现代大气探测学-第十三讲-大气遥感探测a.ppt

南京信息工程大学夏俊荣xiajunr03 现代大气探测学 2012年3月29日 致谢 本课程多媒体教材是在兰州大学张文煜教授的同类教材基础之上修改完成 此外还得到了其他诸位老师及同行的帮助 在此谨表示衷心感谢 第十三讲大气遥感探测 主要内容13 1概述13 2地基雷达大气遥感探测13 3卫星大气遥感探测 气象仪器就其测量方法而言 可分为两类 一类属接触式仪器 就是说仪器的感应元件与被测物质直接接触 以测出被测物质的气象特性 另一类属遥感式仪器 它是利用接收被测物散射 反射 发射出来的电磁波 以测出被测物质的气象特性 主要内容13 1概述13 2地基雷达大气遥感探测13 3卫星大气遥感探测 1 遥感就是不直接接触测量目标物或有关的大气物理现象 通过探测器接收来自被测目标物发出的辐射信息 并对其处理 分类和识别的一种技术2 遥感的分类遥感按探测器的工作方式可分为主动式大气遥感探测和被动式大气遥感探测两种3 主动式大气遥感探测是探测器本身发射某一波长的电磁辐射 然后再接收目标物反射回来的电磁辐射强度的变化来推测被测物体的特性和气象要素的分布4 被动式大气遥感探测是在一定电磁波谱段内测量被测物体发射的电磁辐射 然后由物理定理推出被测物体的特性和气象要素的分布 为什么需要遥感探测呢 在需要空间和时间很密集的资料时 观测区域是常规观测仪器所不能达到的 或者使用常规观测仪器获取又很不经济 此时 遥感就成为了一种特别有用的探测手段 主要内容13 1概述13 2地基雷达大气遥感探测13 3卫星大气遥感探测 天气雷达 2 地基雷达大气遥感探测 雷达 是RadioDetectionAndRanging缩写Radar的音译 字面上含义是无线电探测和测距 确切的讲 就是无线电方法发现并测定空间目标的位置 最主要的作用 就是用于警戒强对流灾害性天气 同时 也可以把它作为研究大气物理的重要手段 1 雷达 中国新一代天气雷达 为什么全国不布同样的雷达 常规天气雷达50年代开始使用军事雷达58年引进第一部天气雷达60年代末711X波段数字化天气雷达70年代自行生产711 712 71380年代具有数字处理系统的714S波段 引进多普勒雷达多普勒天气雷达90年代已生产出714CD 714SD型脉间相干雷达99年对WSR 88D进行改造 第一部先进的S波段全相干脉冲多普勒雷达CINRAD CC3824型 我国雷达气象发展历史 雷达定向发射的电磁波在大气中近似以光速传播 当它碰到目标物时 就有一部分电磁波能量被散射返回 回来的信号 回波 被雷达接收机接收 并用显示器 或计算机系统 显示出来 从而确定气象目标物的位置和特性 C 3 108m 1sec 106 s 2 天气雷达的工作原理 X Y Z H L R 3 天气雷达的基本组成 信号通过天线发射和接收 发射机和接收机用于发射和接收信号 信号处理器对接收到的信号通过A D转换 视频积分等处理后得到回波强度 移动速度和谱宽 伺服系统主要控制天线 将其数据送回信号处理器及监控系统 监控系统负责拳击的监视和控制 数据处理和显示系统负责数据的采集 显示 生成产品 存储及传输 4 什么是雷达气象方程 雷达回波强度不仅取决于雷达系统各参数的特性 而且和被观测的目标物 云 降水粒子 的性质有关 还与雷达和被测目标物之间的距离以及其间的大气状况有关 只有把这些要素分析清楚 才能根据所测定的回波强度去推断云 降水的物理状况 雷达气象方程就是为此目的而建立的 雷达气象方程 集中反映雷达回波强弱与气象目标物 雷达的各参数以及距离等关系的数学表达式 雷达气象方程是雷达气象学的理论基础 利用雷达气象方程 可以根据回波的强度判断降水区的物理状况 并正确地选择雷达的参数 4 雷达气象方程 雷达机各参数及其在雷达探测中的作用气象因子的作用距离因子的影响 瑞利散射1871年Rayleigh推出散射公式 粒子直径和入射波长d 的小球形粒子散射 一般云滴 小雨滴对厘米波长的雷达波的散射可看作瑞利散射米散射1908年G Mie推出均匀介质圆粒子对平行波散射的函数表达式 粒子直径和入射波长d 的大球形粒子散射 5 瑞利散射和米散射 6 散射是雷达探测大气的基础 雷达截面 雷达截面的大小反映了粒子所造成的后向散射的大小 雷达反射率 单位体积内全部降水粒子的雷达截面之和 以 表示雷达反射率因子 单位体积中粒子的数密度与直径6次方乘积的总和 用Z表示 反射率因子Z值的大小 反映了气象目标内部粒子的尺度和数密度 常用来表示气象目标的强度 由于反射率因子Z只取决于气象目标本身而与雷达参数和距离无关 所以不同参数的雷达所测得的Z值可以相互比较 等效反射率因子Ze 能够产生同样回波功率 与小球粒子的等效的Z的数值 引进Ze值后 即使在米散射情况下 只要以Ze值代替Z值 雷达气象方程仍可保持瑞利散射时的简单形式 7 衰减 衰减 就是吸收和散射两种作用的总和 由于衰减 使回波图像 定量测量情况与实际情况之间出现偏差 造成回波的失真 了解衰减对雷达探测的影响 对于正确使用回波资料是十分重要的 衰减物 大气 云 降水粒子 气体 考虑吸收作用 忽略散射作用气体吸收 3 10cm波长可忽略 1 对2cm以上的雷达波其吸收所造成的衰减 一般可忽略 2 对波长在1cm附近或探测距离较远时 吸收所造成的衰减必须考虑 3 衰减除与雷达波长有关外 还与湿度 温度 气压等有关 4 吸收雷达波的大气气体主要是水汽和氧气 吸收带 水汽 1 35 0 18cm0 2cm处水汽吸收与绝对湿度成正比 近似与水汽密度成正比 除1 35cm波长附近 与气压成正比 水汽含量不变 与温度成反比 氧气 0 5cm处氧气吸收与温度成反比 波长在0 7 10cm时 与气压的平方成正比 大气气体对雷达波的衰减 云的衰减 1 液态云 衰减与波长 温度成反比 2 液态云 10cm雷达波云的衰减可以忽略 5cm雷达波云的衰减一般可以忽略 3cm雷达波穿过较长距离的云层时 云的衰减不可以忽略 3 冰云 由于冰的介电常数小 冰云的衰减要比液态云的衰减小2 3个量级 因此冰云的衰减可以忽略 雨的衰减考虑 10cm雷达除特大暴雨外 一般雨滴可以忽略5cm雷达对中 小雨滴可以忽略3cm雷达对雨滴不能忽略 8 脉冲多普勒雷达测量的基本参数 多普勒雷达的探测出可以得到雷达反射率因子外 还可以以多普勒效应为基础 通过接收和发射信号之间的相位或频率差异 测定有效照射体内散射粒子相对于雷达的平均速度 速度谱以及速度谱宽等物理量 9 研究回波强度分布和回波径向速度场特征的意义 前者可以了解回波强弱和性质 从而可以知道属于什么类型和性质的回波后者除进一步证实上述回波的强弱和性质外 还可以了解大气流场 气流垂直速度分布等两者结合 加上有时间序列的连续探测资料 就可以了解回波演变和移动规律 10 回波分类 1 气象回波 分为降水回波和非降水回波 成因 大气中云 降水中的各种水汽凝结物对电磁波的后向散射和大气中温 压 湿等气象要素剧烈变化而引起的 降水回波 层状云连续性降水回波 对流云降水回波 积层混和云降水回波 雪的回波 冻雨 沙暴中降水 第二次扫描回波等其他类型降水回波 非降水回波 云的回波 雾的回波 闪电信号及其回波 晴空大气回波 点状或圆点状 窄带状 细胞状 层状 大气波动和湍流 环状 海风 2 非气象回波 成因 地物 飞机等非气象目标物对电磁波的反射以及由于雷达的性能而引起的虚假回波 包括 地物回波 超折射回波 同波长干扰回波 飞机船只等的回波 海浪回波 由天线辐射特性造成的虚假回波 多普勒径向速度场分析技术 对其基本特征的研究 可按零径向速度线 朝向雷达雷达分量 负 离开雷达分量 正 范围 分布及中心 强多普勒径向速度梯度带 三个方面进行分析 在PPI上 当距离变远 即距离增加实际风向始终和零径向速度线正交 即任意高度上零径向速度廓线方位转过 90 就是该高度上的实际风向 常见的雷达图像 天气雷达应用得最多的是平面位置显示器 平面位置显示器 简称平显 也叫PPI 英文planpositionindicator的缩写 用 亮度调制 显示 如右图所示 当天线仰角为 天线围绕铅直轴转动时 平面位置显水器表示的是波束扫描平面上的降水分析 平面位置显示器 PPI 为了了解云 雨的形成和垂宣结构情况 在天气雷达上还有一种常用的显示器 距离高度显示器 距离高度显示器简称高显或RHI rangheightindicator 在高显中 横坐标表示云 雨目标的斜距 纵坐标是云雨目标的高度 云雨目标仍用 亮度调制 显示 云和降水区和平面位置显示器上一样为一片亮班 距离高度显示器 RHI 反射率剖面图 典型强对流冰雹天气 回波高度达12 0Km 强度达60dBz 大气3 距离仰角显示器同样是显示云和降水的垂直结构的显示器 由于距离高度显示器只能在低仰角下位用 如711雷达和7l3常达在作距离仰角显示时 天线的最大仰角只分别为32 和29 这样的仰角看不到近距离天顶附近的云雨情况 为了了解近距离天顶附近的云雨发展情况和结构 某些天气雷达 如图产713雷达 可以作 距离仰角显示 这种显示器简称为REI rangelevationindicator 横坐标为距离 纵坐标为高度 垂直坐标尺度和水平坐标尺度一样 因此它没有距离高度显示器那样出于两个坐标尺度不一样而引起的失真 距离仰角显示器 REl 平面位置显示器只是在仰角为 时得到降水目标的平面分布 仰角大于 时得到的是一个远处高近处低的漏斗面上的云雨分布 为了了解不同高度上的云和降水分布 了解降水发生发展的三度空间情况 国外设计使用了所谓 等高平面位置显示器 简称CAPPI constantaltitudePPl 等向显示器能够显示不同高度平面上的云雨分布 等高平面位量显示器 CAPPl 基本速度图 由风场看出上下层均为一致东南风 水汽充沛 降水维持 风廓线图 强劲的东南偏南风 输送足够的水汽 有利于降水天气产生及维持 速度方位显示 入流大于出流 说明低层有辐合 垂直液态含水量 VIL 垂直液态含水量最大达到44kg m2 水汽充沛 有利于产生冰雹 回波顶高 回波显示高度达11 6Km 说明对流发展旺盛 回波顶高是一个监测对流性天气产生强降水的重要指标 主要内容13 1概述13 2地基雷达大气遥感探测13 3卫星大气遥感探测 A Train计划的示意图 fromhttp www gsfc nasa gov CALIPSO卫星搭载的CALIOP激光雷达扫描轨道 TypicalresultsofCALIPSO USA TERRAMODIS 2008年5月27日03 40 UT 北京 风云二号卫星静止 风云一号卫星极轨 2011年5月25日9时台风 桑达 静止卫星风云2号E星云图 13 2卫星大气遥感探测 被动式大气遥感探测是利用大气或地面对太阳光的吸收 反射及自身发射的能量进行大气遥感的一种方法 该方法不需要人工辐射源 而是利用自然界中已有的各种辐射能量 被动地接收自然界本身的信息 根据遥感接收机所接收的电磁波的波长不同 被动式大气遥感探测一般可分为可见光探测 红外辐射探测和微波探测等 13 2卫星大气遥感探测 由于科学技术的发展 当前卫星已经能够为其搭载的传感器提供足够的能量 这就为主动式遥感探测的实现打下了基础 卫星遥感已经由单一的被动式遥感发展到主被动遥感兼备的时代 最近10年来 已经发射多个搭载主动式遥感设备的卫星 1 可见光探测 可见光谱段是一个很狭窄的波长间隔 波长在0 35 0 8微米之间 这一谱段的最大特点是它对人眼的视网膜施以一种特殊的刺激引起视觉 因而人眼可以感觉它 可见光通过梭镜可以分解为紫 蓝 绿 黄 橙 红等颜色 可见光探测主要测量地面 包括云面 对太阳辐射反射的可见光辐射 物体对太阳辐射的反射辐射可以从0 3微米的紫外光谱区延伸至波长2 5微米的近红外光谱区 从0 75微米到2 5微米的近红外光谱区称为反射红外辐射区 1 可见光探测 1 可见光探测 可见光探测主要应用于卫星遥感 卫星探测器属于被动式遥感探测仪器 实际上现在已经发展了主动式可见光卫星传感器 如CALIOP 星载激光雷达 其在可见光谱段测量目标物对太阳光的反射辐射 若把卫星测得的这种辐射转换成图象便得到可见光云图在一定太阳高度角下 可见光云图上物象的色调主要决定于目标物的反照率 一般说来 目标物的反照率愈大 其色调愈白 从可见光云图可以观测到云系的各种分布 地表特征 高山 平原 沙漠 河流 积雪等 海流 海冰等 2 红外辐射探测 红外辐射光谱段从0 8微米到1000微米 红外辐射也称热辐射 红外辐射是人眼看不见的光线 但是利用仪器可以测量它 红外辐射探测一般可分为两种情况 一是接收来自地球表面或者是大气发射的红外辐射 另一种是接收太阳的红外辐射 该波段位于大气中某种大气成份的吸收带上 用于遥感大气中该成份的浓度或含量 2 红外辐射探测 卫星上的红外辐射探测器测量的是地球 大气系统发出的红外辐射 若把卫星测得的这种辐射转换成图象便得到红外云图 在红外云图上 色调愈黑处表示目标物发射的辐射愈强 色调愈浅表示目标物发射的辐射愈弱 由于红外辐射取决于温度 温度愈高辐射愈强 温度愈低辐射愈弱 所以红外云图也可看成为一张温度分布图 这样一来 就可以根据红外云图上色调的深浅判断温度的高低 色调愈白 温度愈低 色调愈黑 温度愈高 由于大气温度随高度是递减的 低云和地表的温度较高 中云次之 卷云最低 所以由红外云图可以判别云顶高度和云的种类 2 红外辐射探测 卫星的红外辐射探测不仅可以得到云系分布 云顶高度 云顶温度 而且还可以确定海面温度 地表温度 洋流 海洋石油污染等 红外辐射探测还可以测定大气垂直温度分布廓线 大气垂直温度分布状况是数值天气预报所需要的重要数据 另外 红外辐射探测可以利用大气中各种成份的吸收光谱特性 接收太阳辐射或反射 对大气中的某种成份进行遥感测量 如监测CO2 常使用波长为2 06微米的CO2吸收带 测量大气中的CH4含量 常使用波长为3 34微米