大气遥感方法-被动红外遥感

2020/5/27,大气红外微波遥感,1,一个台湾人做的卫星遥感,2020/5/27,大气红外微波遥感,2,大气红外微波遥感,行星地球温度约300k，大气具有丰富的红外和微波吸收带。红外和微波辐射的特点是，它们的波长远远大于大气分子的直径，此时散射效应可以忽略不计，因此电磁辐射的主要作用机制是吸收(发射)。利用地基与空基平台传感器探测的大气热辐射信号，反演大气温度，水汽，云，降水以及某些大气痕量气体的时空分布构成了大气红外、微波遥感的主要内容。,2020/5/27,大气红外微波遥感,3,大气温度的卫星红外遥感,温度是描述大气状态的重要参数之一。最早是通过气球或者火箭探空来获得大气温度的垂直结构，至今仍然是获得局地大气温度结构的常用有效手段。在1961年的TIROS-2卫星上开始卫星遥感大气温度结构的方法实验，并在第三代美国气象卫星上正式投入业务应用。卫星遥感大气温度建立了卫星遥感的基本概念和方法，拉开了大规模的卫星遥感地球环境活动的序幕。,2020/5/27,大气红外微波遥感,4,平面平行大气局地热平衡垂直方向光学厚度向下辐射用表示，而均取正值。该解的物理意义明确。,卫星接收的红外辐射,2020/5/27,大气红外微波遥感,5,卫星接收的红外辐射,2020/5/27,大气红外微波遥感,6,推论1,观测波段位于大气窗区，则=1，此时卫星接收的辐射即等于地面的辐射。根据黑体的辐射定律，黑体辐射仅仅与温度有关，从而可以反推温度实际大气中，即使选择大气窗区波段，大气也还是有轻微吸收的，比如水汽吸收。因此地面温度遥感业务通常选用2个以上的波段来消除大气轻微吸收的影响，提高测温度精度。分裂窗方法下通常近似有物理温度是两个波段亮度温度的线性函数，则由统计方法确定有关系数即可。,2020/5/27,大气红外微波遥感,7,推论2,扣除地面辐射贡献，得到标准的遥感方程，W成为权函数。第一类傅雷得赫姆方程,2020/5/27,大气红外微波遥感,8,推论2,为了遥感温度，显然我们希望权函数是定常的,即消除气体浓度变化对辐射传输的影响。吸收气体均匀混合qconst最佳，同时该气体要有丰富的吸收带，而且不与其它气体吸收带重叠。地球大气中满足该两项要求者CO2与O2。火星与金星可以使用CO2，而木星可以使用CH4的7.7微米带。,2020/5/27,大气红外微波遥感,9,推论3,回到原始方程，经分步积分有第二类弗雷德霍姆方程假定温度已知，则气体含量信息隐藏在光学厚度的积分式中。此时，planc函数的温度变化是遥感透过率的权函数。,2020/5/27,大气红外微波遥感,10,推论4,只有权函数具有类似dirac函数特征时，遥感方程才可能有反演解。首先，假定权函数是常数，则有无穷组合满足遥感方程，遥感方程无解！假定某通道吸收气体光学性质如下，显然可以确定P0高度的大气温度分布。,2020/5/27,大气红外微波遥感,11,假定有一系列通道分别由类似的光学性质，则可以类似确定一系列高度的温度分布。再经差值得出整个大气的垂直温度分布。,2020/5/27,大气红外微波遥感,12,讨论5光谱加宽与权函数,考虑吸收线翼区。均匀混合气体密度与气压高度变化成正比。,2020/5/27,大气红外微波遥感,13,讨论5光谱加宽与权函数,均匀混合气体密度与气压高度变化成正比，则权函数在气压2/b平方根处达到极值。气压2/b层也成为有效信息层。,2020/5/27,大气红外微波遥感,14,权函数算例,2020/5/27,大气红外微波遥感,15,图：HIRS各通道权函数,2020/5/27,大气红外微波遥感,16,HIRS部分通道权函数,2020/5/27,大气红外微波遥感,17,讨论6简化的权重函数,假定温度是z的缓慢变化的单调函数，将B在平均温度附近展开有，此时，planc函数的温度变化率与透过率的高度变化率之积将是温度的直接权函数。,2020/5/27,大气红外微波遥感,18,发射辐射的临边探测,卫星遥感除了普通的下视探测（传感器向着地面）外，临边探测也是一种重要的方式。临边探测是用光学视场很窄的探测器向着与地球相切的方向进行观测，对于一定的大气层，临边时的光学厚度比下视探测时要厚得多，有可能探测并研究浓度极低的微量气体成份。,2020/5/27,大气红外微波遥感,19,2020/5/27,大气红外微波遥感,20,临边遥感权函数,显然，如果测量混合均匀气体的发射辐射（数个谱线则可），通过测量不同地球切线高度的辐射得到温度分布。同样，由权函数可以看出，发射辐射的决大部分贡献来自临近h的高度。因此，温度已知时有可能确定成份含量分布。,2020/5/27,大气红外微波遥感,21,由发射辐射确定吸收气体总量,2020/5/27,大气红外微波遥感,22,遥感反演,不是所有的遥感方程都有反演解。由于存在测量误差，有些方程的解是非适定的。从遥感方程出发得到反演解的过程称为物理反演，有些遥感没有明确的遥感方程，但是其遥感解是真实存在的，,2020/5/27,大气红外微波遥感,23,直接线性反演,温度遥感方程中，普朗克辐射量既是温度的函数也是波数的函数。为了消除波数的影响，选定一个固定参考波数，将普朗克函数展成波数变化项与温度变化项。选取M个通道，记每个通道波数i，i=1,2,M。显然，如果由遥感方程确定f(p)，即参考波数下的普朗克函数，进而反演温度。为此，将f(p)用N阶经验函数展开，遥感反演最终归结为确定展开系数fj,2020/5/27,大气红外微波遥感,24,直接线性反演,2020/5/27,大气红外微波遥感,25,约束直接线性反演,由于仪器固有噪声导致的辐亮度测量误差，以及普朗克函数展开引起的误差，上述线性方程的解是不稳定的。需要附加一些约束条件来得到稳定的反演解。约束条件：辐亮度残差最小，以及反演解约束在气候统计平均值附近。是平滑系数。与直接线性反演相比，约束线性反演多了一个平滑项，进而保证解的稳定性。,2020/5/27,大气红外微波遥感,26,数值迭代chachine,根据权函数性质，对于给定通道，大气顶辐亮度可以用该气层温度普朗克辐射表示（中值定理）。同样有气层期望温度T(Pi)时期望辐亮度。显然给定猜测温度，则可由上述迭代方程获得期望温度。,2020/5/27,大气红外微波遥感,27,Chachine迭代步骤,(a)各气层温度T(n)(Pi)猜测初始值(b)代入遥感方程计算各通道的期望辐亮度(c)计算辐亮度与观测辐亮度比较，所有通道结果都辐射残差标准时则此时T(n)(Pi)即反演结果，否则继续(d)利用张驰迭代方程计算各气层新的温度猜测值T(n1)(Pi)，并重复步骤（b),2020/5/27,大气红外微波遥感,28,猜测温度T(50)=T(400)=T(1000)=260Ii=Bi(1000)i(1000)+Bi(900)i(600)i(1000)+Bi(400)i(150)-i(600)+Bi(50)i(10)-i(150)计算得到76.9,82.3,85.2,不满足新的温度值228,238,254K计算得到45.7,55.3,71.6228,239,259K45.3,56.4,74.4228,239,262K45.2,56.7,75.9228,239,264K45.2,56.8,76.7，结束,Chachine迭代算例,假定卫星有三个通道（波数cm-1），各通道透过率如表。辐亮度mw/m2/ster/cm-1，气压用mb表示。地面温度280k。,2020/5/27,大气红外微波遥感,29,Smith迭代,对于给定温度，有辐亮度。二者相减并假定普朗克函数差不依赖气压P得到有迭代关系式。基于i通道得到新温度。各独立通道的温度做加权平均得到反映气层温度的新结果。,2020/5/27,大气红外微波遥感,30,统计反演,基于遥感方程的反演方法称为物理反演。实际应用中往往大量使用统计反演，这是由于辐射与大气介质相互作用的复杂性，遥感方程本身还比较粗糙，有时候甚至不能用明确的遥感方程来描述。统计反演的基础是卫星接收辐亮度与遥感目标之间有统计相关性。对历史资料（卫星资料与地面资料）做统计回归找出这种联系。统计反演时，需要对卫星资料做必要的处理，以便剔除一些与遥感目标无关的因素。,2020/5/27,大气红外微波遥感,31,大气温度的微波遥感,由于云对红外辐射是不透明的，因此红外温度遥感只适合在晴空无云天气条件下的温度遥感。考虑到微波对云雨的强穿透能力，在红外温度遥感的基础上发展了卫星微波温度遥感，解决了云雨天气下的大气垂直温度遥感问题。微波遥感大气温度，主要是利用O2的5mm微波吸收带。1979年6月发射的国防气象卫星上首次开展了大气温度垂直分布的微波遥感业务。,2020/5/27,大气红外微波遥感,32,微波温度遥感方程,2020/5/27,大气红外微波遥感,33,微波温度遥感方程,在微波段，地面不再看成黑体，地面比发射率小于1。此时，卫星接收的微波辐射不仅有大气向上热发射、地面热发射的贡献，还有大气向下热发射经地面反射辐射的贡献。显然，微波温度遥感方程中核函数不仅有红外温度遥感方程同样的要求，而且由于核函数中包含地面比发射率项，因此必须安排特定的通道来确定比发射率或者把它从遥感方程中消除。,2020/5/27,大气红外微波遥感,34,温度遥感小结,无论co215微米带，4.3微米带还是O2的5mm带，都是利用吸收气体的热发射以及不同高度层对辐射的贡献差异来遥感大气温度。卫星遥感大气温度应该具备如下条件选用的吸收气体混合比已知，最好是定常的，消除气体浓度变化对辐射传输的影响。火星与金星可以使用co2，而木星可以使用CH4的7.7微米带。选用吸收气体具有丰富的吸收带，而且不能与气体气体吸收带重叠大气处于局地热平衡状态，太阳辐射以及散射效应可以忽略不计。地球80km以下大气属于这种情况。卫星反演温度结果的检验也存在难度，表现在卫星资料与地面探空资料在时间，空间上的一致性差异，以及不可避免的测量误差的影响。,2020/5/27,大气红外微波遥感,35,引申：地面温度遥感,卫星遥感大气温度垂直结构时，为了把地面热辐射贡献从卫星接收辐射中扣除，要求地面温度是已知的。问题是，如何由卫星遥感地面温度？回到辐射传输方程。如果选择波段位于大气窗区，即大气吸收可以忽略，大气透过率等于1，则很容易得到如下关系：卫星接收辐亮度就是地面黑体辐亮度！然而，即使选择波段位于大气窗口，由于水汽实际大气也还是有一定的吸收特性。为了消除实际大气吸收因素，通常采样分裂窗法，利用2个通道来消除水汽吸收影响，提高反演地面温度的精度。,2020/5/27,大气红外微波遥感,36,引申：卫星视场云含量,卫星红外遥感时，如果视场部分有云，我们也希望利用这部分数据，进而扩展卫星资料的使用范围。问题是，如何确定视场内云量？假定视场内云量百分比Nc，则无云区域百分比（1-Nc）。地面或者云团的面辐射强度可以由其它无云区域或者满视场云区域的强度来确定，那么结合部分有云区域的辐亮度可以最终确定视场内云的比率。,2020/5/27,大气红外微波遥感,37,大气成份的红外/微波遥感,大气温度遥感奠定了卫星遥感的基本概念与方法。除此之外，大气中的水汽，微量成份，气溶胶，云，降水等也是大气遥感的重要领域。,2020/5/27,大气红外微波遥感,38,成份遥感方程,回到辐射传输方程（#）。用分步积分可以写成（#）式。如果大气温度已知，则（#）式即反演吸收气体透过率的遥感方程。由于透过率与吸收气体的密度或者混合比紧密相关，（#）可能导出气体密度廓线。注意到气体密度包含在积分式，因此实际反演要困难得多。,2020/5/27,大气红外微波遥感,39,临边遥感,平流层大气成份，比如O3，H2O，CO2等在天气气候过程及大气化学中有重要作用，但是含量稀少。如果用垂直探测这些气体的热发射的方法来遥感它们的含量，则由于辐射太弱很难得到较高的精度。卫星技术出现之后发展了一种临边遥感技术，用小光学视场仪器扫描地球的边缘并接收来自地球高层薄层气体辐射，进而反演高层大气特性。,2020/5/27,大气红外微波遥感,40,临边遥感几何结构,由已知气体确定温度，如上。温度确定后得到吸收气体的总发射率，与气体密度总量有关。,2020/5/27,大气红外微波遥感,41,临边遥感特点,大气密度和压力随高度呈指数衰减，所以只在切点之上几公里高度范围内的辐射能被仪器接收所有辐射均来自大气，不用考虑下垫面沿水平路径有较大的不透明性（路径长），对探测痕量气体特别有用。随着高度降低，射线路径越来越长，信号也就越来越长，但是由于大气不透明程度也越来越大，使得切点处信号到不了探测器，因此该方法不适宜探测10-15km以下的大气层。水平方向大气成份剧烈变化以及路径上面的云层将对探测有重要影响。由于观测仪器视场狭窄，卫星扫描辐射观测方向强烈依赖卫星位置的精确定位，否则观测结果是没有意义的。,2020/5/27,大气红外微波遥感,42,水汽密度廓线,22Ghz附近，水汽的微波光学厚度有上述近似关系。对于海洋表面，其大气光学厚度可以通过测定精确海温辐射度后获得。在光学厚度表达式中，f类似一个权函数，22.23，21.90，19.00GHz对应不同的高度分布特征，22.3随着气压下降而上升，而19随着气压下降二下降，21.9大约在10-15km有一个峰值。这一方法通常用于海面之上水汽密度廓线测量。,2020/5/27,大气红外微波遥感,43,云中液态水测量,在22GHz与40Ghz附近，亮温可以近似表示为。此时透射比主要受水汽和液态水的影响。Q0，W0是经验常数，Q,W分别是水汽和液态水。在地面比辐射率和温度已知时,可以由22GHz与40Ghz两个通道的亮温来求解。统计法。,2020/5/27,大气红外微波遥感,44,水汽图,在红外波段5.7-7.3微米，中心波长约6.7微米，是水汽的一个重要吸收带。因此，卫星在这一吸收带测量的辐射主要是大气中水汽发出的。将卫星在这一波段测得的辐射转换成图像就得到水汽图。通常在水汽图上色调愈白，表示水汽越多，色调越黑表示水汽越少。实际上，由于水汽的吸收，当大气中水汽含量很大时，卫星测得辐射来自大气上层，而大气中水汽含量较少时，卫星测得辐射来自较低高度大气层,2020/5/27,大气红外微波遥感,45,2005年10月31FY2C水汽图,2020/5/27,大气红外微波遥感,46,水汽红外遥感,大气层红外贡献是由透过率与普朗克函数的高度变化率的乘积组成，进一步观察可以看出，气体密度其实是隐藏在透过率里面的的。在温度已知情况下，普朗克函数是已知的，从原理上面来说是能够把气体密度反演出来的。气体透过率强烈依赖待测水汽的密度，这与温度遥感时透过率对温度的依赖关系较小明显不同。这是由于这一不同，对该方程的遥感反演也困难得多，没有明确的数学分析方法可以遵循。回归法是卫星遥感中对物理机制异常复杂或者物理机制不明确情况下普遍采样的方法。,2020/5/27,大气红外微波遥感,47,卫星红外云图,3.55-3.93微米称为短波红外云图，10.5-12.4称为长波红外云图。在10.5-12.5微米太阳辐射完全忽略。由于在该波段大气吸收可以忽略不计，地面和云面都可以近似看成黑体，则卫星上面接收的辐射就是地面和云面的Planc发射。显然，如果将卫星接收的辐射转换成图像，辐射大用黑色表示，辐射小用白色表示，则云图的色调分布其实就是温度分布图。由于大气温度随高度递减，所以根据色调深浅能判断云的种类，例如高云一般呈白色，而低云呈暗色。利用大气温度递减率，由红外云图估算云高。上面把云看成黑体，实际情况并非如此。因此由卫星观测的辐射推算表面温度比实际的低，由此求出的云顶高度偏高。由于H2O在这一波段的吸收，以及H2O成份的变化多端，反演温度时存在很大的不确定性。3.55-3.93微米位于太阳辐射光谱曲线与地球大气辐射光谱曲线相互交迭处，所以在白天这一通道测得的辐射不仅包含地面自身发射的辐射，还包含有云地表面反射的太阳辐射。与长波云图相比，短波云图测温精度要高，而且在这一波段大气透过率近似0.9，大气透过率相对稳定。但是，白天太阳辐射的污染问题必须想办法消除。,2020/5/27,大气红外微波遥感,48,红外云图1,卫星在红外波段所选用的通道有3.55-3.93，10.5-12.5微米。3.55-3.93微米称为短波红外云图，而10.5-12.4称为长波红外云图。如果将卫星接收的辐射转换成图像，辐射大用黑色表示，辐射小用白色表示，则云图的色调分布其实就是温度分布图。由于大气温度随高度递减，所以根据色调深浅能判断云的种类，例如高云一般呈白色，而低云呈暗色。在10.5-12.5微米波段接受的辐射是地面和云面发射的红外辐射，太阳辐射完全忽略。,2020/5/27,大气红外微波遥感,49,红外云图2,3.55-3.93微米位于太阳辐射光谱曲线与地球大气辐射光谱曲线相互交迭处，所以在白天这一通道测得的辐射不仅包含地面自身发射的辐射，还包含有云地表面反射的太阳辐射。与长波云图相比，短波云图测温精度要高，而且在这一波段大气透过率近似0.9，大气透过率相对稳定。但是，白天太阳辐射的污染问题必须想办法消除。上面把云看成黑体，实际情况并非如此。因此由卫星观测的辐射推算表面温度比实际的低，由此求出的云顶高度偏高。由于H2O在这一波段的吸收，以及H2O成份的变化多端，反演温度时存在很大的不确定性。,2020/5/27,大气红外微波遥感,50,红外云图云图2005年10月31FY2C,2