第1-2章气象卫星遥感原理

1、南京信息工程大学大气物理学院南京信息工程大学大气物理学院肖稳安肖稳安TelE-mail：2013.8.28.2013.8.28.第一章第一章 气象卫星探测概述气象卫星探测概述 大气物理学院大气物理学院 肖稳安肖稳安TelE-mail： 第一节第一节 气象卫星遥感的意义和内容气象卫星遥感的意义和内容 背景：背景：二十世纪二十世纪40405050年代，科技发展的两大年代，科技发展的两大突出进展：突出进展： 19461946年现代电子计算机技术研制成功，大年现代电子计算机技术研制成功，大大地缩短了科学进程。大地缩短了科学进程。 空间科学的迅速发展，

2、出现了人造卫星，空间科学的迅速发展，出现了人造卫星，人类向宇宙空间进军，并广泛应用于天文、气象人类向宇宙空间进军，并广泛应用于天文、气象、地质、海洋、农业、军事和通信等领域。、地质、海洋、农业、军事和通信等领域。 气象卫星气象卫星 19601960年年4 4月月1 1日，日，TIROSTIROS卫星升空，开卫星升空，开创了人造卫星应用于气象的新纪元。创了人造卫星应用于气象的新纪元。 气象卫星气象卫星: :在宇宙空间、固定的轨道上，在宇宙空间、固定的轨道上，携带着各种气象探测仪器，测量诸如温度、携带着各种气象探测仪器，测量诸如温度、湿度、风、云、和辐射等气象要素和雷电等湿度、风、云、和辐射等气象

3、要素和雷电等天气现象，用于气象观测目的的人造星体。天气现象，用于气象观测目的的人造星体。 仪器越来越先进，精度越来越高。仪器越来越先进，精度越来越高。 遥感的概念遥感的概念 在一定距离之外，不直接接触被测在一定距离之外，不直接接触被测物体和有关物理现象，通过探测器接收物体和有关物理现象，通过探测器接收来自被测目标物发射或反射的电磁辐射来自被测目标物发射或反射的电磁辐射信息，并对其处理、分类和识别的一种信息，并对其处理、分类和识别的一种技术技术。遥感探测的设备遥感探测的设备 传感器，运载工具传感器，运载工具 遥感探测的内容遥感探测的内容 遥感信息获取手段的研究；遥感信息获取手段的研究； 各类物体

4、的辐射波谱特性及各类物体的辐射波谱特性及传输规律的研究；传输规律的研究； 遥感信息的处理与分析判读遥感信息的处理与分析判读技术的研究。技术的研究。 遥感探测的分类：遥感探测的分类： 按工作方式分为：被动遥感和按工作方式分为：被动遥感和主动遥感；主动遥感； 按波段分为：紫外遥感、可见按波段分为：紫外遥感、可见光遥感、红外遥感和微波遥感；光遥感、红外遥感和微波遥感； 按对象分为：大气遥感、海洋按对象分为：大气遥感、海洋遥感、农业遥感和地质地理遥感等。遥感、农业遥感和地质地理遥感等。 在空间固定轨道上运行在空间固定轨道上运行 自上而下进行观测自上而下进行观测 全球和大范围的观测全球和大范围的观测 遥

5、感探测遥感探测 使用新的探测技术使用新的探测技术 丰富的观测资料丰富的观测资料 受益面广受益面广极轨卫星观测极轨卫星观测静止卫星观测静止卫星观测第二节第二节 气象卫星遥感观测的特点气象卫星遥感观测的特点第三节第三节 卫星遥感观测资料的作用卫星遥感观测资料的作用 在大气科学中的应用在大气科学中的应用 农业遥感中的应用农业遥感中的应用 林业遥感中的应用林业遥感中的应用 海洋遥感中的应用海洋遥感中的应用 军事气象中的应用军事气象中的应用 航空气象中的应用航空气象中的应用 空间环境监测中的应用空间环境监测中的应用 通信中的应用通信中的应用 增加了气象观测资料的内容增加了气象观测资料的内容 填补了洋面和

6、荒漠地区的观测资料填补了洋面和荒漠地区的观测资料 实现了连续实现了连续监视暴雨洪水和冰雹、龙卷、强风、监视暴雨洪水和冰雹、龙卷、强风、 雷电等强雷暴天气，使临近预报成为可能雷电等强雷暴天气，使临近预报成为可能 监视海洋上的天气系统，改进了洋面天气预报监视海洋上的天气系统，改进了洋面天气预报 改善高原天气分析和预报改善高原天气分析和预报 加深了对天气系统的理解加深了对天气系统的理解 改进了长期天气预报改进了长期天气预报 收集和转发各种气象资料收集和转发各种气象资料 气象卫星资料在大气科学中的应用气象卫星资料在大气科学中的应用第四节第四节 气象卫星探测的要求和分类气象卫星探测的要求和分类一一. .

7、气象卫星探测的要求气象卫星探测的要求 1 1、环绕地球运行（圆或椭圆）、环绕地球运行（圆或椭圆） 2 2、在轨运行时间长（寿命长）、在轨运行时间长（寿命长） 3 3、可进行多种观测、可进行多种观测 4 4、观测资料精度高、观测资料精度高 5 5、观测连续、观测连续 6 6、便于观测资料处理、便于观测资料处理二二. .近极地太阳同步卫星轨道近极地太阳同步卫星轨道1 1、什么是近极地太阳同步卫星轨道、什么是近极地太阳同步卫星轨道地地球球轨轨道道太太 阳阳卫星轨道春春夏夏秋秋冬冬图图 太阳同步轨道太阳同步轨道2 2、近极地太阳同步卫星轨道的实现、近极地太阳同步卫星轨道的实现（1 1）卫星轨道平面随地

8、球绕太阳公转时的平动运动）卫星轨道平面随地球绕太阳公转时的平动运动 一年使卫星卫星轨道平面发生一年使卫星卫星轨道平面发生360360 的转动，平均每天变化为：的转动，平均每天变化为： 360360 /365/365天天= =0.9850.985 / /天天 变化方向从变化方向从东东向向西西图图2-9 2-9 卫星轨道平面随地球绕太阳公转时的平动运动卫星轨道平面随地球绕太阳公转时的平动运动 3：00地地球球轨轨道道15：00太太 阳阳卫星轨道春春夏夏秋秋冬冬9：0021：00 地地球球轨轨道道太太 阳阳卫星轨道春春夏夏秋秋冬冬15：0015：0015：0015：00（2 2）卫星轨道平面进动的利

9、用）卫星轨道平面进动的利用 10/10/（1- e1- e2 2）2 2 （R/aR/a）3.53.5 osiosi=0.985=0.985 / /天天 若太阳同步轨道圆形轨道，则若太阳同步轨道圆形轨道，则a=R+H e=0a=R+H e=0 cosicosi=-9.85=-9.85 1010-2-2 R/R/（R+HR+H） 3.5 3.5 i i 9090 进动方向从西向东进动方向从西向东 （3 3）近极地太阳同步卫星轨道）近极地太阳同步卫星轨道 的实现的实现 利用卫星轨道在地球扁率利用卫星轨道在地球扁率 作用下的进动去抵消卫星轨道作用下的进动去抵消卫星轨道 平面随地球绕太阳运行时引起平面

10、随地球绕太阳运行时引起 的转动，即可实现近极地太阳的转动，即可实现近极地太阳 同步卫星轨道。同步卫星轨道。 图图2-10 2-10 太阳同步轨道太阳同步轨道3 3、太阳同步轨道的优缺点、太阳同步轨道的优缺点优点：优点：（1 1）轨道近似圆形，轨道预告、接收和资料定位方便；）轨道近似圆形，轨道预告、接收和资料定位方便；（2 2）有利于资料处理和使用；）有利于资料处理和使用；（3 3）全球观测；）全球观测；（4 4）在观测时有合适的照明，可以得到戳充分）在观测时有合适的照明，可以得到戳充分的太阳能。缺点：缺点：（1 1）对同一地点观测的时间间隔太长；）对同一地点观测的时间间隔太长；（2 2）不利对

11、中小尺度天气系统的监测；）不利对中小尺度天气系统的监测；（3 3）相临两条轨道的观测资料不是同一时刻，利用不利）相临两条轨道的观测资料不是同一时刻，利用不利。三三. .地球同步卫星轨道地球同步卫星轨道H=35860KmS SN N图图2-11 2-11 地球同步卫星轨道地球同步卫星轨道2 2、地球同步卫星轨道的实现、地球同步卫星轨道的实现卫星运行方向与地球自转方向相同；卫星运行方向与地球自转方向相同； 轨道倾角轨道倾角i=0i=0 ，地球赤道平面与卫星轨道平面重合；，地球赤道平面与卫星轨道平面重合； 轨道偏心率轨道偏心率e=0e=0 ，即轨道是圆形；，即轨道是圆形； 卫星运行周卫星运行周 期期

12、T=23T=23小时小时5656分分0404秒。秒。 H=H=（ /4/4 2 2）T T2 2 1/31/3-R-R H= 35860 H= 35860（KmKm） V= V= / /（R+HR+H） 1/21/2=3.07=3.07（千米（千米/ /秒）秒）实际卫星轨道不可能是圆，有点椭圆形；倾角也不正好实际卫星轨道不可能是圆，有点椭圆形；倾角也不正好 等于等于0 0，常有，常有1 1 的倾角。这种误差会使卫星的星下点在以赤道的倾角。这种误差会使卫星的星下点在以赤道 为中心的两侧产生为中心的两侧产生“8 8”字形的摆动。字形的摆动。3 3、地球同步卫星轨道的有效利用、地球同步卫星轨道的有效

13、利用 若在地球同步轨道上每若在地球同步轨道上每3 3 放置一颗卫星，共可放置放置一颗卫星，共可放置120120 颗卫星，两相临卫星间的距离为颗卫星，两相临卫星间的距离为2210.042210.04公里卫星的波束公里卫星的波束 宽度应小于宽度应小于2 2 0.50.5 。5 5、地球同步卫星轨道的优缺点、地球同步卫星轨道的优缺点优点：优点： （1 1）高度高，视野广；）高度高，视野广； （2 2）对同一地区连续观测；）对同一地区连续观测； （3 3）监视中小尺度天气系统；）监视中小尺度天气系统； （4 4）圆轨道，定位、处理、接收方便。）圆轨道，定位、处理、接收方便。缺点：缺点： （1 1）不能

14、观测两极；）不能观测两极； （2 2）高度高，精度难提高。）高度高，精度难提高。四四. .气象卫星发射概况气象卫星发射概况第一颗气象卫星：第一颗气象卫星：19601960年年4 4月月1 1日日, ,泰罗斯（泰罗斯（TIROSTIROS）气象卫）气象卫 星发射。星发射。气象卫星的国家：美、苏、日、中、印、法国、欧洲空组气象卫星的国家：美、苏、日、中、印、法国、欧洲空组 织和韩国等。织和韩国等。150150多颗。多颗。卫星种类：卫星种类：6060年代初，近极地轨道年代初，近极地轨道现在，近极地轨道和现在，近极地轨道和 地球静止轨道两类。地球静止轨道两类。探测仪器：照相机探测仪器：照相机多光谱高精

15、度扫描辐射仪。多光谱高精度扫描辐射仪。观测内容：白天单光谱云图的观测观测内容：白天单光谱云图的观测昼夜都能准确地提供昼夜都能准确地提供 大气不同高度的温、湿、风、云资料。大气不同高度的温、湿、风、云资料。 气象卫星探测技术有了显著的改进和提高，卫星探测气象卫星探测技术有了显著的改进和提高，卫星探测已经成为大气科学不可缺少的有用的现代化探测工具。已经成为大气科学不可缺少的有用的现代化探测工具。FY-1卫星卫星我国可接收的近极地轨道气象卫星我国可接收的近极地轨道气象卫星 （1 1）FY-1C.D. FY-3FY-1C.D. FY-3（0101） （2 2）NOAA K-NNOAA K-N与与MET

16、OPMETOP配对配对 （3 3）NPOES 2010NPOES 2010年以后美民用、军用合年以后美民用、军用合作，命名为作，命名为“国家极地轨道业务环境卫星系国家极地轨道业务环境卫星系统统”（NPOESNPOES）。）。 （4 4）METEORMETEOR （5 5）EOSEOS （6 6）TRMMTRMM （7 7）其它卫星）其它卫星我国可接收的地球静止轨道气象卫星我国可接收的地球静止轨道气象卫星 （1 1）FY-2(02)C.DFY-2(02)C.D （2 2）GMSGMS （3 3）INSATINSAT对未来的展望对未来的展望1、当前对地观测卫星发展的特点、当前对地观测卫星发展的特点

17、 高光谱分辨率高光谱分辨率1几几nm，获取更多的地球、大气信息。，获取更多的地球、大气信息。 高空间分辨率高空间分辨率1几几 m，获取更详细的地球大气特性。，获取更详细的地球大气特性。 高时间分辨率高时间分辨率几十秒时间间隔，监测快速的时间演变、多功能、几十秒时间间隔，监测快速的时间演变、多功能、多探测器的综合对地观测卫星与单一作业任务的小卫星星座相结合。多探测器的综合对地观测卫星与单一作业任务的小卫星星座相结合。2、定量遥感、定量遥感 开展遥感资料反演地球物理参数的数学物理模式和算法遥感探测开展遥感资料反演地球物理参数的数学物理模式和算法遥感探测器定标和地面真实性检验相结合。器定标和地面真实

18、性检验相结合。3、卫星遥感定量参数与其它探测资料结合使用、卫星遥感定量参数与其它探测资料结合使用 多种探测资料的融合问题。多种探测资料的融合问题。 多种探测资料的同化。多种探测资料的同化。4、遥感技术已经成为监测、研究地球科学各分支学科的重要手段、遥感技术已经成为监测、研究地球科学各分支学科的重要手段 通过努力将成为监测、研究、预测和服务的支柱。通过努力将成为监测、研究、预测和服务的支柱。850 KM35 800 KmSUBSATELLITE POINTGOMS (Russian Federation) 76EMETEOSAT (EUMETSAT) 63 EGMS (Japan) 140EFY

19、-2 (China) 105EGOES-E (USA) 75WTIROS (USA)GOES-W (USA) 135W GEOSTATIONARY ORBIT METEOR (Russian Federation)Polar orbi tMETEOSAT (EUMETSAT) 0 Longitude(China)FY-1 全球气象卫星观测系统全球气象卫星观测系统第二章第二章 气象卫星遥感气象卫星遥感 大气的基本原理大气的基本原理 大气物理学院大气物理学院 肖稳安肖稳安TelE-mail： 第一节第一节 气象卫星遥感的基础气象卫星遥感的基础 气象卫星遥感地球大气的温度、

20、湿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的。因此，电磁辐射是气象卫星遥感的基础。基础。 一. .基本辐射量基本辐射量 辐射能（辐射能（Q)Q) 辐射通量辐射通量( () ) 辐射通量密度辐射通量密度(F)(F)： 若若M M为出射度，为出射度，E E为辐照度，为辐照度，F F 辐射强度辐射强度(I)(I)： 若各向同性则若各向同性则 I=I= /4/4 辐射率（辐射亮度）辐射率（辐射亮度）(L)(L)：在单位时间内通过垂直面：在单位时

21、间内通过垂直面元法线方向上单位面积、单位立体角的辐射能。元法线方向上单位面积、单位立体角的辐射能。 在垂直法线方向：在垂直法线方向： L L（n n）= = 3 3Q/Q/ A A t t= = 2 2 / / A A= = F F/ / 在在S S方向：方向： L L（s s）= = 3 3Q Q（ ）/ / A A t t = = 3 3Q Q（ ）/ / A A t tcoscos dAdsn二二. .辐射基本定律辐射基本定律 黑体：黑体：指在任何温度、对任意方向和任意波长，其指在任何温度、对任意方向和任意波长，其吸收率（或发射率）都等于吸收率（或发射率）都等于1 1的物体。的物体。 a

22、(a()1)1 灰体：灰体：指其吸收率与波长无关，且为小于指其吸收率与波长无关，且为小于1 1的常数的的常数的物体。物体。 a(a()=C)=C 1 1 选择性辐射体：选择性辐射体：指其吸收率随波长而变的物体。指其吸收率随波长而变的物体。 a a a(a() ) 辐射平衡辐射平衡：指一个物体在某一温度从外界得到的辐射：指一个物体在某一温度从外界得到的辐射能量正好等于本身辐射而失去的能量，使物体温度保持不能量正好等于本身辐射而失去的能量，使物体温度保持不变的辐射过程。变的辐射过程。 黑体辐射定律：黑体辐射定律： 普朗克定律（黑体辐射方程）：普朗克定律（黑体辐射方程）： h h是普朗克常数，是普朗

23、克常数， h=6.62626.6262 1010-27-27尔格尔格/ /秒秒 k k是波尔兹曼常数，是波尔兹曼常数，k=1.3806 k=1.3806 1010-16-16尔格尔格/ /度度c c是光速是光速 若用若用c c1 1=2=2cc2 2h h， c c2 2= =hc/khc/k，方程可变为方程可变为 21511cTcMe25/2(1)hckTc hMe（w w cmcm-2-2m m-1-1）)1(2)(/25kThffechfTB12)(/52kTchehcTB25/2()(1)hckTc hBTe 利用波长、频率和波数之间的关系，利用波长、频率和波数之间的关系，黑体是普朗体

24、，黑体是普朗体，所以分谱辐射率等于所以分谱辐射率等于M M / / ，因此，因此，可将可将普朗克辐射公式表普朗克辐射公式表示为：示为： 普朗克函数将发射的单色强度与物质的温度和波长普朗克函数将发射的单色强度与物质的温度和波长（频率）联系起来；黑体的辐射强度先随波长的增加而（频率）联系起来；黑体的辐射强度先随波长的增加而增大，但到达某一波长后辐射强度却又随波长的增长而增大，但到达某一波长后辐射强度却又随波长的增长而减小。减小。 由普朗克定律可看出：由普朗克定律可看出： 温度越高，黑体的全辐射能力越大；温度越高，黑体的全辐射能力越大； 温度愈高，最大单温度愈高，最大单色（或分谱）辐射能力所对应的波

25、长愈小；色（或分谱）辐射能力所对应的波长愈小； 太阳近似于太阳近似于6000k的黑体，最大辐射波长为的黑体，最大辐射波长为0.474 m，在，在0.154 m的范围，的范围，辐射能占太阳全部辐射能量当辐射能占太阳全部辐射能量当99%； 地球近似于地球近似于300k的黑体，最大辐射波长为的黑体，最大辐射波长为10 m，在，在380 s的范的范围，围，辐射能占地球全部辐射能量当辐射能占地球全部辐射能量当99%； 对流层顶近似于对流层顶近似于200k的黑体，最大辐射波长为的黑体，最大辐射波长为14.5 m，在，在4120 m的范围，的范围，辐射能占对流层顶全部辐射能量当辐射能占对流层顶全部辐射能量当

26、99%。维恩位移定律和瑞利维恩位移定律和瑞利- -琴斯辐射公式琴斯辐射公式将普朗克函数对将普朗克函数对波长微分得：波长微分得： maxmaxT T=0.2897885(=0.2897885(厘米厘米 度度) ) 由这一关系式可看出，当黑体的温度升高时，最大由这一关系式可看出，当黑体的温度升高时，最大辐射朝短波方向移动。由此可测量黑体在某一温度时的辐射朝短波方向移动。由此可测量黑体在某一温度时的最大辐射波长。最大辐射波长。 斯蒂芬斯蒂芬- -波尔兹曼定律波尔兹曼定律 把普朗克函数由把普朗克函数由0 0的整个波长域上积分，就得到黑的整个波长域上积分，就得到黑体的全辐射本领：体的全辐射本领：4444

27、2115)(TTccTM 由于黑体辐射是各项同性的，因此黑体发射由于黑体辐射是各项同性的，因此黑体发射的通量密度为的通量密度为 F=F= B B（T T）= = T T4 4式中式中 是是斯蒂芬斯蒂芬-波尔兹曼常数，等于波尔兹曼常数，等于5.675.67 1010-5-5尔格尔格 cmcm-2-2 s s-1-1 k k-4-4。表明表明黑体发射的通量密度与黑体发射的通量密度与绝对温度的四次方成正比。它是红外辐射传输的绝对温度的四次方成正比。它是红外辐射传输的基础。基础。基尔霍夫定律基尔霍夫定律 前面三条定律涉及黑体发射的辐射强度，前面三条定律涉及黑体发射的辐射强度，辐射强度的大小与发射波长和

28、物体的温度有关。辐射强度的大小与发射波长和物体的温度有关。通常，物体吸收和发射之间没有确定的关系。通常，物体吸收和发射之间没有确定的关系。 但在热力平衡条件下，物体可以吸收特定但在热力平衡条件下，物体可以吸收特定波长的辐射，同时也能发射同样波长的辐射，波长的辐射，同时也能发射同样波长的辐射，发射率是温度和波长的函数，即物体发射的辐发射率是温度和波长的函数，即物体发射的辐射就等于吸收的辐射能。否则物体就要被加热射就等于吸收的辐射能。否则物体就要被加热或冷却，这就违背了热力平衡的假设。或冷却，这就违背了热力平衡的假设。 因而，在热力平衡条件下，若因而，在热力平衡条件下，若L L 是入射的分谱辐射率

29、是入射的分谱辐射率，则发射的辐射率为：，则发射的辐射率为： J J = =B B（T T）= = a a L L 式中式中 J J 是是物体发射的辐射率；物体发射的辐射率； 是是物体的比辐射率或发射率（定义为发射强度与普物体的比辐射率或发射率（定义为发射强度与普朗克函数之比）；朗克函数之比）； B B（T T）是黑是黑体普朗克辐射；体普朗克辐射； a a是是物体的吸收率（定义为吸收强度与普朗克函数之物体的吸收率（定义为吸收强度与普朗克函数之比）；比）； L L 是入射到物体的辐射率。是入射到物体的辐射率。 如果辐射源与该物体一起处于热力平衡中，则如果辐射源与该物体一起处于热力平衡中，则 B B

30、（T T）= = L L 所以有所以有 = = a a 吸收率为吸收率为a a的物体只吸收的物体只吸收a a倍的黑体辐射强度倍的黑体辐射强度B B （T T），同时它发射出，同时它发射出倍的黑体辐射强度。对黑体而言，吸收倍的黑体辐射强度。对黑体而言，吸收和发射均为最大，对所有波长有和发射均为最大，对所有波长有 a a= =1=1 灰体的特征是不能全部吸收和发射，有灰体的特征是不能全部吸收和发射，有 a a= 1 1 不难看出基尔霍夫定律表达了两方面的内容：不难看出基尔霍夫定律表达了两方面的内容： 1 1、它将物体的吸收与发射联系起来了，一物体在一定、它将物体的吸收与发射联系起来了，一物体在一定

31、温度下发射某一波长的辐射，则该一物体在同一温度下吸温度下发射某一波长的辐射，则该一物体在同一温度下吸收这种波长的辐射。收这种波长的辐射。 2 2、将各种物体的辐射与黑体辐射联系起来了，一个良、将各种物体的辐射与黑体辐射联系起来了，一个良好的吸收体，也一定是一个良好的发射体，反之亦然。好的吸收体，也一定是一个良好的发射体，反之亦然。 三三. 辐射体的温度辐射体的温度 从黑体辐射定律知道，物体的辐射量都与温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，可以分布；反过来，对于一定的辐射光

32、谱分布，可以求取物体的温度。但是，实际物体并非都是黑体，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。义几种不同的温度。 有效温度（有效温度（T Te e）: : 如果温度为如果温度为T T的物体的出射度为的物体的出射度为M(M(T T) ) ，又设想，又设想M M ( (T Te e) )为黑体发出的，即为黑体发出的，即M(M(T T)= )= M M ( (T Te e) )，则黑体的，则黑体的温度温度T Te e 称为该物体的有效温度。根据斯蒂芬称为该物体的有效温度。根据斯蒂芬- -波尔兹

33、曼定波尔兹曼定律得律得 T Te e = M= M (T)/(T)/ 1/41/4由于物体的比辐射率小于由于物体的比辐射率小于1 1，所以，所以 T T T Te e有效温度（有效温度（T Te e），也称为等效黑体温度。），也称为等效黑体温度。 色温度（色温度（TcTc）: : 如果物体的辐射光谱分布如果物体的辐射光谱分布与温度为与温度为TcTc的黑体物体的辐射光谱分布相一致的黑体物体的辐射光谱分布相一致则则TcTc称为该物体的色温度。它可以根据物体的称为该物体的色温度。它可以根据物体的辐射光谱曲线，求出相应的最大辐射的波长辐射光谱曲线，求出相应的最大辐射的波长 m m，再由维恩位移公式得再

34、由维恩位移公式得 T Tc c=2886/=2886/ m m 亮度温度（亮度温度（T Tb b）: : 如果物体发射的辐射亮度如果物体发射的辐射亮度L L （T T）与温度为）与温度为T Tb b的黑体辐射亮度的黑体辐射亮度B （Tb）相等，即相等，即L L（T T）= =B B（T Tb b）则则T Tb b称为该物体的称为该物体的亮度温度。根据普朗克亮度温度。根据普朗克公式公式 1)exp(2)(52bbThchcTB1)(2ln52TLhchcTb 亮度温度（亮度温度（T Tb b）又称辐射温度。由于）又称辐射温度。由于B B（T T） B B（T Tb b），所以，所以T Tb b

35、T T或或四四. 布尔吸收定律布尔吸收定律 辐射率辐射率L L单色辐射单色辐射 通过有吸收无辐散介质通过有吸收无辐散介质dldl距离，距离，辐射改变量辐射改变量- -dLdL与吸收气体的含量与吸收气体的含量 dAdldAdl、L L成正比成正比 dLdL=- =- L Lk k （l l）dldl式中式中 （l l）吸收气体的密度，吸收气体的密度， k k分谱质量吸收系数（厘米分谱质量吸收系数（厘米2 2 克克-1-1），它是给定介质），它是给定介质热力状态的函数，热力状态的函数，k k （l l）= = k kVV，体积吸收系数（厘米体积吸收系数（厘米- -1 1）。 对上式沿对上式沿0 0

36、l l积分得积分得lkeLL0)(exp(00dllkLLl L 0是辐射进入介质时的分谱辐射率。这就是是辐射进入介质时的分谱辐射率。这就是布尔布尔吸收定律。式中指数部分吸收定律。式中指数部分 称为光学厚度，称为光学厚度，而把而把 称做光学路径或光程。称做光学路径或光程。 对于均匀介质，对于均匀介质， k k 、 与与l l无关无关)(0dllkl0( )ll dl),0(100lLLL 在不计散射的情况下，分谱透过辐射在不计散射的情况下，分谱透过辐射L L与与分谱入射辐射分谱入射辐射L OO之比之比称为称为辐射通过介质辐射通过介质0l距离的距离的分谱辐射透过率分谱辐射透过率)()(exp),

37、0(00dlllkLLll分谱辐射吸收率为分谱辐射吸收率为如果介质是均匀的，则分谱质量吸收系数如果介质是均匀的，则分谱质量吸收系数为)1ln(1lk在实际大气中，由于在实际大气中，由于 和和k 随波长变化很快，通常用随波长变化很快，通常用在一有限波长间隔的平均透过率。在一有限波长间隔的平均透过率。五五. . 大气、地面对辐射的散射和反射大气、地面对辐射的散射和反射 1、大气辐射的散射、大气辐射的散射 辐射在大气中传输时，会受到诸如分子、尘粒、雾滴辐射在大气中传输时，会受到诸如分子、尘粒、雾滴和雨滴等粒子的作用，使传播方向发生改变，而向各个方和雨滴等粒子的作用，使传播方向发生改变，而向各个方向传

38、播，这就是散射。散射是大气辐射衰减的重要原因。向传播，这就是散射。散射是大气辐射衰减的重要原因。但是随粒子大小不同，各个波段的衰减作用也不相同。但是随粒子大小不同，各个波段的衰减作用也不相同。 取取 =kS 为容积散射系数为容积散射系数 kS 为质量散射系数为质量散射系数 则辐射通过一路径则辐射通过一路径l后其辐射为后其辐射为dlkdlLsLseLeLL00002、地面目标物（包含云）对辐射的反射、地面目标物（包含云）对辐射的反射 各向同性、均匀物体表面反射特性各向同性、均匀物体表面反射特性 描述物体的反射特性时，常用反射率和反照描述物体的反射特性时，常用反射率和反照率两个概念。率两个概念。

39、反射率：是反射辐射与入射辐射之比反射率：是反射辐射与入射辐射之比 反照率：是自然物体对入射辐射的总反射辐反照率：是自然物体对入射辐射的总反射辐射比。在气象卫星遥感中，是自某物体返回空间射比。在气象卫星遥感中，是自某物体返回空间的太阳总辐射能与投射到该物体的总辐射能之比。的太阳总辐射能与投射到该物体的总辐射能之比。 反射率和反照率是两个不同的概念。如图反射率和反照率是两个不同的概念。如图3-2所示，在所示，在I方向、立体角方向、立体角d 内投射到内投射到dA面上的辐照度为面上的辐照度为 L L （I I）d d L L （I I）是入射辐射率，）是入射辐射率， 在在I I方向产生的辐射率为方向产

40、生的辐射率为 dLdL （I I）=r=r （I I，I I）L L （I I）d d r r （I I，I I）称做反射率。）称做反射率。 于是从上半空间所有于是从上半空间所有方向来的入射辐射发生在方向来的入射辐射发生在I方向的反射辐射强度为方向的反射辐射强度为nI IdAdd图图3-2 反照率示意图反照率示意图cosLId半 球总 反 射 辐 射 =（ ）按照反照率的定义，记为按照反照率的定义，记为rs ，则则coscoscossL IdL IrL IdL Id 半球半球半球（ ）（ ）总反射辐射总入射辐射（ ）（ ）dILrILscos)(）（半球即即cos),(srIIr由此得到反射率

41、与反照率之间的关系为由此得到反射率与反照率之间的关系为第二节第二节 太阳和地球太阳和地球大气系统辐射大气系统辐射一一. 太阳辐射及其光谱特征太阳辐射及其光谱特征太阳：太阳： 巨大的火球；直径巨大的火球；直径139.14万公里，万公里，是地球的是地球的104倍；表面积倍；表面积6.0931012平方公里；平方公里；体积体积1.412 1018立方公里；距离地球平均距离立方公里；距离地球平均距离为为1.495 108公里。公里。 太阳辐射用太阳常数、太阳光谱和太阳辐太阳辐射用太阳常数、太阳光谱和太阳辐射到达地面的吸收光谱来描述。射到达地面的吸收光谱来描述。 d d0 0是日地平均距离；是日地平均距

42、离； s0是太阳常数。是太阳常数。 到达地球大气顶的太阳辐射通过大气时，到达地球大气顶的太阳辐射通过大气时，大约大约 35% 35% 被地球、大气、云层反射；被地球、大气、云层反射； 17% 17% 被大气吸收；被大气吸收； 47%47% 到达地面被地表吸收。到达地面被地表吸收。瓦26211020108255. 31353)105 . 1 (44sdQ 太阳常数：太阳常数：1353 1353 瓦瓦/ /米米2 2，估计误差为，估计误差为2121瓦瓦/米米2。由太阳常数可以计算单位时间内太阳辐射的。由太阳常数可以计算单位时间内太阳辐射的总能量为总能量为 太阳光谱：太阳光谱：太阳辐射能主要集中在太

43、阳辐射能主要集中在0.3-3.00.3-3.0微米；微米； 辐射最大值位于辐射最大值位于0.470.47微米；微米； 1/41/4能量在波长能量在波长 0.470.47微米的谱段内；微米的谱段内； 46%46%的能量在的能量在0.400.400.760.76的可见光波段。的可见光波段。 图中虚线表示图中虚线表示T=5900KT=5900K的黑体辐照度，太阳辐光谱与该黑体辐射光谱十分相的黑体辐照度，太阳辐光谱与该黑体辐射光谱十分相似。如果假想太阳是理想的黑体，则可由似。如果假想太阳是理想的黑体，则可由斯蒂芬斯蒂芬- -波尔兹曼定律和维恩位移公式波尔兹曼定律和维恩位移公式计算出太阳的有效温度计算出

44、太阳的有效温度T Te e和色温度和色温度T Tc c。波长（s）0.00.40.81.21.62.02.42.83.20.250.200.150.100.050.00辐照度Wm-2s-1图图3-3 太阳辐射光谱示意图太阳辐射光谱示意图4/124/14(）（）日日RQETeKTC96.616547. 028982898max太阳最大辐波长太阳最大辐波长 max=0.47 s 太阳吸收光谱：该光谱与太阳吸收光谱：该光谱与5900K5900K的黑体辐射光谱有明的黑体辐射光谱有明显差异，存在许多由大气中的臭氧、氧、水汽、二氧化碳显差异，存在许多由大气中的臭氧、氧、水汽、二氧化碳及尘埃等物质选择性吸收

45、作用造成的吸收线和吸收带。及尘埃等物质选择性吸收作用造成的吸收线和吸收带。 1 1、O O3 3的吸收主要位于太阳光的紫外光的吸收主要位于太阳光的紫外光0.20.2 0.3 0.3m 0.29m 0.29 m m；0.320.320.360.36 m m；可见光可见光 0.60.6和和4.754.75 m m。 2 2、O O2 2在紫外、可见光也有吸收带。在紫外、可见光也有吸收带。 3 3、H H2 2O O在在0.70.7 m m；0.70.70.80.8 m m 4 4、C C2 2O O二二. .地面覆盖物对太阳辐射的反射地面覆盖物对太阳辐射的反射 1 1、土壤粒子对反照率的影响、土壤

46、粒子对反照率的影响 2 2、土壤水分对反照率的影响、土壤水分对反照率的影响 3 3、反照率随波长的变化、反照率随波长的变化 4 4、植被的反照率、植被的反照率 5 5、冰雪的反照率、冰雪的反照率 6 6、水体的反照率、水体的反照率 图图 三种不同含水量三种不同含水量砂土的光谱反射曲线砂土的光谱反射曲线 不同土壤湿度下不同土壤湿度下含沙壤土的反照率含沙壤土的反照率1、土壤水分对反照率的影响、土壤水分对反照率的影响2232%反照率%波长 s s04%512%反照率反照率随波长的变化反照率随波长的变化2 2、反照率随波长的变化、反照率随波长的变化 作物在生长和作物在生长和衰老期间光谱变化衰老期间光谱

47、变化 从可见光到中红外从可见光到中红外小麦叶子的反射光谱小麦叶子的反射光谱3、植被的反照率、植被的反照率反反照照率率反照率（a）不同种类作物和裸地的反照率）不同种类作物和裸地的反照率（b）作物覆盖率和生物量对返照率的影响）作物覆盖率和生物量对返照率的影响反照率波长 s s叶子反照率、水吸收率%叶子反射率水吸收率0.51.31.92.5图图 叶子反照率、水叶子反照率、水吸收率的反比关系吸收率的反比关系衰老期小麦叶子的反射光谱衰老期小麦叶子的反射光谱反照率0.61.42.02.4波长 s s反照率%图图 雪的反射特性曲线雪的反射特性曲线4、冰雪的反照率、冰雪的反照率不同叶绿不同叶绿素浓度的素浓度的

48、海水光谱海水光谱曲线曲线 在在0.51.0微米内天然微米内天然清水和混水的反射光谱曲线清水和混水的反射光谱曲线5、水体的反照率、水体的反照率清水的清水的吸收系吸收系数数6 6、云层的反照率、云层的反照率 假设云层的反照率和透过率都是假设云层的反照率和透过率都是50%50%。最后从第一。最后从第一层反射的能量占原来入射能量的层反射的能量占原来入射能量的62.5%62.5%。因而多层云的。因而多层云的反照率较高。反照率较高。入射辐射LR1=L/2T1=L/2T2=L/4R2=L/4T3=L/8R3+T3=5L/8R3=L/8图图 多层云对太阳辐射的反射多层云对太阳辐射的反射图云层反照率、吸收率和透

49、过率的关系图云层反照率、吸收率和透过率的关系反射、透射、吸收%反射透过吸收100806040200010100100010000云厚（米）（）（）60050040030020010000102030405060708090 高层云层云（）（）云厚（米）透过率（）三三. 地球地球大气系统辐射光谱和大气吸收带大气系统辐射光谱和大气吸收带 1 1、地球、地球大气系统辐射光谱大气系统辐射光谱 地球地球大气系统发出的辐射主要是红外辐射。对于大气系统发出的辐射主要是红外辐射。对于2.52.5 m m的红外波段，物体的比辐射率近似等于的红外波段，物体的比辐射率近似等于1 1，近似，近似黑体，由黑体定律计算黑

50、体，由黑体定律计算地球地球大气系统平均温度。大气系统平均温度。 如果如果到达地球并被其吸收的太阳辐射为到达地球并被其吸收的太阳辐射为 r rS S行星平均反照率，行星平均反照率，R R地球半径，地球半径，s s0 0太阳常数。地球大气太阳常数。地球大气吸收这些辐射后全部转化为红外辐射向外空发射，其出射吸收这些辐射后全部转化为红外辐射向外空发射，其出射度为度为4)1 (4)1 (0202srRsRrMss（1-rS）R2s0 由由斯蒂芬斯蒂芬- -波尔兹曼定律（波尔兹曼定律（M=M= T T4 4），）， r rS S =0.28=0.28， s s0 0=1353=1353瓦瓦米米-2-2，

51、=5.67=5.67 1010-8-8瓦瓦米米-4 -4 开开-4-4代入，得代入，得KsrTs2561067. 541353)28. 01 (4)1 (4/184/10 接近实际大气的平均温度，可以把地球接近实际大气的平均温度，可以把地球- -大气系统近大气系统近似看作平均温度为似看作平均温度为256K256K的黑体。的黑体。 地球地球大气系统发出的辐射能的大气系统发出的辐射能的95%95%集中在集中在4120 4120 m m的波段，最大辐射波长约在的波段，最大辐射波长约在10 10 m m附近。在附近。在35 35 m m与太阳与太阳辐射光谱有重叠。辐射光谱有重叠。 2、大气对、大气对地

52、球地球- -大气辐射的吸收大气辐射的吸收 地球地球- -大气辐射能在大气中传输时，受大气吸收和散射的影响但当大气辐射能在大气中传输时，受大气吸收和散射的影响但当 m时，雷利散射很小，忽略。所以造成时，雷利散射很小，忽略。所以造成地球地球- -大气辐射能衰减的主要原因是大气辐射能衰减的主要原因是大气气体的吸收。大气气体的吸收。表表3-1 大气气体的吸收谱带大气气体的吸收谱带 大气吸收带与大气窗：大气吸收带与大气窗：通过大气的太阳辐射或地球通过大气的太阳辐射或地球- -大气辐大气辐射将被大气中的某些气体射将被大气中的某些气体所吸所吸3、大气窗和大气吸收带、大气窗和大气吸收带收收，这些吸收随波长变化

53、很大，这些吸收随波长变化很大，在某些波段吸收很强，在另，在某些波段吸收很强，在另一些波段段吸收很弱或没有吸一些波段段吸收很弱或没有吸收。这些气体对大气的太阳辐收。这些气体对大气的太阳辐射或地球大气辐射吸收很强的射或地球大气辐射吸收很强的光谱波段就称为这种气体的吸光谱波段就称为这种气体的吸收带；大气中所有气体在哪些收带；大气中所有气体在哪些吸收很弱或没有吸收的光谱波吸收很弱或没有吸收的光谱波段称为大气窗（因为这些波段段称为大气窗（因为这些波段的辐射可以象光通过窗户那样的辐射可以象光通过窗户那样透过大气）。透过大气）。表表3-2 3-2 大气窗区大气窗区 辐射与大气和地表之间的相互作用表现为辐射的

54、发辐射与大气和地表之间的相互作用表现为辐射的发射、吸收和反射，这为卫星遥感地表和大气提供了大量射、吸收和反射，这为卫星遥感地表和大气提供了大量的信息。例如卫星在大气窗区波段可以测量地面、云层的信息。例如卫星在大气窗区波段可以测量地面、云层反射或发射的辐射，从而可以得到地表、云面的反射特反射或发射的辐射，从而可以得到地表、云面的反射特性或温度分布；卫星在吸收带测量，可以得到大气温度性或温度分布；卫星在吸收带测量，可以得到大气温度和成分。和成分。 根据测量的目的，卫星选择不同的波长间隔进行测根据测量的目的，卫星选择不同的波长间隔进行测量，这种波长间隔称做通道。为更多地获取地面、云层量，这种波长间隔

55、称做通道。为更多地获取地面、云层和大气信息，目前卫星测量使用的通道很多。和大气信息，目前卫星测量使用的通道很多。 四四. 大气窗和大气吸收带在遥感中的应用大气窗和大气吸收带在遥感中的应用 表表3-3 卫星测量使用的通道卫星测量使用的通道第三节第三节 辐射在大气中的传输和卫星接收到的辐射辐射在大气中的传输和卫星接收到的辐射一一. .红外辐射在大气中的传输方程红外辐射在大气中的传输方程 1 1、辐射在介质中的传输、辐射在介质中的传输 在红外波段，散射辐射很在红外波段，散射辐射很小，可忽略。小，可忽略。 （1 1）小气柱吸收的辐射）小气柱吸收的辐射 dLdL 1 1 因介质吸收引起辐射因介质吸收引起

56、辐射的改变量，的改变量，k k （z z） 质量吸收质量吸收系数，系数， （z z）吸收介质的密度）吸收介质的密度。实验证明辐射的改变量与入。实验证明辐射的改变量与入射辐射强度和介质密度成正比。射辐射强度和介质密度成正比。 图图3-9 小气柱介质辐射小气柱介质辐射dzzzLzkzdL)()()()(1 （2 2）小气柱发射的辐射）小气柱发射的辐射 dLdL 2 2因介质发射引起辐射的改变量，因介质发射引起辐射的改变量，j j （z z）介质）介质的质量发射率。在局地地热力平衡条件下的质量发射率。在局地地热力平衡条件下j=j=k k B B （T T） 总的辐射的改变量总的辐射的改变量或或B B

57、 （T T）普朗克辐射，）普朗克辐射，T T小气柱温度小气柱温度。dzzzjzdL)()()(2dzzTBzkzdL)()()()(2dzzzkTBzLdL)()()()()()()()(zzkTBzLdzdL 2 2、分层平行大气中的辐射传输和红外辐射在大气中、分层平行大气中的辐射传输和红外辐射在大气中的传输方程的传输方程假定大气是水平平行均匀分层的，假定大气是水平平行均匀分层的，Z为垂直方向，在为垂直方向，在任意方向任意方向I的辐射传输方程的辐射传输方程图图3-10 平行大气中辐射传输平行大气中辐射传输dIzI地面dzzzkzTBzLzdLsec)()()(),(),(式中式中dL （z，

58、 ）是天）是天顶角为顶角为 方向上方向上dz气层气层内辐射的改变量。内辐射的改变量。使用气象上习惯的使用气象上习惯的P坐标，根据静力方程坐标，根据静力方程 Z干空气密度，干空气密度，g重力加速度，重力加速度， （z）z高度空气密度高度空气密度gdzdpz/ dpgpqdpzdzzz dpgpqpkpTBpLpdLsec)()(),(),(q（p）空气混合比）空气混合比不难看出此式一阶线性常微分方程。不难看出此式一阶线性常微分方程。 令令ppdpkpqgp0)()(secexp,)()()(sec),(ppkpqgdppd其导数为其导数为 将以上二式代入上面一阶线性常微分方程，并采用将以上二式代

59、入上面一阶线性常微分方程，并采用缩写符号，得缩写符号，得 dL+LddL+Ld =d=d（L L ）= =BdBd 注意注意 ，L L是是 ，p p， 的函数，对上式从地面到任一高度的函数，对上式从地面到任一高度（p p0 0 p p）积分得）积分得 pPpdpdpdpTBppLppL0),()(),()(,00 0000),()(),(PspdpdpdpTBppTBL式中式中 T T（P P0 0）地面温度；）地面温度； s s 地面发射率地面发射率； （ ，P P0 0） 方向从地面到大气顶的透过率；方向从地面到大气顶的透过率； B B TT（P P ） 是是P P 高度上温度为高度上温度

60、为T T（P P ）的普朗克辐射；）的普朗克辐射； （P P ， ）是）是 方向从方向从P P 到大气顶的透过率。到大气顶的透过率。 此式就是卫星在红外波段接收地气系统发射辐射的表达式，即红此式就是卫星在红外波段接收地气系统发射辐射的表达式，即红外辐射在大气中的传输方程。外辐射在大气中的传输方程。 由于在热力平衡条件下有由于在热力平衡条件下有L L （ P P0 0）= = S S B B TT（P P0 0） ，且当且当P P0 0时时 （P P， ）1 1，故上式可写成，故上式可写成 3、红外辐射大气中的传输方程的物理意义、红外辐射大气中的传输方程的物理意义和卫星接和卫星接 收到的辐射收到