三号01星的第一幅卫星云图微波大气温度和湿度探测器臭氧总量探测仪红外大气分光计可见光/红外扫描辐射计2、风云三号01批遥感仪器(1/2)微波成像仪空间环境监测器(图略)太阳辐照度监测仪中分辨率光谱成像仪风云三号01批遥感仪器(2/2)地球辐射收支仪风云四号风云四号是中国第二代静止气象卫星，三轴稳定姿态控制，多遥感仪器工作模式。预研工作已启动参照国际研制进度，卫星研制周期约需十年为接替风云二号02批业务气象卫星，风云四号卫星研制也已启动应用系统的作用和目标促进数值天气预报的发展提高我国灾害性天气系统的监测和临近预报水平促进短期气候预测业务的发展增强对地球系统五大圈层的综合观测能力促进气象科学的发展通过改进气象服务对国民经济发展产生深远影响通过对生态与环境变化的监测和预警服务对国民经济发展产生深远影响总结和展望未来目前我国已经成为国际气象卫星大家庭中的重要成员;我国风云气象卫星已逐步形成业务化实用阶段;我国气象卫星将有较大发展,与发达国家的差距将缩小在业务和科研中应用我国气象卫星资料将达到一个新阶段第二章卫星运动规律和

气象卫星轨道

本章主要内容：1、卫星轨道参数和轨道的摄动2、气象卫星轨道的分类

2.1卫星轨道参数和轨道的摄动

1、

卫星运动的轨迹

将行星运动定律应用于人造卫星（求解卫星运动方程），可得卫星运动的三个定律（开普勒三大定律）：①

卫星的运动轨道是一圆锥截面（可以是圆、椭圆），地球位于椭圆的一个焦点上；（椭圆定律）r，卫星矢径，e，偏心率，e=c/a，a：半长轴，c：焦距P，半通经：矢径与半长轴的夹角，称真近点角轨道形状②

卫星的矢径（卫星与地心的连线）在相等的时间内，在地球周围扫过的面积相等；（面积定律）

卫星的活力公式：远地点近地点③

卫星轨道周期的平方与轨道的半长轴的立方成正比；（谐和定律）即:或者：

2、

卫星入轨的速度与轨道形状卫星的轨道形状可以是圆形或椭圆形。理论表明，卫星的轨道形状只取决于火箭把卫星送入轨道的一瞬间的速度入轨速度。1）圆轨道的条件和环绕速度当卫星的入轨速度使离心力等于地球引力时，则有：

其中Vc是卫星在不同高度上作圆轨道运动所具有的速度，称环绕速度。如卫星在地面附近水平发射，则以r＝R(地球半径)＝6370km代入式，则有

Vc＝7.912km/s这是卫星在地面入轨时所需要的最小速度，把它称为第一宇宙速度。

卫星在某高度做圆轨道运动时，除速度必须等于环绕速度外，而且要求入轨的方向必须与地面平行。如果卫星的速度大于或小于环绕速度，或入轨速度虽等于环绕速度入轨方向与地面有一定交角时，卫星将作椭圆运动。

2)卫星做椭轨道运动所需的条件

如果卫星的入轨速度进一步加大，其离心力加大到足以使卫星脱离地球引力场，即，这时对速度的要求

可见当卫星速度达到V2

时，它就成为行星，轨道也不是椭圆形，而是抛物线了。因此卫星作椭圆轨道运动的入轨速度条件：其中Cp称做抛物线速度，即11.2km/s，这个速度称第二宇宙速度，又称逃逸速度。它是地面发射一颗行星所需的最小速度。3)

如果卫星的离心力进一步增大到大于太阳引力，则卫星脱离太阳系进入银河系，其速度为16.9km/s，这就是第三宇宙速度。

3、

卫星的轨道参数1）天球坐标系中的卫星轨道参数为描述卫星在宇宙空间中的运动规律，通常采用天球坐标系描述卫星的运动。假想宇宙空间为一球，其两极与地球的极一致，但天球不随地球自转。在天球坐标(图2.1)中，取天赤道(地球赤道平面与天球相交)为基本圈，地心为中心，春分点为原点。天球上任一点的位置用赤经和赤纬δ表示，赤经以春分点为起点，反时针方向度量，以0～360度表示；赤纬以天赤道为0o，向南、向北至两极为90o在天球坐标系中，卫星的位置可以用以下几个参数(图2．2)描述：

①升交点赤经Ω：卫星由南半球飞往北半球那一段轨道称卫星轨道的升段；由北半球飞往南半球那一段卫星轨道称轨道的降段。卫星绕地球飞行一圈有半圈处在升段，另半圈处在降段。把轨道的升段与赤道平面的交点称升交点；轨道降段与赤道平面的交点称降交点。升交点的位置用赤经Ω表示，它表示了轨道平面的位置，也表示了轨道平面相对于太阳的取向。（图中ON，也称节线，轨道平面与赤道平面的交线）②倾角i：这是指卫星轨道平面与赤道平面之间的夹角，单位度。其度量是当卫星处在升段时，从赤道平面反时针旋转到轨道平面计算（与升交点一起表示了轨道平面在空间中的方位。③偏心率e：指轨道的焦距与半长轴之比。④近地点角ω：指卫星在轨道平面内升交点与近地点之间的夹角，它确定了轨道半长轴的方向。⑤半通经p

（和偏心率e一起表示了椭圆轨道的大小）2）、地理坐标中的轨道参数

在气象卫星地面接收处理、计算卫星轨道、资料定位等许多工作中常采用地理坐标系。卫星的位置用地球上的经、纬度表示，这种坐标系经度以通过英国格林威治天文台的子午线为0o，向东到180o为东经、向西到180o为西经；纬度以赤道为0o，至南北两极为90o；赤道以南为南纬，以北为北纬。这种坐标固定在地球上随地球一起转动。下面介绍几个地理坐标中的参数(图2．4)：

①星下点：是指卫星与地球中心的连线在地球表面上的交点，用地理坐标的经纬度表示。由于卫星运动和地球的自转，星下点在地球表面形成一条连续的运动轨迹，这一轨迹称为星下点轨迹；星下点轨迹是卫星轨道运动和地球自转运动的合成。②升交点和降交点：其定义与天球坐标中一样；③截距：由于卫星绕地球公转的同时，地球不停地自西向东旋转，所以当卫星绕地球转一周后，地球相对卫星转过的度数称之为截距。可见截距是两个升交点之间的经度差。④轨道数：是指卫星从这一个升交点开始后到以后任何一个升交点环绕地球运行一圈的数目。从卫星入轨到第一个升交点的轨道数为零条，以后每过一个升交点，轨道数增加1。4、卫星轨道的摄动地球形状非球形和质量不均匀产生的附加引力高层大气的气动力日、月引力太阳光辐射压力卫星的轨道参数随时间缓慢变化，和开普勒定律得出的轨道有偏离，叫做卫星轨道的摄动。

1）、由于地球椭圆形状引起的摄动

地球是一个在赤道部分有些鼓起的扁平的近似旋转椭球体，赤道鼓起部分会给卫星轨道以摄动，使得卫星的轨道平面绕地轴缓慢地转动，轨道平面的主轴也在旋转。

当i<90o，轨道平面的进动方向自东向西；当i>90o，轨道平面的进动方向自西向东。

2）、空气阻力对卫星轨道的影响阻力大小与大气密度，卫星形状和运行速度等有关。当卫星的高度较低时，这种作用不能忽视。空气阻力使卫星的动能不断损耗，轨道日益缩小，偏心率减小，卫星高度下降，轨道形状逐渐接近正圆，最后坠入稠密大气层而毁灭。3）、太阳、月球引力对卫星轨道的影响日月引力摄动因太阳和月亮对卫星引力加速度与对地球的引力加速度之差而产生。当卫星高度较高时，太阳和月球对其的引力就不可忽视，如静止卫星高度，可超过地球扁率摄动，成为主要的摄动因素。4）、太阳光压摄动阻绕地球运行的卫星受到太阳的直接辐射、地球反射的太阳辐射和地球发射出的辐射能量的作用力大小与大气密度，卫星形状和运行速度等有关。

2.2气象卫星轨道一、气象卫星轨道类型1、按地面高度划分（1）近地轨道（低轨）（2）中高轨道（3）远地轨道（高轨）2、按轨道形状划分（1）圆形轨道（2）近圆形轨道（小偏心率）（3）椭圆形轨道（大偏心率）3、按轨道倾角分类（1）前进轨道：倾角i在0-90度之间，卫星顺地球自转方向运动。（2）赤道轨道：倾角i为0或180度，卫星在赤道上空向东或向西运行。（3）后退轨道：倾角i在90-180度之间，卫星逆地球自转方向运行。（可实现太阳同步卫星轨道）（4）极地轨道：当卫星倾角为90度，卫星通过南北两极。卫星的倾角不同，观测范围也不同。如果只对热带地区观测，可以选择较小倾角的轨道；如果要观测极地区域，则要取倾角较大的卫星轨道。二、近极地太阳同步卫星轨道太阳同步卫星轨道：指卫星的轨道平面与太阳始终保持固定的取向，由于卫星的轨道倾角接近90度，卫星几乎通过极地，故又称为近极地太阳同步卫星轨道。简称极地轨道太阳同步卫星轨道的实现：太阳同步卫星轨道的优缺点：三、地球静止卫星轨道地球同步静止卫星轨道：卫星的倾角等于0，赤道平面与轨道平面重合，则卫星在赤道上空运行；又若卫星的周期正好等于地球自转周期，卫星公转方向与地球自转方向相同，则称之为地球同步轨道。又称为地球静止卫星轨道。这种轨道上的卫星称为静止卫星。静止卫星的轨道参数：地球静止卫星轨道的实现：地球静止卫星轨道的优缺点：全球卫星观测系统

气象卫星姿态的稳定性

1、卫星的姿态轨道上卫星的纵轴在空间相对于轨道平面、地球表面和任何固定坐标系的取向。它决定着卫星观测仪器对准地球表面的形式

2、卫星姿态不稳定对观测资料的影响：对图片定位的影响：对测量云迹风的影响：

3、卫星姿态稳定的方式：

1.自旋稳定：

2.三轴定向稳定：

3.重力梯度稳定气象卫星基本知识复习题：1、气象卫星的观测特点？2、什么是卫星的倾角？星下点？……3、何谓前进轨道，后退轨道？4、什么叫近极地太阳同步卫星？实现太阳同步的条件？5、什么是地球同步卫星？高度和运行周期？第三章卫星遥感辐射基础

本章主要内容：1.辐射的基本知识2.大气辐射传输方程－卫星探测大气的理论基础3.气象卫星遥感的基本原理掌握重点：辐射的基本概念、黑体辐射定律和大气窗区

气象卫星遥感地球大气的温度、湿度、云雨演变等气象要素是通过探测地球大气系统发射或反射的电磁波而实现的，因此，电磁辐射是气象卫星遥感的基础。1、电磁波谱和辐射度量2、辐射基本定律3、大气的选择吸收性第一节辐射的基本知识1、电磁波谱和辐射度量辐射：以电磁波的形式传输能量的现象以及传输的能量本身叫做辐射。辐射是能量传输的一种重要机制，不需要通过任何介质进行传输。电磁波：不断做周期变化的电磁场在空间中传输，电磁波的传输方向分别垂直于电场强度矢量和磁感应强度矢量的方向。电磁波性质一般以波长λ,频率f或波数ν来表示（P53）3.1辐射的基本知识一、电磁波谱按波长和频率排列的电磁波叫做电磁波谱。电磁波的频率很宽，不同频率电磁波有不同的性质和用途，对气象卫星有用的是可见光、红外和微波波段。宇宙射线X射线可见光红外微波无线电波Γ射线紫外10－1010－9

10－8

10－7

10－610－5

10－4

10－3

10－2

10－1100

101

102

103

104

105

106

107

108

109

10101μm1cm电磁波谱（波长单位为μm）电子跃迁可见光宇宙射线r射线紫外线X射线

可见光红外线亚毫米波毫米波厘米波分米波微波超短波短波中波长波无线电波迟缓电振荡光谱区1nm1m1cm1m波长310223102031018310163101431012310103108310631043102频率(Hz)近红外中红外远红外1.515750m

紫蓝青绿黄橙红0.400.430.450.500.570.600.630.76微米分子振动转动电离电磁振荡太阳地球大气辐射产生机制（1）、电磁波段的划分▲

r射线：波长10-11—10-4nm，生成：放射性元素蜕变，特征：几兆电子伏特。

x射线：波长10-5—0.0045m，生成：原子内部的电子从激发态恢复到稳态，特征：波长短，频率高能穿透密度很大的物质。紫外线：波长10-5—0.35

m，生成：原子和分子内部的电子状态改变，特征：频率较高，各种物质对短的紫外线有吸收。可见光：波长0.35

—0.76

m，生成：原子内部的电子状态，特征：对人眼有特殊的刺激。红外线：波长0.76

—1000

m，生成：分子、原子的振动转动，特征：与温度有关。微波：波长：1mm

—30cm。大于30厘米的波称无线电波。▲▲▲▲▲电磁波段除了以上按照波长的划分，电磁波谱段可以按使用目的划分……

或按吸收物质划分，如将水汽吸收谱段称为水汽带，二氧化碳吸收谱段称为二氧化碳吸收带。（图3.8）（2）、电磁波参数

参数：波长波数（1厘米长度内含有的波数）

f频率c光速=31010厘米/秒。

c

=f波在真空中的速度。n=/n波在介质的波长。V=fn

波在介质中的速度。

n=（r/r）1/2介质折射指数。r介电常数,r导磁率。关系：f=cf=C/=c/f=1/=f/c单位：1千兆赫（GHz）=103兆赫（MHz）

=106千赫（KHz）

=109赫（Hz）

1米(m)=102厘米（cm）=103毫米（mm）=106微米（m）

=109纳米（nm）从量子的观点看，电磁辐射可以看作是一粒一粒以光速c运动的粒子流，这些粒子称为光量子，每一光量子具有的能量为

ΔE能量，h普朗克常数。电磁辐射看成是粒子，就一定有质量m和动量p。

m=Q/c2=hf/c2

p=mc=h/=hf/c电磁辐射既有波动特性，也有粒子特性。

（3）、电磁波的量子特性

按量子理论，电磁辐射的发射或吸收是由于物质内原子或分子的能量状态发生改变引起的。即：*物质中原子的状态由高能级Ej跃迁到低能级Ei发射辐射；*物质中原子的状态由低能级Ei跃迁到高能级Ej吸收辐射；则发射或吸收辐射时光量子的频率为

电磁辐射既有波动特性，也有粒子特性波长较长的可见光、红外线波动性明显；波长较短的γ射线、Χ射线粒子性表现明显。电磁辐射在空间传播时表现出波动特性；电磁辐射的吸收和发射时，显示出粒子的性质。

例：以一个质子和一个电子组成的H2为例：关于原子振子的能量有两个性质：

1）

原子振子的能量形式不是随意的，而是只能具有下列形式：

其中n只能是整数，说明能量是不连续的，而是分等级的。

2）

振子不能连续地辐射能量，只能以阶跃或量子形式辐射能量，辐射的能量是：一般

因为原子或分子的能态之间的能量差是一定的，要产生能量的跃迁必须有选择性（对f）。

在电磁波与气体分子或原子相互作用时，把分子或原子激发到较高能级，在激发过程中波的全部或部分能量传递给分子或原子；反之，则以电磁波形式放射出能量。由于气体分子的能级是确定的，而且是不连续的，所以电磁波与分子的相互作用只能出现在特定的频率下，这种现象沿波数的分布就构成了谱线。气体分子能态跃迁的基本形态有：①不同轨道的电子跃迁构成电子能级；②分子不同的振动模式构成振动能级；③分子绕不同轴转动对应转动能级；转动能级是最低能级，中间为振动能级，最高为电子能级。即：

即分子动能由电子绕原子核运动的能量、原子在平衡位置上的振动能量、分子转动能量组成。

（变化量或能级的变化）从可以得到分子吸收或发射光量子时，能级发生变化所对应的波数：

这样可以从能级变化大小来估计中心波数的位置，也可以判断电子能级、振动能级和转动能级所在的波段：

能量跃迁EeEvEr

能量差（eV）1-200.05-1<0.1

吸收线中心波数8064-1612903-8064<806

吸收线中心波长0.06-1.241.24-25>12.4

紫外、可见光中红外波段热红外波段近红外波段（电子能级跃迁）（振动能级跃迁）(转动能级跃迁）跃迁能级与波段的联系

分子在振动能级跃迁的同时可能产生转动能级的跃迁，这时吸收线的中心波数为：

由于，因而转动跃迁表现在谱线上是振动吸收线附近产生一系列吸收线，组成一个吸收带，这种谱线的精细结构只有在高分辨率条件下才能看出来。二、基本辐射量（P55）1、辐射能Q:

物体发射电磁波辐射所具有的全部能量。单位：焦耳（J）2、辐射通量Φ：指单位时间通过某一表面的辐射能――辐射能传递的速率。单位：焦耳/秒（J/S）

3、辐射通量密度F：通过单位面积的辐射通量。单位:焦耳/米2.秒（J.m-2.s-1）

F=Φ/A或F=ӘΦ

/ӘA对于一个被照射的表面或发射的表面，还可以使用以下定义：

a)

辐照度（E）：投影到一表面上的辐射通量密度。

b)

出射度：辐射体表面发射出的辐射通量密度。4、辐射强度I：对于点辐射源在某一方向上单位立体角内的辐射通量。单位:瓦/球面度（W/Sr）

如果点源是各向同性的，则辐射强度：

5、

辐射率或辐射亮度：一个面辐射源在单位时间内通过垂直面元的法线方向上单位面积、单位立体角的辐射能，即：

在多数情况下，辐射传播方向与面元的法线方向不一致，若它们之间夹角为θ，则该方向的辐射亮度写成：其中：，立体角。如果面元辐射率与方向无关，则称是各向同性的，这样的源称为朗伯源。立体角（solidangle）:由一锥面围成的立体空间，立体角用以锥顶点为中心，半径为1的球面被锥面所截得球面来表示，其单位为立体弧度（Sr）。另一种定义：面积为d的球状表面所张的立体角等于该面积除以球半径的平方：

一个锥面所围成的空间部分称为“立体角”。立体角是以锥的顶点为心，半径为1的球面被锥面所截得的面积来度量的，度量单位称为“立体弧度”，“球面度”。在平面上，定义一段弧微分S与其矢量半径r的比值为其对应的圆心角，记作：θ=ds/r；所以整个圆周对应的圆心角就是2π；

类似，定义立体角为曲面上面积微元ds与其矢量半径的二次方的比值为此面微元对应的立体角，记作：

θ=ds/r2；由此可得，闭合曲面的立体角都是4π三、辐射的吸收、反射和透射设Q为入射到介质的总辐射能量，Qa是介质对辐射能的吸收，Qt是透过介质的辐射能量，Qr为被介质反射的辐射能量，则有关系：

定义：则a+r+t=1。实际上，a，t，r都与波长有关，是波长的函数，那么考虑到入射辐射的光谱分布，a，t，r可以分别写为：

（a）不同种类作物和裸地的反照率（b）作物覆盖率和生物量对反照率的影响0.61.42.02.4波长m反射率%

图3-6雪的反射特性曲线作物在生长和衰老期间光谱变化清水的吸收系数从可见光到中红外小麦叶子的反射光谱2、辐射基本定律首先了解（P62）辐射体和辐射平衡的几个基本概念根据物体的吸收或发射能力，将物体（辐射体）分为三类：黑体灰体选择性辐射体

辐射基本概念1黑体：在任何温度下，对任意方向和任意波长的辐射的吸收率或发射率都等于1。2灰体：如果物体的吸收率与波长无关，且为小于1的常数，即a()=常数<1，则这种物体称为灰体。3选择性灰体：物体的吸收率（或发射率）随波长而变，即a=a()，则这种物体称为选择性辐射体。（自然界绝大多数物体是选择性辐射体）。如果在某些波长范围内，吸收率随波长变化很小，则可近似看成灰体。如果在某些波长范围内，吸收率近似于1，则可把物体在这波段内看成黑体。

4发射率：辐射体的辐射通量密度M’与具有同一温度的黑体的辐射通量密度M的比值，即5辐射平衡和局地热力平衡:辐射平衡：指一个物体在某一温度从外界得到的辐射能量正好等于本身热辐射而失去的能量，使物体温度保持不变的辐射过程。也称平衡热辐射局地热力平衡：设想大气中存在这样的状态，气体的每一个体积元量犹如处在热力平衡状态中（对这个体积温度而言）。这样的平衡称局地热力平衡。实际大气中，50KM以下可认为处在局地热力平衡。辐射基本定律1基尔霍夫（Kirchhoff）定律在同样的温度下，各种不同物体对相同波长的单色辐出度与单色吸收比之比值相等，并等于该温度下黑体对同一波长的单色辐出度：

Mλ,T/aλ,T=M(λ,T)(黑体）意义:1、一物体在一定温度下发射某一波长的辐射，则该物体在同一温度下吸收这种波长的辐射。2、一个良好的吸收体，在同一温度下、相同波长处，也一定是一个良好的发射体；反之亦然。黑体：吸收能力和发射能力均为最大，对所有波长有

aλ=ελ1灰体：对所有波长

aλ=ελ1选择性黑体：对某些波长

aλ=ελ=

12普朗克（Planck）定律（黑体辐射方程）表示黑体辐射强度与波长λ及温度T的关系，其数学关系式为普朗克从理论上推导出来：

普朗克函数将发射的单色强度与物质的温度和频率联系起来；黑体的辐射强度随温度的升高而增大，但最大辐射强度的波长却又随温度的升高而减小。由普朗克定律可以得出：1.温度越高，黑体的全辐射能力越大；2.温度越高，最大单色（或分谱）的辐射能力对应的波长越小3.太阳近似于6000K的黑体，最大辐射波长为0.474us，在0.15-4us的范围，辐射能占太阳全部辐射能量的99%4.地球近似于300K的黑体，最大辐射波长为10us，在3-80us的范围，辐射能占地球全部辐射能量的99%；5.对流层顶近似于200K的黑体，最大辐射波长为14.5us，在4-120us的范围，辐射能占对流层顶全部辐射能量的99%3斯蒂芬－－玻尔兹曼定律

对于普朗克公式，对整个波长范围积分，得黑体总辐射强度：由于黑体辐射是各向同性的，得黑体发射的通量密度：―斯蒂芬－玻尔兹曼常数：5.6710-8Wm-2.K-4。物理含义：黑体的全波长辐射本领与温度的四次方成正比。由玻尔兹曼公式根据辐射通量密度推算的温度叫等效黑体温度TBB或亮度温度，卫星云图的不同亮度等级表示不同的亮度温度

4Wien定律：物体温度越高，发出最大能量的波长越偏向短波。求辐射率最大时的波长位置，即普朗克函数对波长微分等于零得对太阳，T=6000K，；对地球，T=300K，；这一定律解释了很多物理现象，如电阻丝加热过程从红光到白光的过程。

λ

从0.01到10cm与各个发射温度对应的黑体辐射能斜直线表示最大能量的位置（即维恩定律）每一条曲线都有一个极大值，随着温度的升高，黑体辐射能迅速增大，并且曲线的极大值逐渐向短波方向移动5.辐射体的温度：从黑体辐射定律知道，物体的辐射量与温度有关。对于一定的温度，就有一定的辐射光谱分布；反之，对于一定的辐射光谱分布，可以求取物体的温度。但是实际物体并非都是黑体，在实际应用中，须考虑辐射率的影响，为方便定义几种不同的温度：有效温度（Te）：如果温度为T的物体的出射度为M(T)，又设想M’(Te)为黑体发出的，即：M(T)=M’(Te)，则黑体的温度Te称为该物体的有效温度根据斯蒂芬-波尔兹曼定律得：

Te=[M(T)/]1/4由于物体的比辐射率小于1，所以

T

Te

色温度（Tc）：如果物体的辐射光谱分布与温度为Tc的黑体的辐射光谱分布相一致，则Tc称为该物体的色温度亮度温度（Tb）：在给定波长处，如果物体的辐射亮度L（T）与温度为Tb的黑体辐射亮度相等，即Lλ（T）=Bλ（Tb）则称Tb为该物体的亮度温度。根据普朗克公式亮度温度（Tb）又称等效黑体温度或辐射温度。由于

Bλ（T）Lλ（T）

=Bλ（Tb），所以TbT。可得第二节卫星探测大气的理论基础一、太阳和地-气辐射系统二、辐射在大气中的传输一、太阳和地-气系统辐射1、太阳辐射太阳：6000K火球，直径139.14万公里，是地球的104倍；日地平均距离d0=1.495×108公里。太阳辐射用太阳常数、太阳光谱(在大气顶处、在地面处）来描述。▲

太阳常数：到达地球大气顶的太阳辐射通量密度s0=1353瓦/米2，估计误差为21瓦/米2。由太阳常数可以计算单位时间内太阳辐射的总能量为一、太阳和地-气系统辐射1、太阳辐射能量平衡：到达地球大气顶的太阳辐射通过大气时，大约

35%被地球、大气、云层反射

17%被大气吸收

47%到达地面、被地表吸收▲太阳光谱：

太阳辐射能主要集中在0.3-3.0微米，辐射最大值位于0.47微米,色温度Tc

。

1/4能量在波长0.47微米的谱段内，

46%的能量在0.40—0.76的可见光波段。假设太阳是理想的黑体，则可由斯蒂芬-波尔兹曼定律和维恩位移公式计算出太阳的有效温度Te:▲太阳吸收光谱（如图）：该光谱与5900K的黑体辐射光谱有明显差异，存在许多由大气中的臭氧、氧、水汽、二氧化碳及尘埃等物质选择性吸收作用造成的吸收线和吸收带。1、O3吸收：主要位于紫外光0.2-0.3m0.29m；0.32-0.36m；可见光0.6和4.75m。2、O2吸收：紫外、可见光。3、H2O吸收：0.7m；0.7—0.8m4、CO2吸收：3.5m1.地面土壤粒子结构、土壤水分对反照率的影响2、植被、冰雪、水体的反照率3、反照率随波长的变化图3-4三种不同含水量砂土的光谱反射曲线反射率%波长m0—4%5—12%22—32%波长m叶子反射率、水吸收率%叶子反射率水吸收率0.51.31.92.5图3-5叶子反射率、水吸收率的反相关系不同覆盖物的反照率随波长的变化地面及其覆盖物对太阳辐射

的反射：（a）不同种类作物和裸地的反照率（b）作物覆盖率和生物量对反照率的影响0.61.42.02.4波长m反射率%

图3-6雪的反射特性曲线作物在生长和衰老期间光谱变化清水的吸收系数从可见光到中红外小麦叶子的反射光谱0.4-0.7微米不同叶绿素浓度的海水返照率0.5~1.0微米波段天然清水和混水的反照率0.5~2.5微米不同土壤湿度下含沙壤土的反射率0.4~2.6微米小麦叶子在不同生长期的反射率

假设单层云层的反照率和透过率都是50%。考虑二次反射后从第一层反射的能量占原来入射能量的62.5%。因而多层云的反照率较高。入射辐射LR1=L/2T1=L/2T2=L/4R2=L/4T3=L/8R1+T3=5L/8R3=L/8图3-7多层云对太阳辐射的反射反射、透射、吸收%反射透过吸收云厚（米）100806040200010100100010000云厚（米）透过率（％）°°°°°°°°60050040030020010000102030405060708090°°°°••••••°高层云

•层云图３－８云层反照率、吸收率和透过率的关系（ａ）（ｂ）云层的反照率2、地球-大气系统辐射光谱地球—大气系统发出的辐射主要是红外辐射。对于>2.5m的红外波段，物体近似黑体，比辐射率近似等于1，由黑体定律计算地球—大气系统平均温度。如果到达地球并被其吸收的太阳辐射为（1-rS）

R2s0rS行星平均反照率，R地球半径，s0太阳常数。地球大气吸收这些辐射后全部转化为红外辐射向外空发射，其出射度为由斯蒂芬-波尔兹曼定律（M=T4），rS=0.28，s0=1353瓦·米-2，=5.6710-8瓦·米-4·开-4代入，得接近实际大气的平均温度，可以把地球-大气系统近似看作平均温度为256K的黑体。地球—大气系统发出的辐射能的95%集中在4—120m的波段，最大辐射波长约在10m附近。在3—5m与太阳辐射光谱有重叠。

大气对地球-大气辐射的吸收地球-大气辐射在大气中传输时，受大气吸收和散射的影响。但当>3m时，雷利散射很小，可忽略。所以造成地球-大气辐射能衰减的主要原因是大气气体的吸收。

成分体积混合比（%）混合比特征

强吸收位置（m）

次强吸收位置（m）氧和氮99常数不吸收不吸收H2O1.0—0.01可变1.4，1.9，2.7，6.3，13.00.9，1.1CO20.033常数2.7，4.3，14.71.4，1.6，2.0，5.0，9.4，10.4O310-6可变4.7，9.6，14.13.3，3.6，5.7N2O2.4—3.0×10-5可变4.5，7.83.9，4.1，9.6，17.0CH41.4—1.6×10-4可变3.3，3.8，7.7CO1.3—1.9×10-5可变4.72.3表3-1大气气体的吸收谱带

太阳或地球-大气的辐射在大气中传输时被大气中的3、大气窗和大气吸收带某种气体所吸收。吸收随波长变化很大，在一些波段吸收很强，在另一些波段吸收很弱或没有吸收。对辐射吸收很强的波段就称为该气体的吸收带；吸收很弱或没有吸收的波段称为大气窗（因为这些波段的辐射可以象光通过窗户那样透过大气）。谱段紫外与可见（m）近红外（m）红外（m）远红外（m）微波（mm）波长0.30—0.750.77—0.911.0—1.121.19—1.341.55—1.752.05—2.463.5—4.14.5—5.08.0—9.110.2—12.417.0—22.02.06—2.223.0—3.757.5—11.520—30表3-2大气窗区各波段

辐射与大气和地表之间的相互作用表现为辐射的发射、吸收和反射，这为卫星遥感地表和大气提供了大量的信息。例如卫星在大气窗区波段可以测量地面、云层反射或发射的辐射，从而可以得到地表、云面的反射特性或温度分布；卫星在吸收带测量，可以得到大气温度和成分。根据测量的目的，卫星选择不同的波长间隔进行测量，这种波长间隔称做通道。为更多地获取地面、云层和大气信息，目前卫星测量使用的通道很多。4、大气窗和大气吸收带在遥感中的应用表3-3卫星测量使用的波段通道（波段）（m）光谱名称

用途0.2—4反射太阳辐射99%，太阳辐射总量5—30长波辐射85%，地球—大气发射到宇宙的长波辐射—气辐射收支0.475—0.575蓝、绿地表、地下水特征，干燥、岩石、土壤0.58—0.68黄、红白天云分布，植物生长、水污染、地形等0.6—0.7橙透射水体，水混浊度海洋泥沙流大河悬浮陆地冰川沙漠地植物生长0.7—0.8红对水体、湿地反映清楚，土壤湿度，植物病虫、生长0.725—1.10近红外白天云分布，水陆边界，水体分布，土壤湿度，植物生长3.4—4.2短波红外十分透明对温度灵敏，测量海面测温，云分布，白天除太阳干扰5.7—7.1水吸收带大气层对流层中上部水气含量10.5—12.5大气窗红外云图，云参数，海面温度和降水13—15CO2吸收带大气温度垂直分布二、辐射在大气中的传输与卫星接收到的辐射气象卫星接收到的辐射包括：

①地面和云面发射的红外辐射

②地面和云面反射的太阳辐射

③地面和云面反射的大气向下的红外辐射

④大气各成分发射的红外辐射

⑤大气对太阳辐射的散射辐射图3-11卫星上接收的辐射辐射在介质中的传输

在红外波段，散射辐射很小、忽略。（1）小气柱吸收的辐射（、T、p）L（z）dA=1dzL（z+dz）图3-9小气柱介质辐射1、红外辐射在大气中的传输dL1因介质吸收引起辐射的改变量，k（z）质量吸收系数，（z）吸收介质的密度。常称(z)=k（z）（z）为体积吸收系数。a(z)=(z)dz为吸收率。（2）小气柱发射的辐射

dL2因介质发射引起辐射的改变量，j（z）介质的质量发射率。在局地地热力平衡条件下j

=kB（T）所以，辐射的总增量为故B（T）普朗克辐射，T小气柱温度。分层平行大气中的辐射传输图3-10平行大气中辐射传输dIzI地面

假定大气是水平平行均匀分层的，Z为垂直方向，在任意方向I的辐射传输方程式中dL（z，）是天顶角为方向上dz气层内辐射的改变量，使用气象上习惯的P坐标，根据静力方程Z干空气密度，g重力加速度，（z）z高度空气密度q（p）空气混合比不难看出此式一阶线性常微分方程。*(-1)

令其导数为将以上二式代入上面一阶线性常微分方程，并采用缩写符号，得dL+Ld=d（L）=Bd注意，L是，p，的函数，对上式从地面到任一高度（p0—p）积分得由于L（P0

）=SB[T（P0）]，且当P0时（P，）1，故上式可写成*(-1)红外辐射在大气中的传输方程的物理意义（卫星接收到的辐射）：

在红外波段到达卫星的辐射L（）由两部分组成：

（1）地面辐射项：表示从地面发射的辐射透过大气层进入空间的辐射。（2）大气辐射项：表示从地面到大气顶整层气体发出并能进入空间的辐射。

()][0pTBslle()),(][00qtelllppTBs卫星在红外波段接收地-气系统发射辐射的表达式，即红外辐射在大气中的传输方程。P126方程(3.341)，卫星遥感探测大气温度的基本方程若用窗区探测，则有：即：先由所测得的辐射用普朗克公式算出等价黑体温度，再经大气削弱订正可求得表面温度Ts若用CO2吸收带探测，由于

，

方程右侧第一项为零，则有：第一类Fredholm积分方程。垂直温度的反演问题十分复杂dp

Lλ(θ）=Lλ(P0,θ)τλ(P0,θ)2、地面和云面反射的大气向下的红外辐射T(∞)≈2.9K≈0KLλ(θ）=(rsλ/π)Bλ(T日)τλ(θ日)*τλ(θs)ω日cos（θ日）3、地面和云面反射的太阳辐射L（zh）321L（z1）zzhz10图3-12有云