大气环境遥感.ppt

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1、第三章 大气环境遥感第一节 大气环境遥感监测原理大气环境遥感的基本概念电磁辐射的大气传输大气遥感探测一、大气环境遥感的基本概念掩星：掩星是一种天文现象，指一个天体在另一个天体与观测者之间通过而产生的遮蔽现象。测量的是已知特征信号通过大气的一部分时，由于大气的作用而发生的变化散射：测量的是沿入射波方向与偏离该方向的散射波特性发射：测量的是发射辐射的谱特性及其强度温度探测成分探测气压探测密度探测测风二、电磁辐射的大气传输1.大气对太阳辐射的影响 太阳辐射进入地球之前必须通过大气层，由于大气对太阳辐射具有吸太阳辐射进入地球之前必须通过大气层，由于大气对太阳辐射具有吸收、散射和透射等作用，所以使得太阳

2、辐射到达地面的能量不断衰减。收、散射和透射等作用，所以使得太阳辐射到达地面的能量不断衰减。2.大气的吸收吸收电磁辐射是物质的普通性质，是指电磁辐射吸收电磁辐射是物质的普通性质，是指电磁辐射与物体作用后，转化为物体的内能。根据吸收的与物体作用后，转化为物体的内能。根据吸收的强弱和随波长的变化，吸收分为两种：强弱和随波长的变化，吸收分为两种：一般吸收一般吸收。在电磁辐射的整个波段内都有吸收。在电磁辐射的整个波段内都有吸收且吸收率随波长的变化几乎不变的吸收。且吸收率随波长的变化几乎不变的吸收。选择吸收选择吸收。在一些波段上吸收很大而一些波段。在一些波段上吸收很大而一些波段上吸收很少，即吸收率随波长的

3、变化有急剧变化上吸收很少，即吸收率随波长的变化有急剧变化的吸收。的吸收。吸收太阳短波辐射的主要气体是吸收太阳短波辐射的主要气体是H H2 2OO，其次是，其次是OO2 2和和OO3 3，吸收太阳长波辐射的主要气体是，吸收太阳长波辐射的主要气体是H H2 2OO其次其次是是COCO2 2和和OO2 2水汽(H2O)吸收水汽对电磁辐射的吸收最为显著，其吸收带集中水汽对电磁辐射的吸收最为显著，其吸收带集中在中红外波段，实验表明液态和固态水比汽态水在中红外波段，实验表明液态和固态水比汽态水具更强的吸收能力。水汽吸收带很多，归纳起来具更强的吸收能力。水汽吸收带很多，归纳起来为：为：2 2个宽的强吸收带：

4、波长为个宽的强吸收带：波长为2.272.273.57m3.57m和和4.94.97.8m7.8m。2 2个窄的强吸收带：其中心波长分别为个窄的强吸收带：其中心波长分别为1.38m1.38m、1.86m1.86m。1 1个弱的窄吸收带：波长个弱的窄吸收带：波长0.70.71.23m1.23m。臭氧(O3)吸收和氧气(O2)吸收臭氧吸收集中在紫外波段，对波长臭氧吸收集中在紫外波段，对波长0.3m0.3m以下的以下的波段全部吸收在波段全部吸收在9.6m 9.6m 附近有一很窄的弱吸收附近有一很窄的弱吸收收带。收带。氧气对电磁辐射的吸收发生在小于氧气对电磁辐射的吸收发生在小于0.2m0.2m、0.69

5、m0.69m、0.76m0.76m几处，但都很弱。几处，但都很弱。二氧化碳(CO2)吸收 COCO2 2对电磁辐射的吸收主要发生在大于对电磁辐射的吸收主要发生在大于2m2m的红的红外波段。外波段。1 1个宽的吸收带：波长大于个宽的吸收带：波长大于13m13m的超远红外线几的超远红外线几乎全被吸收受。乎全被吸收受。2 2个窄的强吸收带：个窄的强吸收带：2.62.62.8m2.8m和和4.14.14.45m4.45m此外，尘埃、水滴、此外，尘埃、水滴、N N2 2OO、COCO等也对电磁辐射有等也对电磁辐射有所吸收。所吸收。3.大气的散射散射是指电磁辐射与结构不均匀的物体作用后，散射是指电磁辐射与

6、结构不均匀的物体作用后，产生的次级辐射无干涉抵消，而是向各个方向传产生的次级辐射无干涉抵消，而是向各个方向传播的现象，它实质是反射、折射和衍射的综合反播的现象，它实质是反射、折射和衍射的综合反映。映。散射主要发生在可见光波段其性质和强度取决散射主要发生在可见光波段其性质和强度取决于大气中分子或微粒的半径于大气中分子或微粒的半径r r与被散射光的波长与被散射光的波长 二者之间的相互对比关系。二者之间的相互对比关系。散射的类型散射能力的大小常用散射系数来表达散射能力的大小常用散射系数来表达a.a.瑞利散射瑞利散射。当。当 r r，发生的散射称瑞利散射，发生的散射称瑞利散射它的散射强度与入射辐射波长

7、的四次方成反比它的散射强度与入射辐射波长的四次方成反比 其中：其中：为散射系数，为散射系数，为波长为波长 入射辐射的波长短，辐射能力愈强入射辐射的波长短，辐射能力愈强b.b.米氏散射米氏散射。当。当=r=r时，发生的散射称米氏散射，时，发生的散射称米氏散射，其散射程度约与波长的二次方成反比。其散射程度约与波长的二次方成反比。c.c.非选择性散射（粗粒散射）非选择性散射（粗粒散射）。当。当 r r时，发时，发生的散射称粗粒散射，其散射强度与波长无关，生的散射称粗粒散射，其散射强度与波长无关，是非选择性散射。大气中的液、固态水和固体杂是非选择性散射。大气中的液、固态水和固体杂质质r r1m1m，都

8、大于可见光的波长，都大于可见光的波长(r)r)，因此它，因此它们对可见光散射出的辐射呈白色如云、雾等呈们对可见光散射出的辐射呈白色如云、雾等呈白色即是这个原因白色即是这个原因4.大气的透射和大气窗口透射是指电磁辐射与介质作用后，产生次级辐射透射是指电磁辐射与介质作用后，产生次级辐射扣部分原入射辐射穿过该介质，到达另一种介质扣部分原入射辐射穿过该介质，到达另一种介质的现象或过程，一般用透射率的现象或过程，一般用透射率 来表示透射能力，来表示透射能力，=透射能量入射能量。透射能量入射能量。大气窗口是指大气对电磁辐射的吸收和散射都很大气窗口是指大气对电磁辐射的吸收和散射都很小，而透射率很高的波段，换

9、句话说，就是小，而透射率很高的波段，换句话说，就是 电磁电磁辐射在大气中传输损耗很小，能透过大气的电磁辐射在大气中传输损耗很小，能透过大气的电磁波段。波段。大气窗口主要大气窗口0.30.31.3m1.3m，即紫外、可见光、近红外波段。，即紫外、可见光、近红外波段。这一波段是摄影成像的最佳波段，也是许多卫星这一波段是摄影成像的最佳波段，也是许多卫星传感器扫描成像的常用波段。比如，传感器扫描成像的常用波段。比如，Landsat Landsat 卫卫星的星的TM TM 的的 1 14 4 波段，波段，SPOTSPOT卫星的卫星的HRVHRV波段等波段等 1.51.51.8m1.8m，2.02.03.

10、5 m3.5 m，即近、中红外波，即近、中红外波段，在白天日照条件好的时候扫描成像常用这些段，在白天日照条件好的时候扫描成像常用这些波段，比如波段，比如TMTM的的5 5、7 7波段等用以探测植物含水波段等用以探测植物含水量以及云、雪或用于地质制图等量以及云、雪或用于地质制图等 3.53.55.5m5.5m，即中红外波段，物体的热辐射较，即中红外波段，物体的热辐射较强。这一区间除了地面物体反射光谱反射太阳辐强。这一区间除了地面物体反射光谱反射太阳辐射外，地面物体也有自身的发射能量。比如，射外，地面物体也有自身的发射能量。比如，NOAANOAA卫星的卫星的AVHRRAVHRR传感器用传感器用3.

11、553.553.93m3.93m探探测海面温度，获得昼夜云图。测海面温度，获得昼夜云图。8 814m14m，即远红外波段。主要来自物体热辐射，即远红外波段。主要来自物体热辐射的能量，适于夜间成像，测量探测目标的地物温的能量，适于夜间成像，测量探测目标的地物温度度 0.8 0.82.5cm2.5cm，即微波波段，由于微波穿云透雾的，即微波波段，由于微波穿云透雾的能力，这一区间可以全天候工作。而且由其他窗能力，这一区间可以全天候工作。而且由其他窗口区间的被动遥感工作方式过渡到主动遥感的工口区间的被动遥感工作方式过渡到主动遥感的工作方式。如侧视雷达影像，作方式。如侧视雷达影像，Radarsat Ra

12、darsat 的卫星雷的卫星雷达影像等。其常用的波段为达影像等。其常用的波段为 0.8cm0.8cm，3cm3cm，5cm5cm，10cm10cm，有时也可将该窗口扩展为，有时也可将该窗口扩展为0.05cm0.05cm至至300cm 300cm 波段波段 5.辐射传输的有关物理量大气光学厚度：沿辐射传输路径，单位截面上所大气光学厚度：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有吸收和散射物质产生的总削弱光学质量：辐射沿传输路径在单位截面气柱内所光学质量：辐射沿传输路径在单位截面气柱内所吸收或散射的气体质量吸收或散射的气体质量单色透过率和单色吸收率：通过一段大气路径的单色透过率和单

13、色吸收率：通过一段大气路径的透过率和吸收率透过率和吸收率第二节 大气成分遥感监测大气的成分及分布大气参数的垂直分布探测主要大气成分遥感监测一、大气的成分及分布地球大气由多种气体和悬浮于其中的固体粒子或地球大气由多种气体和悬浮于其中的固体粒子或气体粒子（称为大气气溶胶）所组成。气体粒子（称为大气气溶胶）所组成。在地球大气的气体成分中，水汽是最重要、最活在地球大气的气体成分中，水汽是最重要、最活跃的，它不但造成云雨雷电、天气变化，而且在跃的，它不但造成云雨雷电、天气变化，而且在地球的生态系统中起着重要作用。地球的生态系统中起着重要作用。多种气体成分组成的干洁空气、水汽（可处于气、多种气体成分组成的

14、干洁空气、水汽（可处于气、固、液三态之中一态）及悬浮的气溶胶粒子。固、液三态之中一态）及悬浮的气溶胶粒子。二、大气参数的垂直分布探测 大气温度和湿度探测 卫星云迹风探测1.大气温度和湿度探测大气所吸收的辐射能量的多少与大气中吸收气体大气所吸收的辐射能量的多少与大气中吸收气体的吸收特性和气体含量的多少有关。的吸收特性和气体含量的多少有关。在弱吸收光谱区，表面辐射被近地面层大气吸收，在弱吸收光谱区，表面辐射被近地面层大气吸收，同时又从大气低层以自身温度发射同一波段的辐同时又从大气低层以自身温度发射同一波段的辐射到太空。射到太空。在强吸收光谱区，当辐射通过大气时，表面辐射在强吸收光谱区，当辐射通过大

15、气时，表面辐射经过一个吸收和放射过程，到达太空的强吸收光经过一个吸收和放射过程，到达太空的强吸收光谱区的辐射基本上来自于大气比较高的层次。谱区的辐射基本上来自于大气比较高的层次。在中等强度的吸收光谱区内，有效辐射层位于大在中等强度的吸收光谱区内，有效辐射层位于大气层的中间高度。气层的中间高度。因此，卫星在一个吸收带的中央（强吸收区）和因此，卫星在一个吸收带的中央（强吸收区）和两翼（相对弱的吸收区）选择若干个光谱带进行两翼（相对弱的吸收区）选择若干个光谱带进行观测，就可以得到大气不同高度的热状态，进而观测，就可以得到大气不同高度的热状态，进而得到大气温度的垂直分布。得到大气温度的垂直分布。无论是

16、无论是COCO2 2还是水汽，他们的主要吸收带均分还是水汽，他们的主要吸收带均分布在电磁辐射的红外波段。云中的水滴或冰晶对布在电磁辐射的红外波段。云中的水滴或冰晶对红外波段的辐射具有很强的吸收能力（屏蔽作用）红外波段的辐射具有很强的吸收能力（屏蔽作用），卫星仅能探测到无云区和云顶以上大气温度的，卫星仅能探测到无云区和云顶以上大气温度的垂直分布。为了克服这一致命弱点，实现气象卫垂直分布。为了克服这一致命弱点，实现气象卫星的全天候探测，气象卫星设计者又选择了能够星的全天候探测，气象卫星设计者又选择了能够穿透云、本身又均匀分布的氧分子的（穿透云、本身又均匀分布的氧分子的（OO2 2）在）在5060G

17、Hz5060GHz的的1010余个通道来探测大气温度。余个通道来探测大气温度。n n至今为止，利用气象卫星探测大气温、温度分布至今为止，利用气象卫星探测大气温、温度分布的工作已经开展了近的工作已经开展了近3030年，取得了长足的进步。年，取得了长足的进步。但存在一个致命问题是探测精度尚不够高，垂直但存在一个致命问题是探测精度尚不够高，垂直分辨率低。分辨率低。n n 2002 2002年发射的年发射的EOSEOS第二颗星第二颗星AquaAqua给我们带来了给我们带来了希望。该星上的大气红外探测器希望。该星上的大气红外探测器AIRSAIRS，在可见光、，在可见光、近红外、中红外和长波红外光谱范围，

18、分近红外、中红外和长波红外光谱范围，分23002300个个波段进行探测，其水平分辨率为波段进行探测，其水平分辨率为13.5km13.5km，垂直，垂直分辨率分辨率1km1km，反演温度的均方根误差有望达，反演温度的均方根误差有望达1K1K左左右。若如此，则可以满足数值天气预报和气候监右。若如此，则可以满足数值天气预报和气候监测的要求。测的要求。卫星探测卫星探测得到的不同大气成分吸收带不同通道的得到的不同大气成分吸收带不同通道的测值，要经过预处理和处理之后才能将探测的计测值，要经过预处理和处理之后才能将探测的计数值转换为湿度和温度数值转换为湿度和温度。预处理由资料提取、地理定位、辐射定标和各种预

19、处理由资料提取、地理定位、辐射定标和各种订正（如临边变暗订正、水汽订正和表面发射率订正（如临边变暗订正、水汽订正和表面发射率订正等）组成订正等）组成。在反演处理中则包括初估场的获取，正演亮温误在反演处理中则包括初估场的获取，正演亮温误差的统计修正、反演通道的最佳选择、物理反演差的统计修正、反演通道的最佳选择、物理反演计算等几个步骤计算等几个步骤。对对得到的不同高度反演温度进行真实性检验后，得到的不同高度反演温度进行真实性检验后，就得到了卫星遥感的大气温度垂直分布。就得到了卫星遥感的大气温度垂直分布。2.卫星云迹风探测 风是大气中最重要的动力学参数，但卫星上的遥风是大气中最重要的动力学参数，但卫

20、星上的遥感探测器目前尚没有直接跟踪和观测大气运动的感探测器目前尚没有直接跟踪和观测大气运动的能力。所以，早期的卫星云图分析人员，均从云能力。所以，早期的卫星云图分析人员，均从云型特征、天气系统和风场的统计相关关系，来间型特征、天气系统和风场的统计相关关系，来间接地推测风场。自从短时间间隔的静止气象卫星接地推测风场。自从短时间间隔的静止气象卫星图像观测取得成功以后，一种想法提出来了：如图像观测取得成功以后，一种想法提出来了：如果在半小时时间内云的生消变化不大，卫星图像果在半小时时间内云的生消变化不大，卫星图像上云的移动就是大气气流对它平流的结果，若能上云的移动就是大气气流对它平流的结果，若能准确

21、地求出云的移动矢量，这就是风。准确地求出云的移动矢量，这就是风。3.主要大气成分遥感监测 大气成分中的温室气体，通过它的辐射效应改变大气成分中的温室气体，通过它的辐射效应改变着地气系统的辐射平衡和气候变化，使之成为全着地气系统的辐射平衡和气候变化，使之成为全球变化研究中最受重视的部分之一。球变化研究中最受重视的部分之一。臭氧监测臭氧监测温室气体监测温室气体监测(1)臭氧监测(1)臭氧监测 原理：原理：如果在人造地球卫星上安装一台光谱仪，如果在人造地球卫星上安装一台光谱仪，通过测量某些特定谱线（即那种气体成分的吸收通过测量某些特定谱线（即那种气体成分的吸收线）存在与否，来确定大气中是否存在着那种

22、气线）存在与否，来确定大气中是否存在着那种气体，是探测它的行之有效的方法。在大气温度廓体，是探测它的行之有效的方法。在大气温度廓线已知的情况下，通过测量吸收谱线的强度，还线已知的情况下，通过测量吸收谱线的强度，还可以得到那种气体成分的浓度。臭氧的强吸收带可以得到那种气体成分的浓度。臭氧的强吸收带主要位于波长短于主要位于波长短于0.360.36 mm的紫外波段、的紫外波段、910910 mm的地球辐射的红外波段，此外，对的地球辐射的红外波段，此外，对0.460.740.460.74 mm的可见光波段也有吸收。的可见光波段也有吸收。专门用于测量臭氧含量的主要星载遥感探测器有专门用于测量臭氧含量的主

23、要星载遥感探测器有两个。一个是两个。一个是SBUVSBUV，另一个是臭氧总量制图光，另一个是臭氧总量制图光谱仪（谱仪（TOMSTOMS）TOMSTOMS是通过测量后向太阳紫外辐射中的是通过测量后向太阳紫外辐射中的4 4个光个光谱通道的辐射值（其波长分别为：谱通道的辐射值（其波长分别为：312312、317317、331331和和339 nm339 nm其中臭氧的最强吸收（其中臭氧的最强吸收（312nm312nm）辐射和最弱吸收（辐射和最弱吸收（331nm331nm）辐射的比值就可以）辐射的比值就可以反演出大气柱中臭氧的总量反演出大气柱中臭氧的总量TOMSTOMS对臭氧总量的反演精度可达对臭氧总

24、量的反演精度可达5%5%以上。以上。TOMSTOMS的扫描幅宽的扫描幅宽2300km2300km，地面分辨率，地面分辨率50100km50100km，每天可得到一幅全球的臭氧总量，每天可得到一幅全球的臭氧总量分布图分布图 TOMS目前，国际上星载紫外大气成分探测仪已经取得目前，国际上星载紫外大气成分探测仪已经取得了飞速发展，有代表性的遥感器包括：了飞速发展，有代表性的遥感器包括：GOME(Global Ozone Monitoring Experiment)SCIAMACHY(Scanning Imaging Absorption Spectrometer for Atmospheric Ca

25、rtography)TOMS(Total Ozone Mapping Spectrometer)OMI(Ozone Monitoring Instrument)相继实现了对全球硫化物、氮氧化物等的监测。相继实现了对全球硫化物、氮氧化物等的监测。日本日本2009年年1月发射了温室气体观测卫星月发射了温室气体观测卫星(Greenhouse Gases Observing SATellite,GOSAT)，希望实现对大气二氧化，希望实现对大气二氧化碳含量的监测。碳含量的监测。美国美国美国美国“嗅碳嗅碳嗅碳嗅碳”卫星卫星卫星卫星 (Orbiting Carbon Observatory,OCO)(Orbiting Carbon Observatory,OCO)(2)温室气体监测