大气辐射与遥感-第一章.pptx

1、大气辐射与遥感,授课人： 葛觐铭 2015春季,兰州大学大气科学学院专业必修课,个人信息,地址：兰州大学 观云楼 2102 邮件： 主页：,阅读书目推荐,大气辐射导论（第2版），廖国男著，气象出版社 A First Course in Atmospheric Radiation, Grant W. Petty, Sundog Publishing, Madison, Wisconsin 大气物理学第二篇，盛裴轩、毛节泰等著，北京大学出版社 大气辐射学，石广玉著，中国科学院研究生院 大气辐射学基础，尹宏著，气象出版社,评分标准,考试范围：讲义与参考书目中的关键内容 作业要求：独立完成、按时提交,

2、课程大纲,第一章 引言 第二章 大气辐射基础知识 第三章 大气气体吸收 第四章 大气粒子的散射 第五章 大气中红外辐射传输 第六章 行星大气辐射传输 第七章 大气辐射在遥感中的应用 第八章 大气辐射与气候,大气辐射与遥感这门课的目标和任务是通过这门课程，使学生懂得大气辐射基本概念与知识，认识辐射传输过程，了解大气辐射在遥感中的一些基本应用。帮助学生建立基本知识结构，以便他们能在日后的气候、天气以及遥感学习研究中知道如何使用相关知识帮助他们分析、思考与理解问题。,第一章 引言,1.1 大气辐射与天气气候的关系 1.1.1 太阳辐射 1.1.2 热红外辐射 1.1.3 全球热引擎 1.1.4 地球

3、能量收支 1.2 大气辐射与遥感的关系, 1.1 大气辐射与天气气候的关系,大气运动基本方程组,运动方程,连续方程,状态方程,热力学能量方程,水汽质量守恒方程,绝热过程 (adiabatic) 是指任一气体与外界无热量交换时的状态变化过程。 在自由大气中，一天左右的时间尺度上来说，假设大气的热力过程是绝热的 (Q=0) 是可以成立的。 非绝热过程 (diabatic) 气块通过分子传导、对流、乱流、相变(蒸发、凝结、融解、冻结、升华、凝华)、辐射等作用而与外界发生热交换的过程。,热传导,对流（感热）,辐射,非绝热过程,相变（潜热）,需要有较大的温度梯度，在空气中很缓慢,由运动的空气团（流体）携

4、带热量进行输送,伴随着云雨形成，是间歇性的，仅在局地热力、微物理过程中考虑,在大气中持续一直存在的，且传输能量的空间距离非常大，非局地过程,1.1.1 太阳辐射,阳光透过云层照射在地球上,这张照片是由火星探路者（Mars Pathfinder）拍摄的火星日落。,1.1.1 太阳辐射,地球所接收的、并驱动地球上大气和海洋运动的所有能量均来自太阳！, 1.1.2 热红外辐射,卫星传感器（CERES）观测到的地球向外发射的红外热辐射（2008.09）,太阳辐射,热红外辐射, 1.1.3 全球热引擎,能量收支的差异，使得地球也如同一个被加热的引擎，驱动着大气环流！, 1.1.3 全球热引擎,不同纬度带

5、年平均的辐射收支,减弱温度差异,大气、海洋中的所有运动：从海洋环流Hadley环流副热带气旋热带气旋龙卷风，可以被看作一台巨大、复杂的机器上的一个个齿轮，运动一级级传递下来。, 1.1.4 地球能量收支,342 Wm-2,思考题,根据上页PPT中地气系统能量收支示意图，忽略大气中其他的物理过程，仅仅考虑由于大气（包括云）对太阳辐射的直接吸收作用所造成的加热，计算大气的加热率（Kday）。 已知条件有：全球平均的大气层顶的入射太阳辐射大约342 W m2，重力加速度g为9.81 m s-2，海平面平均气压P0为1.013105 Pa，比热容cp为1004 J kg-1 K-1, 1.2 大气辐射

6、与遥感的关系,辐射：任何物体，只要温度大于绝对零度，都以电磁波形式向四周放射能量，同时也接收来自四周的电磁波。这是由物质的本性决定的，是由物质本身的电子、原子、分子运动产生的，一般把这种电磁波能量本身称为辐射能，简称为辐射；而把这种能量传播方式称为辐射。 遥感：在远离目标或者非接触目标的条件下，通过对电磁波敏感的传感器探测目标物，获取其反射、辐射和散射的电磁波信息，进行处理、分析与应用的一门科学与技术。,主动遥感与被动遥感,主动遥感：传感器主动发射一定的电磁波能量，并接受目标的后向散射信号。（例如：雷达） 被动遥感：传感器不向目标物发射电磁波，仅被动的接受目标物自身发射和对自然辐射的反射能量。

7、（例如：卫星）,卫星遥感示意图,被动式,主动式,大气遥感发展的小历史,遥感的起源,照相机、气球、飞机构成初期遥感技术系统。 1962年在美国密歇根大学召开的第一次国际环境遥感讨论会上，美国海洋研究局的Eretyn Pruitt首次提出“Remote Sensing”一次，会后被普遍采用至今。 二次大战中航空侦查促进了航空摄影技术的发展。,早期的航空摄影 - 气球,1858 Gaspard Tournachon “Nadar” used balloon to photograph Bievre, France (80m high),早期的航空摄影 - 气球,1860 James Black to

8、ok photograph from a balloon over Boston (365m high),早期的航空摄影 - 风筝,1882 an English meteorologist Archibald took first aerial photograph from a kite Late 1880s - Arthur Batut took kite aerial photographs over Labruguiere, France,早期的航空摄影 - 风筝,1906 George Lawrence photographed San Francisco in ruins sho

9、rtly after the great earthquake and fire,早期的航空摄影 - 鸽子,1903 Carrier pigeon,早期的航空摄影 - 鸽子,Oblique aerial photograph of a European castle obtained from a camera mounted on a carrier pigeon. The pigeons wings are visible (copyright Deutsches Museum, Munich, Germany).,早期的航空摄影 - 飞机、卫星,CORONA是第一代太空照片侦察卫星 19

10、60年 - 推出星载MetSats 1960年至1972年科罗纳间谍卫星计划,全球卫星观测系统,卫星遥感系统,实际应用,遥感的应用,林业：清查森林资源、监测森林火灾和病虫害。 农业：作物估产、作物长势及病虫害预报。 水文与海洋：水资源调查、水资源动态研究、冰雪监控、海洋渔业。 国土资源：国土资源调查、规划和政府决策。 气象：天气预报、气候预报、全球气候演变研究 环境监测：水污染、海洋油污染、大气污染、固体垃圾等及其预报。 测绘：航空摄影测量测绘地形图、编制各种类型的专题地图和影像地图。 城市：城市综合调查、规划及发展。 考古：遗址调查、预报。 地理信息系统：基础数据、更新数据。,传感器的特性,

11、四个主要分辨率: 光谱 空间 时间 辐射测量,像素点（Pixel）,像素: 构成影像的基本单元 像素点的值:由传感器记录的每个像素点位置上的电磁能量,光谱分辨率,光谱分辨率是指光谱特征峰分辨和分离的能力。用仪器达到光谱响应最大值的50%时的波长宽度表示（FWHM）。,成像的波段范围，分得愈细，波段愈多，光谱分辨率就愈高。 多光谱成像技术，1020个通道。光谱分辨率为/10； 高光谱成像技术，100400个通道的探测能力，一般光谱分辨率可达/100。 超高光谱成像，1000左右，光谱分辨率一般在/1000。,中国区域云图（风云静止星）,可见光通道,红外通道,水汽通道,尽管电磁辐射与环境之间的相互

12、作用方式繁多、复杂，但是几乎所有的大气变量都可以直接或者间接的反演得到，只要我们有设计适宜的仪器和反演算法。,空间分辨率,星下点像素,偏离星下点像素,FOV,卫星高度,空间分辨率：指遥感影像上能够识别的两个相邻地物的最小距离，即像素所代表的的地面范围的大小。,IFOV,ALI 30m 9 bands,Hyperion 30m 242 bands,TM 30m 6 bands,ASTER 15m VNIR, 30m SWIR 9 bands,MIVIS 8m 102 bands,IKONOS 4m 4 bands,传感器成像能力示例,时间分辨率,太阳静止卫星（极轨） 一日两次过境 ,16天覆盖全

13、球 地球静止卫星（静止）每15-30分钟一次,8-bit (0 - 255),9-bit (0 - 511),10-bit (0 - 1023),0,0,0,0,1,2,3,4,1,2,4,8,16,32,64,128,辐射分辨率是指传感器能分辨的目标反射或辐射的电磁辐射强度的最小变化量。,辐射分辨率,例如： AVHRR : 10 bit, MODIS : 12 bit,遥感探测平台,地基 （光谱仪） 机载 （气球 风筝 飞机） 空基 （火箭、卫星、飞船）,Figure 1 | Remote sensing of the climate system. Remote sensing is carried out by sensors aboard different platforms, including plane, boat and Argo floats. Ground-based instruments are also used, for example, sun spectral radiometers measure solar radiation. However, satellite remote sensing is capable of providing more frequent and repetitive coverage over a