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卫星气象学 1 第三章气象卫星遥感大气的基本原理 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 2 第一节辐射基础第二节地球大气与辐射的相互作用第三节辐射在大气中的传输与卫星接收到的辐射 3 第一节辐射基础 4 一 电磁波谱 5 不同波长的电磁波有不同的物理特性 因此可以用波长来区分辐射 并给以不同的名称 称之为电磁波谱 例如 紫外线 uv C 0 150 0 28 uv B 0 28 0 315 uv A 0 315 0 4 unit um红外线 近红外 0 7 2 5 远红外 2 5 1000 微波 1mm到1m波段 Mostsignificantspectralregionsassociatedwithradiativeenergytransferinatmosphereliebetweenultravioletlightandmicrowaves 电磁波谱 7 r射线 波长10 11 10 4nm 产生 放射性元素蜕变 特征 具有很高的能量 几兆电子伏特 x射线 波长10 5 0 0045 m 产生 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 产生 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 产生 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 产生 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 产生 内部分子的转动引起的 8 xx c E hv hc l E Energy joules orj h Planck sconstant 6 63x10 34j s v frequency 1 sors 1 c speedoflightinavacuum m s l wavelength m Electromagneticradiationischaracterizedbyitsfrequency wavelength wavenumberorphotonenergy 10 2 电磁波各参数的关系和使用单位 参数 波长 波数 单位长度内含有的波数 波长的倒数 f频率c光速 3 108米 秒 c f 波在真空中的速度 n n波在介质的波长 V f n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 11 3 电磁波的量子特性从量子的观点看 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Q hfQ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 c2p mc h hf c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 若物质中原子的状态由高能级EJ跃迁到低能级EI 便发出辐射 若从EJ EI便要吸收辐射 发出或吸收辐射时光量子的频率f EJ EI h电磁辐射既有波动特性 也有粒子特性 波长较长的可见 红外线波动性表现明显 波长较短的r x射线 其粒子性表现明显 12 二 描述辐射的基本物理量 13 2 1描述辐射场的物理量 预备知识通量的概念 平方反比定律 表示辐射能通过空间传播方式的原则 表示光的强度与到光源的距离的平方成反比 14 立体角概念 锥体所拦截的球面积 与半径r的平方之比 单位为球面度 sr Steradians Solidangleunitsaresteradians sr Forasphereofsurfacearea4 r2 thesolidanglesubtendedbytheentiresphereis4 byahemisphereis2 etc 15 立体角的计算 16 辐射场物理量包括 辐射能 辐射功率 辐射强度 辐射通量密度 辐亮度 等 17 辐射能Q 焦耳 热力学卡 1k 4 1840J 辐射功率 或RadiantFlux辐射通量W 单位时间内通过任意表面的辐射能量 单位J s 辐射强度I 点辐射源在某方向上单位立体角内传送的辐射通量 辐射通量密度E RadiantFluxDensity 单位时间通过单位面积的辐射功率 单位为W m2 设面元为dA 则E为 当表示面元接受的F时 又称辐照度 Irradiance 表示从物体表面发射出的E 又称辐出度 辐射度 辐射能 Emittance Radiance 辐射率 辐亮度 单位立体角 单位时间 单位面积所通过的辐射能量 单位为Wm 2sr 1 20 Radiance 辐射率 辐亮度 沿S方向传输 1 辐射源表面dA其单位面积在单位时间内向S方向单位立体角内发射的辐射能 称为向S方向的辐亮度 L s L 3Q A t cos 2 辐射接收面dA 其单位面积在单位时间内从S方向单位立体角内接收的辐射能 称为来自S方向的辐亮度 L s L 3Q A t cos dA d dA d 21 如果辐射率与方向无关 则称各向同性 这样的源称朗伯源 如果考虑整个空间 则对所有角求积分 再除以4 就得平均的辐射率若辐射是方位对称的 则上式为 22 Emissivity 发射率 比辐射率 指同一温度下辐射体的出射度M 与黑体的出射度M的比值 它表征了物体的辐射能力 M M 0 1 之间 由于辐射体发射的辐射随波长而变 所以发射率也是波长的函数 写为 对于 1 2波长间隔的发射率为 n 辐射表面法线方向的发射率 与辐射表面法线成 角方向的发射率 23 思考与作业1 什么是 地表发射率 地表比辐射率 它与哪些因素有关 2 目前计算或反演地表发射率的方法有哪些 需要文献调研 24 三 描述辐射的基本定律 25 Q0 Qa Qr Qt吸收率A Qa Q0反射率R Qr Q0透过率 Qt Q0A R 1 3 1吸收率 反射率和透射率 对单色辐射 称为单色吸收率 反射率和透射率 分别记为Al Rl l 各种物体对不同波长的辐射具有不同的吸收率与发射率 构成了该物体的吸收光谱或辐射光谱 反照率 反射辐射通量与入射辐射通量之比 26 绝对黑体 所有波长吸收率均为1 A 1 单色黑体 某一波长吸收率为1 Al 1 灰体 吸收率不随波长变化 但小于1 1859年 德国物理学家Kirchhoff辐射定律指出物体在已知温度下 对辐射能之放射率或吸收率与物体表面之性质有关 而黑色物质对辐射能具有较大的吸收能力 如果一个物体在任何温度下能吸收任何频率的辐射能 那么这个物体便称为黑体 事实上 完全黑体并不存在 研究黑体辐射时 常以人工制成一完全黑体讨论之 如图所示 当外界辐射能经由小孔射于空腔时 此辐射能经过多次反射后 几乎无机会再由小孔出现 故可视为辐射能被空腔所完全吸收 而称之以完全黑体 若加热此物体至某一温度 观察由小孔辐射出之光谱其光谱与在同一温度之黑体所吸收辐射者 完全相同 27 3 2辐射的基本规律 辐射平衡状态 吸收和发射辐射能量相等 1 物质热状况保持不变 可用一确定温度表示 2 各向同性 局地辐射平衡状态如果辐射热交换的过程相当缓慢 物体中内能的分布来得及变化均匀 这时物体的温度虽然在变化 但每一给定瞬间 物体的状态可以看作是平衡的 仍可用一定的温度来描述 地球大气中的辐射过程 一般认为地面至60公里以下的大气处于局地辐射平衡状态 28 基尔霍夫定律 在辐射平衡条件下 任何物体的单色辐射通量密度F T与吸收系数A T成正比关系 二者比值只是波长和温度的函数 与物体性质无关 任何物体的辐出度和它的吸收率之比都等于同一温度下黑体的辐出度FB 基尔霍夫定律 若定义比辐射率 T为物体的放射能力F T和黑体的辐射能力FB l T 之比 则基尔霍夫定律可以写成物理意义 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 GustavRobertKirchhoff 1824 1887 德国物理学家1859 Kirchhoff sLaw光谱学 电学发现了铯和铷 31 对于绝对黑体物质 单色辐射通量密度与发射物质的温度和辐射波长或频率的关系 物理意义 黑体辐射与物质组成无关黑体辐射强度随温度增高而增大 Stefan Boltzmann定律 最大强度的波长随温度增高而减小 Wien位移定律 普朗克定律 32 普朗克函数 黑体分光辐亮度 33 MaxPlanck 1858 1947 德国物理学家1901 Planck sLaw1918 NobelPrizeQuantumtheory 34 黑体 其辐射通量密度可用普朗克定律表示h是普朗克常数 等于6 6262 10 27尔格 秒k是波尔兹曼常数 等于k 1 3806 10 16尔格 度c是光速 若用c1 2 c2h c2 hc k 上式可写为 w cm 2 m 1 35 斯蒂芬 波尔兹曼定律 黑体的积分辐射通量密度与温度的4次方成正比由温度可以求出绝对黑体的积分辐射通量密度 反之 也可由积分辐射通量密度反求其温度 这就是用辐射方法测量物体温度的基础 将太阳视作绝对黑体而计算出的温度称为太阳的有效温度 约为5777K 与太阳表面的实际温度略有差异 如果不是绝对黑体 计算出的温度就会偏低 36 JosephStefan 1835 1893 奥地利物理学家 诗人1884 Stefan Boltzmannlaw热学 电磁学1904 NobelPrize LudwigBoltzmann 1844 1906 奥地利物理学家1884 Stefan Boltzmannlaw理论推导 统计力学 37 维恩位移定律 黑体辐射最大单色通量密度与它的温度成反比 例如对6000K黑体 lmax 0 42 m 蓝色光 由辐射最强的波长也可以确定绝对黑体的温度 光谱方法测定物体温度的基础 由维恩位移定律求出的温度称为色温 38 39 Planckfunction Wien sLaw Stefan Boltzmanlaw BLACKBODYRADIATION T temperature K s Stefan Boltzmanconstant 40 辐射体的温度从黑体辐射定律知道 物体的辐射量都与温度有关 对于一定的温度 就有一定的辐射光谱分布 反过来 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 41 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 T 为温度为Te的黑体发出的 即M Te M T 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由于物体的发射率小于1 所以T Te有效温度 Te 也称为等效黑体温度 42 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同 则称Tc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L T B 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B T L T B Tb 所以Tb T 可得 43 太阳辐射的能量集中在0 1 m至4 0 m之间地球大气辐射的能量主要集中在4 m至120 m之间太阳辐射为短波辐射 称地 气辐射为长波辐射 短波辐射和长波辐射以4 m分界 2 2 3太阳辐射和地球辐射 44 第二节地球大气与辐射的相互作用 大气运动的能量来源于太阳辐射 地面和大气中的辐射过程从大尺度开始控制了地球大气系统的能量平衡 从而决定了地球气候的基本特征 45 重点 吸收光谱散射特征布格定律相关物理量 46 2 1大气吸收的物理过程 吸收 投射到介质上面的辐射能中的一部分被转变为物质本身的内能或其它形式的能量 介质 大气中有各种气体成分及气溶胶粒子大气成分对辐射具有选择吸收的特性 是由分子和原子结构及其所处运动状态决定的 47 xx 吸收系数 单个粒子的吸收截面 ab粒子所吸收的辐射通量相当于面积 ab从入射辐射场中所截获的辐射通量 体积吸收系数 单位体积中各粒子吸收截面之和 ka N ab 质量吸收系数 单位质量的吸收物质 1cm2气柱中 吸收了原辐射能的份数 加宽作用使得吸收带中谱线互相重叠 在每一波数处的吸收系数实际多使用一波数间隔内的平均值 气体分子或原子内的电子能级跃迁 原子和分子的振动和转动等所发射和吸收的辐射谱是非连续性的 构成原子的线光谱和分子的带光谱 单个分子 当它处于某一特定运动状态时 其分子内部总能量E由三部分组成 Ee 外层电子的动能和静电位能 Ev 原子在其平衡位置附近振动的能量 Er 分子绕其质量中心转动的能量 分子光谱 AnelectronsomedistancefromanucleushasaparticularvalueofpotentialenergyBasedondistancefromthenucleusandthesizeoftheelectricfieldIfyougivetheelectronmoreenergy itgainpotentialenergyandwillmovefartherawayfromthenucleus Theoppositeisalsotrue Whenanelectrongivesupenergytomovecloser itwillbeemittedasaphotonoflight TheelectronisnotallowedaleisurelyjourneyfromoneorbittoanotherIt jumps instantaneouslyAlsoexplainswhysomefrequenciesoflightemittedbyhydrogenarethesumoftwootherfrequenciesthatareobserved eVsignforDEindicatesemission eVforabsorption 1eV等于通过1V电位差加速给一个电子所获得的能量 相当于1 602X10 19JVisiblelinesinHatomspectrumarecalledtheBALMERseries 巴尔莫系 UltraVioletLyman 莱曼系 InfraredPaschen 帕邢系 氢原子的能级图 EmissionspectrumofH LightBulb HydrogenLamp Quantized notcontinuous 辐射频率f及波数 与能量变化的关系是f和 为分子吸收或发射谱线的位置 这种谱线由有限个非常窄的吸收线或发射线组成 其间夹杂该分子不可能发射和吸收的光谱间隙 吸收光谱与发射光谱是一致的 实际分子的转动跃迁常伴随着振动跃迁发生 振动带内存在转动谱线 而转动和振动能量的变化又常伴随着电子能级跃迁 表2 3分子的能级跃迁与吸收线中心波数和波长 15ummotion SomeEnergyStatesofWaterMolecules ofCarbonDioxideMolecules Vibrationmodesofcarbondioxide Mode a issymmetricandresultsinnonetdisplacementofthemolecule s centerofcharge andisthereforenotassociatedwiththeabsorptionofIRradiation Modes b and c dodisplacethe centerofcharge creatinga dipolemoment andthereforearemodesthatresultfromEMradiationabsorption andarethusresponsibleformakingCO2agreenhousegas N2和O2分子 对称的电荷分布 没有振动或转动谱 其吸收和发射谱由电子轨道跃迁造成 位于紫外和可见光辐射区H2O分子的原子呈三角形分布 是极性分子 有三种振动方式 这三种振动过程都引起电偶极距变化 产生吸收和发射 而转动和振动态的结合使得水汽的吸收谱十分复杂 CO2分子为线型对称分子 也有三种振动方式 但没有转动带 分子光谱 举例 谱线增宽 自然增宽 压力增宽 多普勒增宽 自然增宽 没有任何外界因素作用 谱线本身也必然具有一定的宽度 这是由于能级具有一定的宽度造成的 测不准原理 压力加宽 碰撞加宽 在对流层和平流层大气中 由于分子 原子或离子处于不断的无规则运动中 频繁碰撞的结果导致发射辐射的位相发生无规则变化 而使谱线加宽 压力加宽与T P有关 由于大气压力的变化比温度的变化大得多 碰撞加宽的谱线宽度随压力的变化是主要的 多普勒增宽 由作热运动的分子发射辐射的Doppler频移引起 分子不停地向各个方向以不同速度作无规则运动 即使每个分子所发射的辐射频率相同 但因相对速度的原因使不同运动速度的分子的辐射之间有一定的频率差异 从而引起辐射谱线有一定程度的增宽 与T有关 与P无关 实际大气 谱线的Doppler加宽和压力加宽同时存在 30km以下大气 谱线加宽主要由压力加宽效应决定 在大气高层 50km以上 Doppler加宽主要在平流层上层和中间层相当厚的一层大气中 压力加宽与Dopplar加宽同等重要 即Doppler Lorentz混合线型 称为Voigt线型函数 选择性吸收太阳短波辐射 H2O O2 O3地气长波辐射 H2O CO2 O3气体吸收对大气辐射平衡的重要性取决于 吸收线的强度吸收气体的含量及其空间分布 2 2大气吸收光谱 59 H2O吸收约20 的太阳能量几乎覆盖长波辐射整个波段吸收作用主要在对流层 特别是对流层下层 液态水 吸收带与气态对应 波段向长波方向移动 2 2大气吸收光谱 H2O 大于12 m转动带 6 3 m振动带 60 O2主要在小于0 25 m的紫外区 舒曼 龙格吸收带0 125 0 2 m 赫兹堡带0 24 0 26 m 因小于0 25 m的太阳辐射能量不到0 2 而且O2在可见光波段的两吸收带较弱 所以对太阳辐射的削弱不大 O3强吸收带在紫外区 哈特来带最强0 220 30 m 哈金斯带较弱0 32 0 36 m 可见光区 查普斯带较弱 臭氧层吸收太阳辐射的2 平流层温度高的原因 红外区 4 7 m 9 6 m 14 1 m较强吸收带 2 2大气吸收光谱 O2和O3 61 62 CO2吸收主要分布在大于2 m的红外区 较强中心为2 7 m 4 3 m和15 m 最重要 2 2大气吸收光谱 CO2等 紫外波段 O2 O3把0 29 m以下的紫外辐射几乎全部吸收可见光波段 只有非常少量的吸收红外波段 主要是水汽的吸收 其次是CO2和CH4 14 m以外的辐射不能透过大气传向外空 63 大气窗或大气光谱窗 8 12 m大气的吸收很弱大气窗区对地气系统的辐射平衡有十分重要的意义 地表的温度约300K 与这个温度相对应的黑体辐射能量主要集中在10 m这一范围 通过窗区 地面发出的长波辐射可顺利地被发送到宇宙空间 2 2大气吸收光谱 大气窗 64 65 2 4辐射能在介质中的传输 布格 朗伯 比尔 Bouguer Lambert Beer 定律 上述的指数削弱规律可适用于任何原因引起的辐射衰减 对于由散射和吸收引起的衰减 可写为 式中kex ksc kab 称为衰减系数 布格 朗伯定律是下面研究太阳直接辐射削弱的基础 非常重要 66 物质对光吸收的定量关系很早就受到了科学家的注意并进行了研究 皮埃尔 布格 PierreBouguer 和约翰 海因里希 朗伯 JohannHeinrichLambert 分别在1729年和1760年阐明了物质对光的吸收程度和吸收介质厚度之间的关系 1852年奥古斯特 比尔 AugustBier 又提出光的吸收程度和吸光物质浓度也具有类似关系 两者结合起来就得到有关光吸收的基本定律 布格 朗伯 比尔定律 简称比尔 朗伯定律 PierreBouguer JohannHeinrichLambert AugustBier 67 2 辐射传输的有关物理量 1 光学厚度 沿辐射传输路径 单位截面上所有吸收和散射物质产生的总削弱 对于某一波长 光学厚度为 整层大气光学厚度 则布格 朗伯可写为 2 光学质量 辐射束沿传输路径在单位截面上所通过的吸收或散射气体的质量 称为光学质量 opticalmass 常以u表示 日光垂直入射时 利用均质大气的概念 可将海平面以上整层大气的光学质量写为 69 3 单色透射率和单色吸收率辐射通过一段大气路径后 辐射通量密度之比常将整层大气在垂直方向的透过率称为透明系数 70 透射率函数光谱间隔内的平均透过率 71 第三节卫星接收到的辐射与辐射在大气中的传输 72 辐射传输过程的主要参数 光谱波段 频率 介质的吸收和散射属性大气垂直分布大气温度廓线大气透过率 可反演参数 大气温度大气湿度云中液态水地表温度地表发射率 上行辐射 下行辐射 地表反射的辐射 云的辐射 来自地表的辐射 反射效应 云的吸收 Surface 卫星传感器 散射效应 73 74 红外辐射在大气中的传输 1 辐射在介质中的传输 1 小气柱吸收的辐射 图4 1小气柱介质辐射 dL 1因介质吸收引起辐射的改变量 k z 质量吸收系数 质量消光系数 质量吸收系数 质量散射系数 z 吸收介质的密度 称 z k z z 为体积吸收系数 a z z dz为薄层吸收率 75 2 小气柱发射的辐射一方面 辐射强度由物质对辐射的吸收和散射而减弱 辐射减弱量为另一方面 辐射强度也可以由同波长处物质的发射和多次散射而增强 辐射增强量为dL 2因介质发射引起辐射的改变量 j z 介质辐射的源函数系数 因此 辐射通过小气柱后总的辐射贡献为 76 定义源函数 sourcefunction 因此 我们得到 这就是不加任何坐标系的普遍的辐射传输方程 它是讨论任何辐射传输过程的基础 77 O x y 2 平面平行大气中的辐射传输 平面平行大气的辐射传输 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 78 引入大气上界向下测量的垂直光学厚度 代入辐射传输方程 有 式中 这就是平面平行大气中有关多次散射的问题的基本方程 79 假定 1 大气处于局地热力平衡状态 源函数可以按照基尔霍夫定律表示为普朗克强度 80 2 大气是平面平行大气结构 辐射强度和大气大气参数 温度和气体分布廓线 的变化只允许在垂直方向上 高度和气压 发生 在这样的假定下 吸收和发射过程将相对于方位角对称 辐射强度只是垂直方向上的位置和天顶角的函数 81 热红外辐射传输方程就变为 82 根据大气静力方程 引入气压坐标P Z空气密度 g重力加速度 z 是z高度空气密度 q p 吸收气体与空气的混合比 因此 在P坐标系下光学厚度可以表示为 83 此时 大气的透过率可以表示为 其导数为 将以上两式代入 热红外辐射传输方程 并整理得 84 卫星在红外波段接收地气系统发射辐射的表达式 即大气红外辐射传输方程RTE 由于L P0 S B T P0 且当P 0时 P 1 故上式可写成 85 3 RTE的物理意义和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 地面辐射项 表示从地面发射的辐射 表示透过大气层进入空间的辐射 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 权重函数 86 卫星遥感的两个基本问题 Questions 卫星的通道是如何设置 选择 的 卫星是如何探测到不同高度上的大气辐射信息的 87 权重函数WeightingFunctionsForRadiometricRemoteSensing ResponseFunctions 88 在辐射传输路径上各点的有效温度辐射测量值的贡献不仅取决于该点的有效温度值 而且还依赖于该点附近介质的透过率变化率 这一因子常被称为辐射亮温度权重函数 89 定义 的高度变化率分别为 和 下行和上行辐亮温的权重函数 90 91 在微波波段10 80Ghz内的大气吸收系数 DerivedfromD Cimini sslides 92 WeightingFunctionsfromaSatellitePlatform 93 SAPHIRCHANNELS RESPONSE NADIRVIEW Atnadirviewwithdryatmosphere thelowfreqchannelsarecontaminatedbysurfacecontributions DryAtmosphere MoistAtmosphere 94 权重函数的物理意义 95 权重函数的计算 96 在地球 大气系统对太阳辐射的吸收中 大气的吸收只占20 地球表面吸收了约50 3 6地面对太阳辐射的反射和吸收 地面反照率 97 应用 植被指数 NDVI 在NOAA气象卫星上利用二个通道 分别测量可见光通道 例如0 58 0 68 m 和近红外通道 如0 7 1 1 m 波段的地面反照率 当植被生长茂盛 植被指数值就较大 98 云的反照率既依赖于云的厚度 相态和含水量等云的宏微观特性 而且和太阳高度角和下垫面反照率有关 云的反照率 99 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 100 101 地面及其覆盖物对太阳辐射的反射 1 地面土壤粒子结构 土壤水分对反照率的影响2 植被