（气象学专业论文）我国东部地区地面净辐射的卫星遥感研究.pdf

摘要 本文利用1 9 9 4 年6 月、7 月北京、天津、济南、太原、郑州、南京、合肥、 上海地区地面净辐射观测资料及同期g m s 卫星红外、可见光数字云图资料。由 红外云图反演出地气系统发射红外辐射，可见光云图反演出地气系统反射的太 阳辐射，然后采用多元统计的方法讨论了地表净辐射与卫星反演出的辐射值之 间的关系。 结果表明0 8 1 7 时地表净辐射通量与大气顶太阳辐射、地气系统发射红外 辐射和地气系统反射的太阳辐射线性相关，相关系数维持在一个较高值，并建 立了用卫星资料反演0 8 1 7 时各时刻地表净辐射通量的估算模式( 适用于各种 天气情况) 。同时探索了有云天气情况下的地表净辐射估算模式。分析表明这两 个模式标准误差相差不大，适于不同情况。 以济南地区和1 9 9 4 年7 月1 日1 4 时的红外和可见光数字云图资料两个个 例作了检验，结果表明用卫星数字云图资料反演0 8 1 7 时各时刻地表净辐射通 量是可行的，并且可以了解一定区域内地表净辐射的分布状况。 同时探讨了0 8 1 7 时总地表净辐射与卫星红外和可见光数字云图反演的辐 射能量的关系，研究表明0 8 1 7 时总地表净辐射与卫星可见光反演得到的地气 系统反射的0 8 1 7 时各时刻的和反相关显著，个别站点相关系数达0 9 以上，但 也有一例外，天津站0 8 。1 7 时总地表净辐射与地气系统发射的红外辐射相关显 著。同时采用济南和南京作了检验并说明估算地表净辐射对地域的敏感性。 地表净辐射的研究对于天气、气候、环境、生态、水利、海洋等领域具有 重要研究价值，目前这方面的研究并不多见。 关键词：g m s 资料；卫星反演；估算模式：地表净辐射； a b s t r a c t t h ep a p e ru s e st h es u r f a c er a d i a t i o no b s e r v a t i o n sf r o m0 8t o1 7o c l o c ka n d t h ev i s i b l e ，i n f r a r e dd i g i t a lc l o u dp i c t u r ef r o mg m s 4a tt h es a m et i m eo v e rb e i j i n g ， t i a n j i n ，j i n a n ，t a i y u a n ，h e f o i ，n a n j i n g ，s h a n g h a ia r e ai nj u n ea n dj u l y 19 9 4 t h e i n f r a r e dr a d i a t i v ef l u x e se m i t t e d b ye a r t h - a t m o s p h e r es y s t e m c o m e sf r o mt h e i n f r e a r e d p i c t u r e sa n d t h es o l a rr a d i a t i v ef l u x e sr e f l e c t e db ye a r t h a t m o s p h e r es y s t e m c o m e sf r o mt h ev i s i b l e p i c t u r e s ，t h e n t h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e nt h es u r f a c en e t r a d i a t i o na n dt h es a t e l l i t er e t r i e v a lr a d i a t i o ni ss t a t i s t i c a l l yd i s c u s s e di nt h i sp a p e r t h er e s u l ts h o wt h a tt h es b r f a c en e tr a d i a t i v ef l u x e si sl i n e a rt ot h es o l a rr a d i a t i o no f t o p o f a t m o s p h e r e ，t h ei n f r a r e dr a d i a t i v ef l u x e se m i t t e db ye a a h a t m o s p h e r es y s t e m a n d t h es o l a rr a d i a t i v ef l u x e sr e f l e c t e db ye a r t h a t m o s p h e r es y s t e m t h ec o r r e l a t i o n c o e f f i c i e n t k e e p o nah i g hl e v e l a n di nt h i s p a p e rw ed e v e l o pt h er e g r e s s i o n e q u a t i o n s ( f o ra l ld a y sa n d f o rc l o u dd a y s ) t oe s t i m a t et h es u r n c en e tr a d i a t i o n0 1 1a n h o u rs c a l e a f t e ra n a l y z i n gt h ee q u a t i o n s ，w ef i n dt h es t a n d a r de r r o ro ft h e mi sl e s s d i s t i n c t i o na n da d a p tt od i f f e r e n tc i r c u m s t a n c e w et e s tt h em o d e lo v e rj i n a na r e aa n df i n dt h em o d e li sa v m l a b l e b yu s i n gt h e v i s i b l ea n di n f r a r e dp i c t u r ea t1 4 ，o nj u l y1 ，1 9 9 4 ，t h em o d e lc a nh e l pu sk n o wt h e d i s t r i b u t i o ns i t u a t i o no v e rc e r t a i na r e a i nt h i sp a p e rw ea l s od i s c u s st h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h et o t a ln e tr a d i a t i o n f r o m0 8t o17a n dt h et o t a ls o l a rr a d i a t i o nr e t r i e v e df r o mt h es a t e l l i t ev i s i b l ep i c t u r e a tt h es a n a et i m ei n t e r v a l t h er e s u l tr e v e a lt h et o t a ls u r f a c en e tr a d i a t i o ni se v i d e n t l y r e v e r s et ot h et o t a ls o l a rr a d i a t i o n ，t h ec o r r e l a t i o nc o e f f i c i e n to fo n es t a t i o ni sh i g ht o 0 9 b u t t i a n j i n i se x c e p t i o n a l ，t h et o t a ls u r f a c en e tr a d i a t i o ni sc o r r e l a t i v et ot h et o t a l i n f r a r e dr a d i a t i o n t h ep a p e rt e s tt h em o d e lo v e rl i n a na n dn a n j i n g ，a n dr e v e a lt h e s e n s i t i v i t y o ft h et o t a ln e tr a d i a t i o nt o t h et o t a ls o l a rr a d i a t i o nr e f l e c t e d b y i i e a r t h - a t m o s p h e r es y s t e m t h er e s e a r c ho fs u r f a c en e tr a d i a t i o ni sv i t a lt ow e a t h e r ，c l i m a t e ，e n t w o n m e n t ，o c e 2 t n ，e t c a s y e tt h ew o r ko f t h i sf i e l di no u rc o u n t l 呵i sf e w k e y w o r d s ：g m sd a t a ；s a t e l l i t er e t r i e v a l ；e s t i m a t i o nm o d e l ；s u r f a c en e tr a d i a t i o n i i i 第一章引言 1 1 地表；争辐射的研究意义 地表净辐射是我国一、二级辐射站观测项目之一，是地表辐射收支的重要 组成部分，它表示地表能量的净收入部分，控制着进入大气的感热通量和潜热 通量，是驱动大气运动的主要能量来源。由地表净辐射可反演地表温度、地表 反照率、比辐射率等地表特征参数，是提高天气预报质量和大气环流模式研究 的一个重要参数。地表净辐射的看似微小变化有可能会导致天气和气候系统的 巨大变化。地表净辐射的空间分布和随时间的变化情况对我们认识天气和气候 系统意义重大，是气象研究领域的一个重要内容。 地表不同的热量和水分条件，可形成不同的生态系统。地表净辐射的研究 对于理解不同区域的生态系统的发生、发展、布局、结构具有重要意义，是研 究生态系统水热平衡方程的因子之一。水热平衡在水利上的应用既是生态、环 境的背景，也是水利措施的依据。采用水、热指标，即辐射干燥指数：r n l p ( r n 为净辐射，l 为蒸发潜热，p 为降水量) 作为指标。因此地表狰辐射的研究也是 农业、水利和生态领域所关注的。 地表净辐射同时也是评价城市环境，特别是判断城市热岛效应强度的一个 重要指标，可帮助我们认识、改善城市环境，提高人类生存质量。地表净辐射 的发展水平从一定角度制约着环境科学的发展。 地表净辐射反映地面热量资源分布情况，对于我们充分利用能源，减灾防 灾也是必要的。同时了解地表辐射收支状况对我们研究高山积雪，北极海冰、 温室效应都是一个重要的参数。海表上净辐射对于我们了解海洋环境，促进渔 业发展也是很重要的。 因此地表净辐射的研究是自然科学领域一个重要的基础性研究项目。 然而目前的地基辐射观测网站点分布不均，不能满足气候研究、全球气候 变化和相关领域的研究需要，特别是在青藏高原和广大的海洋、两极等这些不 适于人类生存的地区，研究该地区地面辐射收支状况与该地区地面辐射观测站 点稀少的矛盾尤为突出，所以地面净辐射的研究仍具有巨大的现实意义。 1 2 地表净辐射的研究方法 研究地表净辐射的方法有很多，归纳起来可分为两种：一种是利用辐射传 输方程由常规气象资料分项计算向下短波辐射( o 2 o 4 um ) ，向上的长波辐射 ( 4 0 um ) ，地表反射率，地面温度和比辐射率，然后用向下的短波辐射减去 向上的长波射出辐射得出地表净辐射。此方法比较细致地考虑大气中辐射传输 过程，考虑了大气中分子的散射、云滴的吸收和散射、气溶胶的散射等作用。 但由于对辐射过程缺乏真实地了解，采用不同的参数所得的结果差距很大，因 此辐射模式计算结果具有很大不确定性。另外一种是经验方法，它又分三类： 一类是利用地表净辐射与常规气象要素之间的相关关系，建立根据常规气象观 测资料估算地表净辐射的经验方法。这种方法只能计算有气象观测资料点处的 辐射收支；一类是利用卫星资料估算地表净辐射。随着卫星探测技术的发展， 利用卫星可得时间连续、空间均一的地球辐射平衡资料，因此逐渐发展了地表 净辐射的卫星反演，这对于地面辐射观测站稀少的地区无疑是现实可行的；还 有一类是结合卫星遥感信息和地面观测资料来估算地表净辐射，这种方法对于 大范围的地表辐射收支的反演仍具有很大的局限性，因为气象站稀少地区缺少 常规气象观测资料。尽管估算地表净辐射的模式各具特色，有的还很不完善， 但他们的研究无疑将有助于我们了解地表辐射收支。 1 3 估算地表净辐射的研究现状及存在的问题 国内的研究状况： 国内对辐射的研究首先是建立气象辐射站。1 9 9 3 年前辐射分甲、乙两种观 测站，甲种站有要素项3 项：总辐射q 、散射辐射d 和直接辐射s ，乙站有要素 项l 项：总辐射q 。1 9 6 0 年前实有辐射站点4 4 个甲种站，其中1 9 5 7 年建站的 1 7 个。1 9 6 0 至1 9 6 9 年实有辐射站点8 0 个，其中甲种站7 2 个，乙种站1 4 个。 中途撤销站3 个。i 9 7 0 年至1 9 8 9 年实有辐射站点8 6 个，其中甲种站7 2 个，乙 种站1 4 个，七十年代建站的4 个，八十年代建站的5 个，中途撤销站3 个。 1 9 9 0 年至1 9 9 2 年实有辐射站点1 0 5 个，其中甲种站7 4 个，乙种站3 1 个，1 9 9 0 年建站的5 个，1 9 9 1 年建站的1 个，1 9 9 2 年建站的1 5 个，中途撤销站5 个。 1 9 9 3 年起全国气象辐射站由原来的甲、乙两种观测站调整为一、二、三级观测 站。一级站有要素5 项：总辐射q 、净辐射n 、散射辐射d 、直接辐射s 和反射 辐射；二级站有要素项2 项：总辐射q 、净辐射n ；三级站只有一项：总辐射q 。 全国共有观测站9 8 个，其中一级站1 7 个，二级站3 3 个，三级站4 8 个。这些 辐射站的建立是我们了解一个地区辐射情况的一个重要手段。 另外开展了一系列野外观测实验，主要有：1 9 8 2 1 9 8 3 年青藏高原野外热源 试验，黑河地区地气相互作用野外观测试验，2 0 0 0 5 - 2 0 0 2 6 年敦煌( 戈壁) 陆 面过程野外观测实验加强期的地表辐射收支观测，“珠峰环境监测”三次野外科 学实验。 近十几年来，随着国际遥感技术的发展，我国自行研制了风云系列卫星。 风云一号c 星简称( f y _ 1 c ) 是我国的第一颗三轴稳定太阳同步极地轨道业务 气象卫星。风云一号c 星于1 9 9 9 年5 月1 0 日由长征四号乙运载火箭从太原 卫星发射中心发射升空。其主要功能是用于天气预报、气候研究及环境监测。 我国各地地面站通过接收f y - 1 c 的c h r p t 数据，可以每天两次获取当地的观 测资料。资料处理中心通过接收星上存储的数据，可以每天获取一次全球资料。 2 0 0 4 年2 月1 3 日开始，风云一号c 极轨气象卫星星载扫描辐射计( a ) 出现故 障，暂时停止运行。多通道可见红外扫描辐射计( m v i r s ) 是风云一号的主要探测 仪器。其通道数由风云一号a 星的5 个增加到1 0 个。多通道可见光红外扫描辐 射计( m v i r s ) 的视场范围为1 2 微弧，星下点分辨率为1 1 公里。 风云二号a 星于1 9 9 7 年6 月1 0 日由长征三号火箭从西昌发射中心发射升 空。卫星于1 9 9 7 年6 月1 7 日定位于东经1 0 5 度，并于1 9 9 7 年6 月2 1 日获取 第一张可见光云图，1 9 9 7 年7 月1 3 日获取第一张水汽，红外云图。获取每小时 对地观测圆盘图象。圆盘图象包括三个通道数据：可见光，波长范围0 5 5 微米 到1 0 5 微米；红外，波长范围为1 0 5 微米到1 2 5 微米：水汽，波长范围为6 2 微米到7 6 微米。星下点分辨率，可见光1 2 5 公里，红外及水汽为5 公里。白 天观测的可见光图象，可获得云顶及地表的反照率；昼夜观测的红外图象，可 获得云顶及地表的红外辐射：水汽图象，可获得大气中的水汽含量。风云系列 卫星对我们的环境监测和无人地区的辐射收支状况起着无可替代的作用，是我 国气象事业的发展的一个飞跃。 “神舟”系列飞船成功发射，其上负载的辐射观测仪，为辐射领域研究提 供重要的资料和参数。 应用国内外实验资料，我国的科学工作者对地表净辐射进行了研究： 史兵、孙治安( 1 9 8 9 ) 采用分项研究总辐射、地表反照率和地面有效辐射 的气候计算方法，提出了满足气候研究的我国地表净辐射的计算方法。 江灏，瞿章( 1 9 9 1 ) 利用1 9 8 2 1 9 8 3 年青藏高原野外热源试验期间的资料， 建立了地面气象要素与地表净辐射之间的经验公式，并据此推算了拉萨站 1 9 5 3 1 9 8 0 年共2 8 年的地表净辐射值，分析了其年变化特征及其与5 0 0 h p a 高度 的关系。 翁笃鸣、高庆先( 1 9 9 3 ) 在讨论实测总辐射与地表净辐射月平均通量密度 相关性的基础上，分析了两者气候计算值间的相关性，建立回归方程，绘制了 利用此回归方程推算的地表净辐射年平均通量密度分布图。还讨论了坡地总辐 射与净辐射气候计算值问的相关特点。但在实际工作中由于地表净辐射的实测 资料非常少，致使回归法的推广受到限制。 王可丽和钟强( 1 9 9 4 ) 利用1 9 8 2 8 - 1 9 8 3 7 青藏高原地区地面辐射收支观 测资料及同期n o a a 一7 辐射收支资料，用统计的方法讨论了大气顶的净辐射与地 表净辐射之间的相关性，建立了两者之间的回归方程，计算得到月平均的地表 净辐射值。并在此基础上分析了青藏高原地区月平均地表净辐射的时空分布特 征。但由于资料来源于n o a a 极轨卫星一日两次的观测，所以仅限于对月平均值 的应用。为了使回归方程具有更好的代表性，需要进一步解决资料不足的问题。 沈志宝( 1 9 9 6 ) 为定量研究冬季青藏高原降雪对地面净辐射的扰动幅度， 建立了冬季青藏高原降雪后地面反射率与降雪量的关系以及地面有无积雪时计 算地面净辐射的公式，计算了不同强度降雪后地面净辐射日总量及其变化。 马耀明、王介民( 1 9 9 7 ) 利用卫星遥感信息和黑河试验期间收集的地面观 测资料，两者结合起来较为准确地计算该实验区区域尺度上的地表反射率及地 表温度，进而较为合理的估算区域尺度净辐射通量分布和季节变化特征。 陈渭民、高庆先( 1 9 9 7 ) 根据卫星可见光和红外波段测值与地表辐射收支 的基本关系，利用g m s 静止卫星可见光和红外通道数值化资料和地面辐射收支 观测资料，建立了几个由卫星资料估计地面净辐射收支的模式，选取效果最佳 的一种模式，通过内插方法求取全国辐射收支分布图，回归效果显著。 程膦生、宋振鑫等( 2 0 0 0 ) 通过分项计算净短波辐射通量和净长波辐射通 量，求两者之和得地表净辐射。分项计算过程中采用了经验公式。 朱克云等( 2 0 0 1 ) 利用中日亚洲季风机制合作研究计划中的青藏高原自动 气象站( a w s ) 观测资料和相应的常规测站资料，计算分析了拉萨、日喀则、那 曲和林芝的大气热量及各热力分量的贡献状况。地面净辐射有向下的总净辐射 和向上的总净辐射的差得出。各热力分量都存在夏大冬小的现象。 翁笃明、高歌( 2 0 0 1 ) 利用e r b e 和i s c c p 卫星辐射及总云量资料，结合已 提出的地表短波吸收辐射，大气逆辐射以及地表长波辐射的气候反演方法，计 算出高原6 3 站点的各月平均地表净辐射，绘制其在高原的分布图，揭示其时 空分布。由于反演地表净辐射是间接建立在对其两分量一地表短波吸收辐射和地 表有效辐射一反演的基础上，可导致反演误差的增大。其次，反演所需高原中西 部无资料地区的气温、地表温度和水汽压资料，只能依靠简单的扩线方程推算， 而且准确确定各格点海拔高度尚有一定困难，在一定程度上影响反演效果。 国外的研究状况： 国外同样也进行了更多次和更大规模的野外观测实验和辐射收支的研究。 特别是近十几年卫星事业的飞速发展，为全球大范围、连续观测提供了技术上 的支持，开始了从更高更全面地的角度来了解我们的地球的新时代。在国际上 实施了如：国际卫星云气候计划、地球辐射收支实验、国际卫星陆面计划、地 球辐射气候学计划等一系列重大研究计划。为了获取地球辐射收支，1 9 8 4 年发 射了地球辐射收支实验( e r b e ) 卫星，它是一颗倾角5 7 。的卫星，但是它需要约 两个月的周期对一天中所有时刻地球上5 7 。n 一5 7 。s 范围内的地球辐射收支进行 观测，所以后来将地球辐射收支观测仪器装载在n o a a 卫星上，每天对地球观测 两次，虽然比以前已有很大提高，但是仅有两次很难全天时监视地球辐射收支。 所以到1 9 9 6 年，美国实施了云和地球辐射能系统( c e r e s ) 实验，它是n a s a 的 地球观测系统( e o s ) 的一部分，采用的是( e o s ) 最重要的先进仪器之一，测 量地球反射的太阳辐射和地气发射的红外辐射，确定云的光学特性等。为连续 观测地球辐射收支状况，1 9 9 8 年欧洲空间局第二代气象卫星将实施静止卫星辐 射收支实验( g e r b ) 计划。这一系列实验的实施为全世界各国的科学研究提供 了重要的资料。同时从国际上最新的研究辐射收支计划不难发现它的局限性： 1 卫星的观测视场大，但却限制了它的分辨率，难以得到高分辨率的辐射 收支。 2 卫星观测时间分辨率低，对于一个极轨卫星携带的辐射收支观测仪器， 一天只能对某一地区有两次观测，两颗极轨卫星一天也只有四次观测，而一天 中有剧烈天气现象时辐射收支是变化很快的。因此极轨卫星难以获取高时空分 辨率的资料。 3 静止卫星时间分辨率高，一小时一次，但只能很好的应用于某一区域， 这对于了解全球的辐射收支情况仍然是个缺憾。 基于以上原因，国外又同时进行了很多区域性野外观测实验，取几个点来 代表某个区域进行试验研究。 国外由卫星资料估算净辐射收支多采用分项计算法，即先求入射的太阳辐 射，反射的太阳辐射和地面射出长波辐射等分量后，再求地表净辐射。对于直 接研究地表地表净辐射的情况，本文以下面几篇文章作代表进行简要说明。 p i n k e rrt ，c o r i ola ( 1 9 8 4 ) 利用n o a a 5 卫星观测资料建立了地面净辐 射与大气顶净辐射、大气顶向外的长波辐射的线性相关，复相关系数是0 7 6 。 p i n k e rrt ，e w i n gjaa n dt a r p l e yjd ( 1 9 8 5 ) 利用g o e s 卫星的可见 光和红外窗区的测值计算得出大气顶净辐射，然后与地表净辐射建立线性相关。 结果表明由大气顶日均净辐射可估算地表日均净辐射，并且随着样本时间长度 由一天增加到十天，标准误差由2 0 w m l 降到7w m 。 m a r tjnw i ld ，a t s u m uo h m u r a ，h a n sg i i g e n ，e t c ( 1 9 9 5 ) 利用高分辨率的 大气环流模式e c h a m 3 模拟了区域地表净辐射通量，并和g e r b ( g l o b a le n e r g y b a l a n c ea c h i v e ) 资料进行比较，结果表明e c h a m 3 对夏季地表收入的太阳辐射 过高估计了4 5 w m ，对冬季地表收入的红外辐射估计过低。由于误差互相抵消一 部分，因此年平均地表净辐射模拟值和实测值很相近。在南北半球中纬的大部 分地区均存在这样的现象。该模式可用于了解年平均地表净太阳辐射和净红外 辐射随高度的降低情况，山脉南北坡的辐射收支情况。 e a s e l l e sv ，c o l lc ，v a l o re ( 2 0 0 0 ) 等利用g c i p s r b 模式和n o a a n e s d i s 资料论证了气溶胶资料对由卫星观测资料反演地表辐射通量和地表反照率的影 响。结果表明采用实际观测的气溶胶数据估算地表辐射的拟合效果优于采用气 溶胶的气候值的效果，误差大大降低。 利用中光谱分辨率大气辐射传输模式m o d t r a n ，包括了多次散射辐射传输精 确算法一离散坐标法。这种方法的优点是计算精度高，概念清晰，模拟了太阳 辐射在大气中的传输过程，但是在有云的情况下计算结果误差较大。由于应用 m o d t r a n 计算辐射值用到探空资料，而我国探空站每天只有两次：0 8 时和2 0 时， 因此应用此模式难以计算全天各时刻的辐射值。 目前我国的地表净辐射研究状况和国外仍然存在较大差距。首先辐射站仪 器精度问题，观测值偏大。地表辐射收支观测试验较少。辐射站在西部环境恶 劣，人烟稀少的地区非常稀少。其次是资料同化，尤其是卫星资料的同化研究 还很少。适于我国的大气辐射传输模式的开发研究还有待于进一步深入。 1 4 本文的特色及研究内容 在气象：巳星出现之前，辐射观测只在少数有条件的气象站上进行，全球范围 的辐射资料是不可能获得的。气象卫星提供了观测太阳入射短波辐射和地球射 出长波辐射的理想平台，在辐射观测方面取得了有意义的成果。卫星大气探测 资料可弥补广阔海洋、高原、沙漠和两极地区探空资料的不足，用于补充数值 天气预报的原始场，提高数值预报的预报精度和预报时效。随着气象卫星夫气 探测产品的累积和存档资料时洲的增长，大气探测产品在气候分析和气候预测 方面的研究f 在逐步深入，并取得了重要的进展。利用卫星资料估算净辐射， 特别是地球静止卫星( g m s ) ，它对地表某一固定区域一小时一次观测，观测资料 更具代表性和说服力。随着卫星稳定性、探测技术和探测器精度的提高，这种 方法可实现对全球范围进行遥感监测而不受地理条件的限制，具有很大的发展 潜力。 本文拟选取卫星计数值反演的地气系统发射的长波红外辐射、地气系统反射 的太阳短波辐射及大气顶太阳辐射三项作为估算1 9 9 4 年夏季白天0 8 1 7 时地表 净辐射通量的因子，选取地气系统反射的0 8 - 1 7 时总太阳短波辐射为估算0 8 1 7 时总地表净辐射的因子。大气和云的变化可反映在卫星计数值和大气顶能量的 改变上。因此本文提出的估算模式可用于估算晴天、阴天、各种天气情况下的 地表净辐射值，适用性广。白天0 8 1 7 时总地表净辐射是一天地表辐射的输入 部分，估算它只需地气系统反射的太阳短波辐射一个因子即可，简单、方便、 且容易实现。目前这方面的工作国内还是首次。 第二章地面净辐射卫星遥感的理论基础 2 1 地气系统辐射平衡和地表辐射收支 下图为地气系统辐射收支示意图( 图1 ) 恻1 地气系统辖射平衡示意图 太阳入射至地球的辐射通量平均约为3 4 2 w 矿，其中地球大气系统将入射 到地气系统的太阳辐射的3 1 反射回宇宙，而吸收余下的部分，其中大部分被地 表所吸收( 2 3 5 w m 。) 。在大气、陆地和海洋的混合层，辐射能转变为化学能、 热能( 增加自身的温度) 和动能，作为驱动天气和气候的能量，同时又以自身 的温度向宇宙空间发射红外辐射。地气系统的平均温度为2 5 0 i ( 左右，发射的辐 射光谱位于红外谱段。从系统、长期的角度来看，地球吸收的太阳短波辐射能 等于地气系统发射的红外长波辐射能，地气系统辐射差额即大气顶的净辐射为 零。但在不同的时间、不同的地表和不同的天气状况下大气顶的净辐射并不为 零。大气顶的净辐射为正，地气系统吸收能量，大气和地表的温度增加：反之， 温度降低。因此，影响地气系统辐射平衡的最重要的因子是，日地距离、太阳 高度角、云和大气。 地气系统辐射差额是随纬度增高而由正值转变为负值的，在3 5 。s 到3 5 。n 之间的地气系统辐射差额为正值，在此范围以外的中、高纬度地区为负值。辐 射差额的这种分布，也正是引起高低纬度之间大气环流和洋流产生的基本原因。 而太阳高度角不同，例如一天的各时刻，大气顶的净辐射也是不同的。见下表： 1 9 9 4 年6 月1 日济南大气顶净辐射( m j m2 ) 【0 8 时 0 9 时1 0 时1 l 时1 2 时1 3 时1 4 时1 5 时1 6 时 l 。8 s 。1 5 3 92 0 3 32 ，3 0 92 5 0 52 5 0 72 2 0 31 6 8 60 ，9 6 6 云对太阳辐射的吸收具有高反射低吸收的特性，云的反照率平均为5 5 6 0 ， 约为地面的5 倍，占行星反照率的2 3 ，但云对太阳辐射的吸收率却很低，只有 3 左右。o h r i n g 等的研究发现云对太阳辐射的反射作用三倍于云对红外的温室 效应，云的作用是使气候系统冷却另一方面，对于高云系统，云的温室效应 大于反射率效应，而对于低云系统，云的反射效应大于温室效应。 不同大气气体吸收波段不同，对地气系统的作用也就不同。特别是温室气 体、气溶胶和沙尘对地气系统辐射平衡的影响日益受到更多的关注。c 0 。浓度增 加使地气系统增温，气溶胶起冷却效应，沙尘天气对地气系统的影响与地表状 况和大气混浊度有关。 地气系统辐射能的变化直接影响地表辐射收支，因此影响地气系统辐射能 的因子也是因影响地表净辐射的因子。 地表辐射收支基本公式： n 。= s ( 卜a 。) 一( sot s 4 一l ) ( 2 1 ) 式中n ；是地表净辐射，s 是向下的短波辐射通量，n 。是地表反射率，e 。是地 表比辐射率，斯蒂芬一波尔兹曼常数o = 5 6 6 9 3 1 0 1 ( w m2 k 1 ) ，t 。是地表温度， l 是向下长波辐射通量( 大气逆辐射) 。右边第一项为大气净辐射，第二项为长 波净辐射。由于各分量的不确定性，通过计算各分量得到地表挣辐射的方法的 应用受到限制。 2 2 卫星测值与地气系统辐射的关系 在地球大气系统中，各自然表面以及大气本身的辐射过程是一个十分复杂 的问题。它涉及到各辐射源的特性和气体的吸收、发射、透射、反射、粒子散 射和透射等诸多方面的特性。地球大气系统作为一个整体，它一方面要接受入 射的太阳辐射，另一方面又要反射太阳辐射和以其自身的温度发射红外辐射。 卫星在它的视场范围内测量到辐射主要有： 1 ) 地表、云层发射的红外辐射； 2 ) 大气中吸收气体发射的红外辐射 3 ) 地面、云面反射的大气向下的红外辐射 4 ) 地面和云面反射太阳辐射 5 ) 大气分子、气溶胶、云等对太阳辐射的散射辐射 2 2 1 卫星接收的地气系统发射的红外长波辐射 一、晴空大气的红外辐射遥感方程 在大气项处( t = 0 ) ，卫星接收到的辐射可以写为 矾舻l ( 刚瑚e - h f p t - j ：机t “等 当大气处于局地热力平衡无散射的情况下，源函数写为 j x ( r ；m ) = b x t ( x ) - b k t ( z ) 】 以及有 l ( t l ；斗，+ ) = s 。be t ( x 1 ) = 。b t s 盟：女。p 生 “ 则( 2 2 ) 式写为 明舻啦删z _ o ) 】兑( 旷p 腆，) 冬笋出 ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 ，6 ) 如果用气压坐标表示，可以通过静力方程 睾= 嘞g ( 2 7 ) 口z 式中p z 是干空气的密度，g 是重力加速度，上式两边乘以p ( z ) ，则有 p ( z ) dz = - 1 塑k ：一盟和 ( 2 8 ) p z gg 在p 坐标系内透过率可以表示为 弧胁p i 素r 咖m 加，) 咖r ( 2 ，) 和 掣：一土g ( p ) 女。( p ) 元o ，“) ( 2 1 0 ) a pu g 则有 掣( p ) ；b “t 毛( p 。, i a ) + f = b , t 丁( 堋旦翟辱型印， ( 2 1 1 ) j bo 归+ 式中地是地表面发射率，t ( p ；) 是地表面温度，b k t 0 。) 是地表面的普朗克辐射， 气( p 。，p ) 是在卫星观测方向。从地面到大气顶的透过率，t 0 ) 是在p 高度上的 大气温度，b x t ( p ) 是p 高度上的普朗克辐射，i ( p ，肛) 是p 高度e 方向到大气 顶的透过率，匾( p , b t ) o p 是大气透过率随高度的改变。( 2 1 0 ) 式是卫星遥感 探测大气温度的基本方程。在式中右边第一项是到达卫星的辐射，它由二部分 绢成，即早 ( 1 ) 左边第一项称之地面辐射项，为从地面发出后透过大气到达卫星的辐 射。 ( 2 ) 左边第二项是大气辐射项，表示整层大气发出并到达卫星的辐射。从 式中可以看出，对于高度p 处大气发射到达卫星的辐射为该高度上的大气辐射 与该高度处大气透过率随高度的改变率的乘积，通常记为 k x q ，p ) = 掣( 2 1 2 ) c 0 2 透过牢0 0 2 杈重函数【d f 嘶酽 酗2n o a h 2 一n o a a 5 。h 星v t p r 观测通道的透过率和权重函数 称之为权重函数，它表示高度p 处大气发射的辐射到达卫星的权重。如图2 表 示了c o 的透过率和权重函数，从图中看出，透过率随高度的变化率越大，则权 重越大，到达卫星上的辐射也就越大；由于不同波长丸的大气透过率不同，随高 度的变化不同，因此对于权重也不同；对于吸收弱的波长，大气低层的权重大， 卫星观测的辐射平自于大气低层：吸收强的波长，大气高层的权重大，卫星观 测的辐射来自于大气高层。 二、卫星遥感地面对大气向下辐射的反射辐射 如果大气是水平均匀的，入射辐射与方位无关， 关，则由大气发射到达地面的辐射表示为 加k ，卜孚卜 仅与卫星观测的天顶角有 ( 2 1 3 ) 地表面入射到地表的在r 高度之下大气辐射的反射为 ! 二! 丛r 1b 。 r o i ) 】e 。p i 一三! 二三量l d 。i ( 2 1 4 ) 一dilpj 式中s 。是地面发射率，反射率为r x = 卜s 向下大气辐射被地表反射到达t 高 度的辐射为 字f e x p 一等p m x 一 _ 孚k 嘲 其中e x p 一( 功一t ) l a 是地面到t 高度的透过率。 由于 印 _ 字卜d h 一字) = d 元 仁旧 在卫星高度上，t = 0 ，则考虑到地面对向下大气辐射的反射，卫星接收到的辐射 可以写为 矾舻e 幽 t s ( z _ 0 ) 烈旷庐腆，) 鼍笋出7 + ( 1 气 ) 气( 肛) h ，( zr ) 里宴掣d z r ( 2 1 7 ) d z 1 + ( 1 一s ， ) ( 肛) j 。岛 ，( z ) 二焉 型 ( 2 - 或在气压坐标中表示为 冀，( p ) = b 丸 t ( o ) 卜f 。元( p , ) 】丝掣印一 ,ip_d口 + ( 1 一s 。) 死( p ) i 。b 。i t ( pr ) 旦翟挚盟咖， ( 2 18 ) c 山于地面反射的向下大气辐射很小，一般忽略不计。 三、有云时大气的红外辐射传输 1 ) 稠密云区的红外辐射 对于较为稠密的云系，在红外谱段可以认为是黑体，此时卫星接收的辐射来 自云顶和云上大气，所以卫星接收的辐射可以写为 璎( 。) 锄。b “t o 。b x r ( p ，) 盟望旦印， ( 2 1 9 )璎( 。) = t o c c ，e ) 十j 凡 ) 二型去严印 ( 2 1 9 ) 2 ) 半透明云层的红外辐射 对于较薄的卷云或中低云，红外辐射可以透过云系，这时卫星接收到的辐 射来自于云上大气、云、云下大气和地表面。如图3 中，假定大气中有两层水 平均匀的卷云和中云，则到达卫星的辐射由三部分组成： ( 1 ) 来自高云下面的中云和大气发出并透过高云的辐射为 l x ( z h ) t x “。 ( 2 2 0 ) ( 2 ) 来自高云顶发出的辐射 b t ( zh ) ( 1 - t k )( 2 2 1 ) 图3 当存有两层云时到达1 1 星的辐射 ( 3 ) 来自高云以上大气发出的辐射 ib r ( z ) 如( 。，z ) d z( 2 2 2 ) _ z 这三部分之和为 焉( ) = l 丸( z h ) t x h c + b 九 t ( zh ) ( 1 一 t x h c ) ) +lb i r o ) 世a ( ，z ) d ( 2 ，2 3 ) - ： 式中t ”是高云的透过率，为云厚和光学 厚度的函数，b t ( zh ) 是波长九、高度为 z h 的高云的普朗克辐射率， k 。( 。，：) ：! 奠! 竺盟是权重函数， 元 ，z i i ) 是高云之上的大气透过率。透过高云的辐射l f f z h ) 用低云参数表示为 l ( z h ) = l z ( z 0 t 。+ b x t ( z 1 ) ( 1 一t ”) ) t x ( zh ，z 】) + r 毋 ，( z ) 】k 。( z 。，z ) 出 ( 2 2 4 ) 式中t x ”是低云的透过率，zl 是低云的高度。式中由地面和低云发出的辐射又 可以写为 l x ( z j ) 2b x ( t s ) 元( z l ，o ) + r 7 吼 丁( = ) 】五。( z 。，= ) 出 ( 2 2 5 ) 式中t s 是地面温度，在上式中假定地面发射率等于1 ，云的反射作用可以忽略。 若将大气的透过率和权重函数按下面关系式改写为 元( z l ，o ) = 元( m ，o ) 【元( 0 。，z h ) ( z h ，z 0 ( 2 2 6 ) k ) l ( z l ，z ) = k x ( ，z ) 元( 0 0 ，zh ) 瓦( z h ，z 0 ( 2 2 7 ) k ( z h ，z ) = k x ( 。，z ) 元( o 。，zh ) ( 2 2 8 ) 再将( 2 2 6 ) 、( 2 2 7 ) 和( 2 2 8 ) 式代入( 2 2 3 ) 式，且令霸( o 。，z ) = 只( z ) k x ( 鸭 z ) 一k ( z ) ，则到达大气顶的辐射传输方程为 焉 ) 2 露。t z b x ( o ) 元( o ) + r 。b 。( z ) 如( 气，z ) 出一b x ( z 1 ) i ( z 1 ) + 露。 f “口 ( z ) 足 ( z ，z ) 出+ b k ( z 1 ) 嚣( z 】) 一b k ( z b ) t x ( zh ) + 【b x ( zh ) 瓦( zh ) + ib ( z ) 世 ( z ) 出 ( 2 2 9 ) 如果只有低云，而无高云，霹。= 1 ，z h = z i ，则( 2 2 9 ) 式简化为 堵 ) = 开 b ( o ) 元( o ) + r b 。( z ) k 。( 毛，z ) 出 + ( 1 一开) b x ( z 】) 元( z 1 ) + f 剐m ) 弼( z ) 出 ( 2 3 0 ) 如果只有高云，无低云，则有 # ( 。) = 砑 b “o ) 露( o ) + r b 。( z ) 髟( “，z ) 出 + ( 1 - t f f ) b 丸( zh ) i ( z h ) 删 + ib “丁( z ) 如( z ) d z ( 2 3 1 ) _ z 晴空无云时，露。= 呼= l ，则有 巧( 。) 2 b ( o ) 五( o ) + j 户 ( = ) 匿z ( z hz ) 出 ( 2 3 2 ) 3 ) 卫星视场内部分有云时的红外辐射传输 如图4 中，若卫星观测视场内部分有云，云量为n ，则卫星接收到的辐射 可以写为 暖 ) 2 n b h z k + i ibd巧+(1一n1 ) b h ? k r j 】， + e 毋d 疋 ( 2 3 3 ) 式中b x c 是云顶发出的黑体辐射，气( z 。) 是云的透过率，b x 。气是云顶表面发射 到达卫星的辐射，eb 。d 只是云上大气的辐射。( 2 3 3 ) 式中第一个中括号 是卫星视场内有云部分的辐射，第二个中括号 】是卫星视场内无云部分的辐射。 利用积等式 曼驯霞2 e 州i 一驯i ( 2 3 4 ) 图4 视场内部分有云时到达卫星的辐 则( 2 3 0 ) 式写为 焉扣) _ b b 毛+ 基毋d t z - n b l s 气 一b k 屯+ e “b xd i ( 2 3 5 ) 一b k + 坛 8 l ( 2 - 3 5 这时( 2 3 5 ) 式右边第一项是视场无云时的晴 空气柱辐射，第二项是考虑有云时辐射的改 变量。 2 2 2 卫星接收的地气系统反射的辐射 一、卫星接收到的一次散射大气的太阳辐射 考虑一次散射大气，源函数表示为 j6 1 ”“k ( t ：，十)：蔓e k ( ) - t o p x ( p ，+ ；一p o ，十o ) e - r a m , , ( 2 3 6 ) 4 t 由有限大气层内向上的辐射率 ；川e 巾i r ) 吣f m 搠e ( t - o # 警 ( 2 3 7 )