大气辐射与遥感第七章ppt课件.pptx

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1、第七章大气辐射在遥感中的应用兰州大学大气科学学院专业必修课-《大气辐射与遥感》授课人：王天河2015·春季第七章大气辐射在遥感中的应用7.1引言7.2利用透射的太阳光进行遥感7.2.1气溶胶光学厚度和尺度谱的确定7.2.2确定臭氧总量7.2.3临边消光技术7.3应用反射的太阳光进行遥感7.3.1卫星-太阳几何光学和理论基础7.3.2臭氧的卫星遥感7.3.3气溶胶的卫星遥感7.3.4陆地表面的卫星遥感7.3.5云的光学厚度和粒子尺度7.4利用发射的红外辐射进行遥感7.4.1地球表面温度的确定7.4.2温度廓线的遥感7.4.3水汽和痕量气

2、体廓线的遥感7.4.4云的红外遥感7.4.5红外冷却率和地表通量的遥感7.5利用发射的微波辐射进行遥感7.5.1微波波谱和微波辐射传输7.5.2由微波发射辐射确定降雨率和水汽7.5.3微波探测器的温度反演7.6利用激光和微波能量进行遥感7.6.1后向散射方程7.6.2激光雷达的差分吸收方法7.6.3激光雷达的差分退偏方法7.6.4用于研究云的毫米波雷达§7.4利用发射的红外辐射进行遥感理论基础红外辐射传输基本方程向上辐亮度的解：其中红外谱区地表发射率接近于1。大气顶处卫星垂直对地（μ=1）测量的辐亮度：仪器仅能分辨有限的带宽，在某一波

3、数间隔内的辐亮度按归一化形式表示：响应函数的有效频谱间隔通常很小，以至于普朗克函数的变化微不足道，于是可以用表示不带来明显误差。气象卫星进行大气和地面遥感的基本原理：考虑响应函数的光谱透射比：天基遥感关键：从实测的红外辐亮度中提取大气状态（温度、温度廓线）和大气组成（水汽、痕量气体、云）的有关信息。（＊）热红外光谱中主要吸收光谱：CO2：15μm，4.3μmO3：9.6μmH2O：整个红外谱区，最重要6.3μm和波数小于500cm-1CH4：7.6μmN2O：7.9μmCFCs：大气窗区有吸收线大气窗区：800-1200cm-1，除9

4、.6μm的臭氧吸收带外，大气气体的吸收表现为一极小值。§7.4.1地球表面温度的确定大气窗区向上的辐亮度与地表的发射辐射密切相关。为了确定地表温度，引入大气分裂窗技术，即利用两个通道上的实测值消去Ta项。在10.5～12.5μm大气窗区，Ta的变化幅度小于1k，同时大气窗区地表发射率变化很小。透射比主要是水汽的连续吸收形成的：两个通道的窗区方程：（7.4.11）（7.4.13）（7.4.14）为了消去Ta项，利用Ta的泰勒级数展开T的普朗克函数：消去T-Ta：利用亮温Tb2和Ts代替T，并利用（7.4.14）分析得到：从(7.4.17

5、)和(7.4.13)中消去B1(Ta)，得到分裂窗方程：在窗区的小光谱间隔内，两亮温间可建立一种局部线性关系：用10.9和12μm确定地表温度，夜间加上3.7μm增加反演精度。（7.4.15）（7.4.16）（7.4.17）（7.4.18）（7.4.20）§7.4.2温度廓线的遥感根据卫星热红外辐射观测推求大气温度廓线最早是由King(1956)提出的，证明了由辐亮度推求温度廓线的可行性。Kaplan(1959)证明了具有垂直分辨率的温度场可根据大气发射的谱分布导出，发展了上述遥感探测的概念。在光谱带翼区的观测可以感知大气深处，而在带

6、中心的观测仅能感知大气的顶层。因此，通过适当选择一组不同的探测波数，就可以利用实测的辐亮度进行解译，最终求得大气得垂直温度分布。如果地表发射辐射对观测的辐亮度有重要贡献，则必须确定下垫面的温度。如果舍弃地表贡献项，则前向辐射传输方程可表示为：给出对应于不同波数和已知权函数的一系列实测辐亮度之后，温度廓线反演的基本问题是怎样求解函数由于普朗克函数随波数而变化，所以在反演中必须首先消除普朗克函数对波数的依赖关系。由于普朗克函数是光滑函数，而且在小光谱间隔内，可以用线性形式近似表示（7.4.22）（7.4.23）（＊）方程(7.4.22)可

7、表示为即著名的第一类弗雷德霍姆方程。其中：由热红外发射观测值确定大气温度，发射源必须是一种含量相当丰富的已知气体，且其分布要比较均匀。否则，气体含量的不确定性将使我们不能根据观测结果来明确地确定温度。100km以下的地气系统中，有两种气体具有均匀丰富的含量，且在易于观测的光谱区具有发射带：(1)CO2，具有振转带谱线；(2)O2，具有微波自旋－转动带。（7.4.24a）（7.4.24b）带中心时黑体温度逐渐下降，这与对流层温度随高度增加而降低有关。波数690附近，温度出现极小值，这与较冷的对流层顶有关。波数690之外，随波数下降，温度

8、却又升高，这是由于平流层温度升高所致。可据此选择一组探测波数，把对流层和平流层低层温度廓线大部分包含进去。云雨4号卫星上的红外干涉光谱仪观测到的15μm带附近按黑体温度给出的出射辐亮度谱对装载在NOAA2号卫星上的一组垂