新大遥感地学分析课件第8章 大气遥感

第8章大气遥感主要内容8.1大气的特征8.1.1大气成分组成8.1.2大气的物理特性8.2大气遥感原理8.2.1大气遥感的物理基础8.2.2电磁波辐射传输特征一、太阳辐射传输特征二、微波辐射传输特征8.3大气遥感监测8.3.1大气参数的垂直分布探测8.3.2大气污染遥感监测8.1.1大气成分组成干洁大气水汽大气气溶胶其他干洁大气干洁大气：通常把除水汽以外的纯净大气称为干洁大气，简称干空气。干洁大气由多种气体混合组成，按照各成分在大气中的浓度，可分为主要成分、微量成分和痕量成分三部分。主要成分一般指N2、O2、Ar(氩气)及CO2

气体相对分子质量体积百分比质量百分比浓度/(μg.m-3)同位素平均停留时间/年准定常成分N228.013478.08475.529.76×10814N99.635%15N0.365%约106O231.998820.94823.152.98×10816O99.759%17O0.0374%18O0.2039%约5×103Ar39.9480.9341.281.66×10740Ar99.600%38Ar0.063%36Ar0.337%约107可变成分CO244.00990.0330.05(4~8)×l0512C98.9%l3C1.1%14C2×10－10%5~6低层（对流层内）大气的主要成分

水汽水汽在大气中所占的比例很小，仅0.1%~3%，却是大气中最活跃的成分

来源主要是海洋表面的蒸发

水（水汽）循环过程大气气溶胶气溶胶的原来含义是指悬浮在气体中的固体和（或）液体微粒与气体载体组成的多相体系习惯上“大气气溶胶”就是指大气中悬浮着的各种固体和液体粒子按尺度大小将气溶胶粒子分成三类：爱根核（半径r<0.1μm）、大粒子（0.1μm<r<1μm）和巨粒子（r>1μm）。此外，大气中还有大、小离子，小离子是分子或原子失去电子或捕获电子后形成的，它的半径小于0.005μm，大离子则相当于爱根核的尺度。气溶胶粒子浓度分布影响因素在不同地方，气溶胶粒子的浓度分布不一样的。受地理位置、地形、地表性质、人类居住情况、距污染源的远近程度及气象条件的影响气溶胶粒子的尺度分布

标准大气气溶胶数密度随高度的分布

8.1.2大气的物理特性大气分层气压和大气密度大气湿度大气分层大气在水平方向比较均匀，而在垂直方向呈明显的层状分布按大气的热力性质、电离状况、大气组分等特征分成若干层次按中性成分的热力结构，把大气分成对流层、平流层、中间层、热层和逸散层；按大气的化学成分，把大气分为均质层和非均质层；按大气的电磁特性，分为电离层和磁层；按大气的压力结构，在高空500km以上直到2000~3000km的大气层称为外大气层或逸散层，由该层逐渐过渡到行星际空间，逸散层以下称为气压层。根据大气热力结构，即根据大气中温度随高度的垂直分布特征，把大气分为对流层、平流层，中间层，热层和逸散层（或外层）等五层。大气圈的层状结构气压和大气密度大气压力：指单位面积上直至大气上界整个空气柱的质量大气密度：单位容积的大气质量它们的分布和变化与大气运动及天气状况有密切关系大气湿度常用表示量：水汽压：表示大气中的水汽分压强，单位取毫巴；绝对湿度：表示单位体积大气中所含水汽质量，即水汽密度，单位为克／米3（或克／厘米3）；比湿q：表示同体积大气中水汽质量与湿空气质量之比，单位为克／千克（或克／克）；混合比sh：表示同体积大气中水汽质量与干空气质量之比，单位为克／千克（或克／克）；相对湿度f：表示空气中水汽压与同温度下饱和水汽压E之比，单位为毫巴/毫巴；露点温度T：是将水汽压为e的水汽,等压冷却到饱和时的温度。8.2大气遥感原理8.2.1大气遥感的物理基础8.2.2电磁波辐射传输特征太阳辐射传输特征微波辐射传输特征8.2.1大气遥感的物理基础大气遥感：在一定距离以外测定某处大气的成分、运动状态和气象要素值的探测方法和技术。气象雷达和气象卫星等都属于大气遥感的范畴。8.2.1大气遥感的物理基础

大气遥感可分为被动式大气遥感和主动式大气遥感被动式大气遥感：它是利用大气本身发射的辐射或其他自然辐射源发射的辐射同大气相互作用的物理效应，进行大气探测的方法和技术主动式大气遥感：它是由人采用多种手段向大气发射各种频率的高功率的波信号，然后接收、分析并显示被大气反射回来的回波信号，从中提取大气成分和气象要素的信息方法和技术8.2.1大气遥感的物理基础电磁辐射与大气的相互作用主要有三种方式：散射、吸收和透射其作用强度取决于大气的物质成分、结构和通过大气时的路程长短大气的传输特性电磁波穿过大气时，会被大气衰减，若入射强度为I0，经过大气的路程为x，则通过该大气路程后的辐射强度为Ir，则有式中:为衰减系数或消光系数。根据透射率定义，有式中：主要包括大气散射系数和吸收系数k,即

和用在不同的场合，一般在研究大气本身的性质时用衰减系数，而将大气作为介质，研究地面物体时用透射率。大气对电磁波的影响主要是散射和吸收。散射

散射是指电磁辐射与结构不均匀的物体作用后，产生的次级辐射无干涉抵消，而是向各个方向传播的现象，它实质是反射、折射和衍射的综合反映。散射主要发生在可见光波段．其性质和强度取决于大气中分子或微粒的半径r与被散射光的波长λ二者之间的相互对比关系。散射的类型散射能力的大小常用散射系数来表达a.瑞利散射。当λ＜＜r，发生的散射称瑞利散射．它的散射强度与入射辐射波长的四次方成反比其中：γ为散射系数，λ为波长入射辐射的波长短，辐射能力愈强

散射的类型b.米氏散射。当λ=r时，发生的散射称米氏散射，其散射程度约与波长的二次方成反比。散射的类型c.粗粒散射。当λ＜＜r时，发生的散射称粗粒散射，其散射强度与波长无关，是非选择性散射。大气中的液、固态水和固体杂质r＞1μm，都大于可见光的波长(λ＜r)，因此它们对可见光散射出的辐射呈白色．如云、雾等呈白色即是这个原因。吸收吸收电磁辐射是物质的普通性质，是指电磁辐射与物体作用后，转化为物体的内能。根据吸收的强弱和随波长的变化，吸收分为两种：a.一般吸收。在电磁辐射的整个波段内都有吸收．且吸收率随波长的变化几乎不变的吸收。b.选择吸收。在一些波段上吸收很大．而一些波段上吸收很少，即吸收率随波长的变化有急剧变化的吸收。朗伯定律电磁辐射通过介质时，由于介质的吸收作用。强度必然衰减，减弱强度用朗伯定律表示式中:k为吸收系数；I0为入射辐射强度；I为吸收后的强度；x为吸收层厚度。吸收系数k是波长的函数，在一般吸收的波段内,k近似于常数，在选择吸收的波段内,k随波长不同有显著变化；吸收系数k愈大．辐射破吸收的愈强列。大气对电磁辐射的吸收a.水汽(H2O)吸收。水汽对电磁辐射的吸收最为显著，其吸收带集中在中红外波段，实验表明液态和固态水比汽态水具更强的吸收能力。水汽吸收带很多，归纳起来为：（1）2个宽的强吸收带：波长为2.27～3.57μm和4.9～7.8μm。（2）2个窄的强吸收带：其中心波长分别为1.38μm、1.86μm。（3）1个弱的窄吸收带：波长0.7～1.23μm。臭氧和氧气吸收b.臭氧(O3)吸收。臭氧吸收集中在紫外波段，对波长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带。c.氧气(O2)吸收。氧气对电磁辐射的吸收发生在小于0.2μm、0.69μm、0.76μm几处，但都很弱。二氧化碳吸收d.二氧化碳(CO2)吸收。CO2对电磁辐射的吸收主要发生在大于2μm的红外波段。（1）1个宽的吸收带：波长大于13μm的超远红外线几乎全被吸收受。（2）个窄的强吸收带：2.6～2.8μm和4.1～4.45μm。此外，尘埃、水滴、N2O、CO等也对电磁辐射有所吸收。大气透射透射是指电磁辐射与介质作用后，产生次级辐射扣部分原入射辐射穿过该介质，到达另一种介质的现象或过程，一般用透射率τ来表示透射能力，τ=透射能量／入射能量。大气窗口大气窗口是指大气对电磁辐射的吸收和散射都很小，而透射率很高的波段，换句话说，就是电磁辐射在大气中传输损耗很小，能透过大气的电磁波段。电磁波谱上的大气窗口如下图

大气窗口0.3～1.3μm，即紫外、可见光、近红外波段。这一波段是摄影成像的最佳波段，也是许多卫星传感器扫描成像的常用波段。比如，Landsat卫星的TM的1～4波段，SPOT卫星的HRV波段等。大气窗口1.5～1.8μm，2.0～3.5μm，即近、中红外波段，在白天日照条件好的时候扫描成像常用这些波段，比如TM的5、7波段等用以探测植物含水量以及云、雪或用于地质制图等。大气窗口3.5～5.5μm，即中红外波段，物体的热辐射较强。这一区间除了地面物体反射光谱反射太阳辐射外，地面物体也有自身的发射能量。比如，NOAA卫星的AVHRR传感器用3.55～3.93μm探测海面温度，获得昼夜云图。大气窗口8～14μm，即远红外波段。主要来自物体热辐射的能量，适于夜间成像，测量探测目标的地物温度大气窗口0.8～2.5cm，即微波波段，由于微波穿云透雾的能力，这一区间可以全天候工作。而且由其他窗口区间的被动遥感工作方式过渡到主动遥感的工作方式。如侧视雷达影像，Radarsat的卫星雷达影像等。其常用的波段为0.8cm，3crn，5cm，10cm，有时也可将该窗口扩展为0.05cm至300cm波段大气微波辐射特性

大气微波辐射主要来自氧气、水汽和臭氧等气体成分，其次是云、雨、雪、雹、尘埃和其他气体成分。此外，大气中的某些微量气体和污染气体(如硫化氢、二氧化硫、一氧化氮和一氧化碳等)也有很弱的微波辐射大气微波辐射特性大气微波辐射的持征可以用大气吸收谱来描述。大气氧分子的微波吸收氧分子5毫米吸收带氧分子2.53毫米吸收线大气微波辐射特性水汽的微波吸收水汽1.348厘米吸收带水汽0.164厘米吸收带大气微波辐射特性臭氧和其他大气分子及污染气体成分的微波吸收特征臭氧（O3）二氧化硫（SO2）二氧化氮（NO2）氨（NH3）硫化氢（H2S）一氧化碳（CO）云雾的微波辐射特征它们对大气的微波吸收和发射过程起着积极的作用。研究云雾降水的微波辐射特征是大气微波辐射中的一个重要课题。在微波遥感中，我们还必须在考察云和降水本身的微波辐射的同时，利用它们的辐射特征，探测云和降水的物理结构。降水的微波辐射特征球形雨滴的微波辐射雨滴谱的微波辐射8.3大气遥感监测8.3.1大气参数的垂直分布探测8.3.2大气成分监测8.3.1大气参数的垂直分布探测大气温度和湿度探测卫星云迹风探测大气温度和湿度探测在地球大气的各种气体成分中，与电磁辐射发生相互作用的主要气体是二氧化碳（CO2）、水汽和臭氧（O3）。下图给出了大气成分在1.0~16μm波段范围内对电磁辐射的吸收带分布大气温度和湿度探测气体具有吸收某一光谱范围的辐射，同时又以本身状态发射同一光谱范围辐射的特性。所以，在弱吸收光谱区，表面辐射被近地面层大气吸收，同时又从大气低层以自身温度发射同一波段的辐射到太空。大气温度和湿度探测在强吸收光谱区，当辐射通过大气时，表面辐射经过一个吸收和放射过程，到达太空的强吸收光谱区的辐射基本上来自于大气比较高的层次。在中等强度的吸收光谱区内，有效辐射层位于大气层的中间高度。因此，卫星在一个吸收带的中央（强吸收区）和两翼（相对弱的吸收区）选择若干个光谱带进行观测，就可以得到大气不同高度的热状态，进而得到大气温度的垂直分布。大气温度和湿度探测至今为止，利用气象卫星探测大气温、温度分布的工作已经开展了近30年，取得了长足的进步。但存在一个致命问题是探测精度尚不够高，垂直分辨率低。2002年发射的EOS第二颗星Aqua给我们带来了希望。该星上的大气红外探测器AIRS，在可见光、近红外、中红外和长波红外光谱范围，分2300个波段进行探测，其水平分辨率为13.5km，垂直分辨率1km，反演温度的均方根误差有望达1K左右。若如此，则可以满足数值天气预报和气候监测的要求。卫星云迹风探测风是大气中最重要的动力学参数，但卫星上的遥感探测器目前尚没有直接跟踪和观测大气运动的能力。所以，早期的卫星云图分析人员，均从云型特征、天气系统和风场的统计相关关系，来间接地推测风场。自从短时间间隔的静止气象卫星图像观测取得成功以后，一种想法提出来了：如果在半小时时间内云的生消变化不大，卫星图像上云的移动就是大气气流对它平流的结果，若能准确地求出云的移动矢量，这就是风卫星云迹风探测解决以下几个问题：示踪云的选择；云图的精确定位和图像配准；示踪云高度的确定。卫星云迹风探测卫星云图上所看到的云移动，实际上由两部分组成：一是随着天气系统移动而伴随的云的生、消活动。其二则是云一生成后，受环境流场的作用而产生的平流运动。后者正是我们所说的风矢量，当然，它就是我们要选的示踪云。这是需要一套分析识别原则来确定的。卫星云迹风探测所谓图像匹配问题，就是用于计算风的连续两幅卫星图像的定位网格的一致性问题。如果卫星的轨道和姿态预报均己达到足够高的精度，则不存在这一问题。当卫星的轨道和姿态达不到要求，一些卫星业务运行中心的作法是采用精细的地标导航方法对每幅云图均作到精确的定位，则二者定位网格的一致性就会达到测风计算的要求。卫星云迹风探测示踪云高度的确定是一个重要而难度大的问题。由于大气中的风存在着显著的水平变化和垂直变化，尤其是在对流层顶附近，风的垂直切变可以达到每公里10~30m·s1，如果把10km高度的云误定为11km，则仅此一项带来的误差就不能承受。卫星云迹风探测我国专家提出了“用红外和水汽两个通道的卫星测值指定云迹风高度”的方法。其核心是利用不同云类在红外窗区和水汽吸收带的辐射特性的差异，通过其点聚图将低云区、半透明卷云区和密蔽的高云区区分开来。在低云区和密蔽高云区用红外窗区测值确定云高；在半透明的卷云区，用红外和水汽两个通道的测值确定云高，取得了较好的效果。为了增加示踪信号，尤其是无云的晴空区的示踪信号，近年来卫星气象工作者又发展了以水汽图像上的水汽块为示踪信号的水汽风处理方法，也取得了很好的效果。8.3.2大气成分监测臭氧监测大气气溶胶监测臭氧监测原理如果在人造地球卫星上安装一台光谱仪，通过测量某些特定谱线（即那种气体成分的吸收线）存在与否，来确定大气中是否存在着那种气体，是探测它的行之有效的方法。在大气温度廓线已知的情况下，通过测量吸收谱线的强度，还可以得到那种气体成分的浓度。臭氧的强吸收带主要位于波长短于0.36μm的紫外波段、9~10μm的地球辐射的红外波段，此外，对0.46~0.74μm的可见光波段也有吸收。臭氧含量监测专门用于测量臭氧含量的主要星载遥感探测器有两个。一个是SBUV，另一个是臭氧总量制图光谱仪（TOMS）TOMS是通过测量后向太阳紫外辐射中的4个光谱通道的辐射值（其波长分别为：312、317、331和339nm其中臭氧的最强吸收（312nm）辐射和最弱吸收（331nm）辐射的比值就可以反演出大气柱中臭氧的总量臭氧含量监测TOMS对臭氧总量的反演精度可达5%以上。TOMS的扫描幅宽2300km，地面分辨率50~100km，每天可得到一幅全球的臭氧总量分布图臭氧含量监测流程气溶胶监测原理卫星遥感监测气溶胶和沙尘粒子的基本原理是它们对太阳可见光和近红外波段的反射和散射由于不同粒径大小的气溶胶粒子的光学特性有差异，这样利用星载遥感探测器得到的不同波段的辐射就有可能反演得到相应粒子气溶胶的光学厚度气溶胶监测实例（沙尘暴监测）沙尘暴是利用气象卫星能有效监测的陆地上空气溶胶含量的一种特殊情况沙尘暴爆发之后，悬浮在大气中不同粒径的沙尘粒子已经足够多，使卫星遥感探测器监测到的辐射均来自沙尘本身可见光和近红外通道测得的沙尘对太阳光的反射和散射辐射，红外波段测得的则是沙尘顶部的发射辐射气溶胶监测实例（沙尘暴监测）通过对某一地区（如中国西北地区）云、沙尘和地表在AVHRR各通道的统计分析，一些低云与沙尘顶部的亮温很相近，但二者在反射率上却有显著差别；西北地区裸露的地表与沙尘在可见光通道的反射率上很相近，但二者在红外通道和亮温上又有明显差别。根据这些特点，可以对可见光、近红外和红