第章气象卫星遥感原理专业知识讲座.ppt

,NANJING UNIVERSITY OF INFORMATION SICENCE&TECHNOLOGY,本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。,第一章,气象卫星探测概述,大气物理学院 肖稳安,Tel,：,13605180353 E-mail,：,xiaowenan,第一节,气象卫星遥感的意义和内容,背景：,二十世纪,40,50,年代，科技发展的两大,突出进展：,1946,年现代电子计算机技术研制成功，大,大地缩短了科学进程。,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,、地质、海洋、农业、军事和通信等领域。,气象卫星,1960,年,4,月,1,日，,TIROS,卫星升空，开创了人造卫星应用于气象的新纪元。,气象卫星,:,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、湿度、风、云、和辐射等气象要素和雷电等天气现象，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。,遥感的概念,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、分类和识别的一种技术,。,遥感探测的设备,传感器，运载工具,遥感探测的内容,遥感信息获取手段的研究；,各类物体的辐射波谱特性及传输规律的研究；,遥感信息的处理与分析判读技术的研究。,遥感探测的分类：,按工作方式分为：被动遥感和主动遥感；,按波段分为：紫外遥感、可见光遥感、红外遥感和微波遥感；,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。,在空间固定轨道上运行,自上而下进行观测,全球和大范围的观测,遥感探测,使用新的探测技术,丰富的观测资料,受益面广,极轨卫星观测,静止卫星观测,第二节,气象卫星遥感观测的特点,第三节,卫星遥感观测资料的作用,在大气科学中的应用,农业遥感中的应用,林业遥感中的应用,海洋遥感中的应用,军事气象中的应用,航空气象中的应用,空间环境监测中的应用,通信中的应用,增加了气象观测资料的内容,填补了洋面和荒漠地区的观测资料,实现了连续,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,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,加深了对天气系统的理解,改进了长期天气预报,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,第四节 气象卫星探测的要求和分类,一,.,气象卫星探测的要求,1,、环绕地球运行（圆或椭圆）,2,、在轨运行时间长（寿命长）,3,、可进行多种观测,4,、观测资料精度高,5,、观测连续,6,、便于观测资料处理,二,.,近极地太阳同步卫星轨道,1,、什么是近极地太阳同步卫星轨道,地,球,轨,道,太 阳,卫星轨道,春,夏,秋,冬,图,太阳同步轨道,2,、近极地太阳同步卫星轨道的实现,（,1,）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,360,的转动，平均每天变化为：,360,/365,天,=,0.985/,天,变化方向从,东,向,西,图,2-9,卫星轨道平面随地球绕太阳公转时的平动运动,3,：,00,地,球,轨,道,15,：,00,太 阳,卫星轨道,春,夏,秋,冬,9,：,00,21,：,00,地,球,轨,道,太 阳,卫星轨道,春,夏,秋,冬,15,：,00,15,：,00,15,：,00,15,：,00,（,2,）卫星轨道平面进动的利用,10/,（,1-e,2,）,2,（,R/a,）,3.5,osi=0.985/,天,若太阳同步轨道圆形轨道，则,a=R+H e=0,cosi=-9.8510,-2,R/,（,R+H,）,3.5,i90,进动方向从西向东,（,3,）近极地太阳同步卫星轨道,的实现,利用卫星轨道在地球扁率,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,的转动，即可实现近极地太阳,同步卫星轨道。,图,2-10,太阳同步轨道,3,、太阳同步轨道的优缺点,优点：,（,1,）轨道近似圆形，轨道预告、接收和资料定位方便；,（,2,）有利于资料处理和使用；,（,3,）全球观测；,（,4,）在观测时有合适的照明，可以得到戳充分,的太阳能。,缺点：,（,1,）对同一地点观测的时间间隔太长；,（,2,）不利对中小尺度天气系统的监测；,（,3,）相临两条轨道的观测资料不是同一时刻，利用不利,。,三,.,地球同步卫星轨道,1,、什么是地球同步卫星轨道,H=35860Km,S,N,图,2-11,地球同步卫星轨道,2,、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；,轨道倾角,i=0,，地球赤道平面与卫星轨道平面重合；,轨道偏心率,e=0,，即轨道是圆形；,卫星运行周 期,T=23,小时,56,分,04,秒。,H=,（,/4,2,）,T,2,1/3,-R,H=35860,（,Km,）,V=/,（,R+H,）,1/2,=3.07,（千米,/,秒）,实际卫星轨道不可能是圆，有点椭圆形；倾角也不正好,等于,0,，常有,1,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,“,8,”,字形的摆动。,3,、地球同步卫星轨道的有效利用,若在地球同步轨道上每,3,放置一颗卫星，共可放置,120,颗卫星，两相临卫星间的距离为,2210.04,公里卫星的波束,宽度应小于,20.5,。,5,、地球同步卫星轨道的优缺点,优点：,（,1,）高度高，视野广；,（,2,）对同一地区连续观测；,（,3,）监视中小尺度天气系统；,（,4,）圆轨道，定位、处理、接收方便。,缺点：,（,1,）不能观测两极；,（,2,）高度高，精度难提高。,四,.,气象卫星发射概况,第一颗气象卫星：,1960,年,4,月,1,日,泰罗斯（,TIROS,）气象卫,星发射。,气象卫星的国家：美、苏、日、中、印、法国、欧洲空组,织和韩国等。,150,多颗。,卫星种类：,60,年代初，近极地轨道,现在，近极地轨道和,地球静止轨道两类。,探测仪器：照相机,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,昼夜都能准确地提供,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,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,我国可接收的近极地轨道气象卫星,（,1,）,FY-1C.D.FY-3,（,01,）（,2,）,NOAA K-N,与,METOP,配对 （,3,）,NPOES 2010,年以后美民用、军用合作，命名为“国家极地轨道业务环境卫星系统”（,NPOES,）。（,4,）,METEOR,（,5,）,EOS,（,6,）,TRMM,（,7,）其它卫星,FY-2,卫星,我国可接收的地球静止轨道气象卫星,（,1,）,FY-2(02)C.D,（,2,）,GMS,（,3,）,INSAT,五,.,对未来的展望,1,、当前对地观测卫星发展的特点,高光谱分辨率,1,几,nm,，获取更多的地球、大气信息。,高空间分辨率,1,几,m,，获取更详细的地球大气特性。,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、,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,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。,3,、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,通过努力将成为监测、研究、预测和服务的支柱。,全球气象卫星观测系统,第二章 气象卫星遥感,大气的基本原理,大气物理学院 肖稳安,Tel,：,13605180353 E-mail,：,xiaowenan,第一节 气象卫星遥感的基础,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基础。,一,.,基本辐射量,辐射能（,Q),辐射通量,(,),辐射通量密度,(F),：,若,M,为出射度，,E,为辐照度，,F,辐射强度,(I),：,若各向同性则,I=,/4,辐射率（辐射亮度）,(L),：在单位时间内通过垂直面,元法线方向上单位面积、单位立体角的辐射能。,在垂直法线方向：,L,（,n,）,=,3,Q/,A,t,=,2,/,A,=F,/,在,S,方向：,L,（,s,）,=,3,Q,（,）,/,A,t,=,3,Q,（,）,/,A,t,cos,dA,d,s,n,二,.,辐射基本定律,黑体：,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,1,的物体。,a(,)1,灰体：,指其吸收率与波长无关，且为小于,1,的常数的,物体。,a(,)=C,1,选择性辐射体：,指其吸收率随波长而变的物体。,a,a(,),辐射平衡,：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,变的辐射过程。,黑体辐射定律：,普朗克定律（黑体辐射方程）：,h,是普朗克常数，,h,=,6.6262,10,-27,尔格,/,秒,k,是波尔兹曼常数，,k=1.3806,10,-16,尔格,/,度,c,是光速,若用,c,1,=2,c,2,h,，,c,2,=,hc/k,，,方程可变为,（,w,cm,-2,m,-1,）,利用波长、频率和波数之间的关系，,黑体是普朗体，所以分谱辐射率等于,M,/,，因此，,可将,普朗克辐射公式表示为：,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。,由普朗克定律可看出：,温度越高，黑体的全辐射能力越大；,温度愈高，最大单,色（或分谱）辐射能力所对应的波长愈小；,太阳近似于,6000k,的黑体，最大辐射波长为,0.474,m,，在,0.154m,的范围，,辐射能占太阳全部辐射能量当,99%,；,地球近似于,300k,的黑体，最大辐射波长为,10,m,，在,380s,的范围，,辐射能占地球全部辐射能量当,99%,；,对流层顶近似于,200k,的黑体，最大辐射波长为,14.5,m,，在,4120m,的范围，,辐射能占对流层顶全部辐射能量当,99%,。,维恩位移定律和瑞利,-,琴斯辐射公式,将普朗克函数对,波长微分得：,max,T=0.2897885(,厘米,度,),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最大辐射波长。,斯蒂芬,-,波尔兹曼定律,把普朗克函数由,0,的整个波长域上积分，就得到黑体的全辐射本领：,由于黑体辐射是各项同性的，因此黑体发射的通量密度为,F=,B,（,T,）,=T,4,式中是,斯蒂芬,-,波尔兹曼常数，等于,5.67,10,-5,尔格,cm,-2,s,-1,k,-4,。,表明,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基础。,基尔霍夫定律,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。,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，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,L,是入射的分谱辐射率，则发射的辐射率为：,J,=,B,（,T,）,=,a,L,式中,J,是,物体发射的辐射率；,是,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）；,B,（,T,）,是黑,体普朗克辐射；,a,是,物体的吸收率（定义为吸收强度与普朗克函数之比）；,L,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,B,（,T,）,=,L,所以有,=,a,吸收率为,a,的物体只吸收,a,倍的黑体辐射强度,B,（,T,），同时它发射出,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,a,=,=1,灰体的特征是不能全部吸收和发射，有,a,=,1,不难看出基尔霍夫定律表达了两方面的内容：,1,、它将物体的吸收与发射联系起来了，一物体在一定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。,2,、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。,三,.,辐射体的温度,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分布；反过来，对于一定的辐射光谱分布，可以求取物体的温度。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，为方便定义几种不同的温度。,有效温度（,T,e,）,:,如果温度为,T,的物体的出射度为,M(,T,),，又设想,M,(,T,e,),为黑体发出的，即,M(,T,)=M,(,T,e,),，则黑体的温度,T,e,称为该物体的有效温度。根据斯蒂芬,-,波尔兹曼定律得,T,e,=M,(T)/,1/4,由于物体的比辐射率小于,1,，所以,T,T,e,有效温度（,T,e,），也称为等效黑体温度。,色温度（,Tc,）,:,如果物体的辐射光谱分布与温度为,Tc,的黑体物体的辐射光谱分布相一致则,Tc,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,m,，再由维恩位移公式得,T,c,=2886/,m,亮度温度（,T,b,）,:,如果物体发射的辐射亮度,L,（,T,）与温度为,T,b,的黑体辐射亮度,B,（,T,b,）,相等，即,L,（,T,）,=B,（,T,b,）,则,T,b,称为该物体的,亮度温度。根据普朗克公式,亮度温度（,T,b,）又称辐射温度。由于,B,（,T,）,B,（,T,b,）,，所以,T,b,T,或,四,.,布尔吸收定律,辐射率,L,单色辐射 通过有吸收无辐散介质,dl,距离，辐射改变量,-dL,与吸收气体的含量,dAdl,、,L,成正比,dL,=-,L,k,（,l,）,dl,式中,（,l,）,吸收气体的密度，,k,分谱质量吸收系数（厘米,2,克,-1,），它是给定介质热力状态的函数，,k,（,l,）,=,k,V,，,体积吸收系数（厘米,-1,）,。,对上式沿,0,l,积分得,L,0,是辐射进入介质时的分谱辐射率。这就是,布尔吸收定律。式中指数部分 称为光学厚度，而把 称做光学路径或光程。,对于均匀介质，,k,、,与,l,无关,在不计散射的情况下，分谱透过辐射,L,与,分谱入射辐射,L,O,之比称为,辐射通过介质,0,l,距离的,分谱辐射透过率,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,为,在实际大气中，由于,和,k,随波长变化很快，通常用在一有限波长间隔的平均透过率。,五,.,大气、地面对辐射的散射和反射,1,、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。,取,=k,S,为容积散射系数,k,S,为质量散射系数,则辐射通过一路径,l,后其辐射为,2,、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,描述物体的反射特性时，常用反射率和反照率两个概念。,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。,反射率和反照率是两个不同的概念。如图,3-2,所示，在,I,方向、立体角,d,内投射到,dA,面上的辐照度为,L,（,I,）,d,L,（,I,）是入射辐射率，在,I,方向产生的辐射率为,dL,（,I,）,=r,（,I,，,I,）,L,（,I,）,d,r,（,I,，,I,）称做反射率。,于是从上半空间所有,方向来的入射辐射发生在,I,方向的反射辐射强度为,n,I,I,dA,d,d,图,3-2,反照率示意图,按照反照率的定义，记为,r,s,，,则,即,由此得到反射率与反照率之间的关系为,第二节 太阳和地球,大气系统辐射,一,.,太阳辐射及其光谱特征,太阳：巨大的火球；直径,139.14,万公里，是地球的,104,倍；表面积,6.093,10,12,平方公里；体积,1.412,10,18,立方公里；距离地球平均距离为,1.495,10,8,公里。,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。,d,0,是日地平均距离；,s,0,是太阳常数。,到达地球大气顶的太阳辐射通过大气时，,大约,35%,被地球、大气、云层反射；,17%,被大气吸收；,47%,到达地面被地表吸收。,太阳常数：,1353,瓦,/,米,2,，估计误差为,21,瓦,/,米,2,。由太阳常数可以计算单位时间内太阳辐射的总能量为,太阳光谱：,太阳辐射能主要集中在,0.3-3.0,微米；,辐射最大值位于,0.47,微米；,1/4,能量在波长,0.47,微米的谱段内；,46%,的能量在,0.40,0.76,的可见光波段。,图中虚线表示,T=5900K,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,斯蒂芬,-,波尔兹曼定律和维恩位移公式计算出太阳的有效温度,T,e,和色温度,T,c,。,波长（,s,）,0.0 0.4 0.8 1.2 1.6 2.0 2.4 2.8 3.2,0.25,0.20,0.15,0.10,0.05,0.00,辐照度,W,m,-2,s,-1,图,3-3,太阳辐射光谱示意图,太阳最大辐波长,max,=0.47 s,太阳吸收光谱：该光谱与,5900K,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、二氧化碳及尘埃等物质选择性吸收作用造成的吸收线和吸收带。,1,、,O,3,的吸收主要位于太阳光的紫外光,0.2,0.3,m 0.29m,；,0.32,0.36m,；,可见光,0.6,和,4.75m,。,2,、,O,2,在紫外、可见光也有吸收带。,3,、,H,2,O,在,0.7,m,；,0.7,0.8m,4,、,C,2,O,二,.,地面覆盖物对太阳辐射的反射,1,、土壤粒子对反照率的影响,2,、土壤水分对反照率的影响,3,、反照率随波长的变化,4,、植被的反照率,5,、冰雪的反照率,6,、水体的反照率,图,三种不同含水量,砂土的光谱反射曲线,不同土壤湿度下,含沙壤土的反照率,1,、土壤水分对反照率的影响,2232%,反照率,%,波长,s,04%,512%,反照率,反照率随波长的变化,2,、反照率随波长的变化,作物在生长和,衰老期间光谱变化,从可见光到中红外,小麦叶子的反射光谱,3,、植被的反照率,反照率,反照率,（,a,）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,反照率,波长,s,叶子反照率、水吸收率,%,叶子反射率,水吸收率,0.5 1.3 1.9 2.5,图,叶子反照率、水吸收率的反比关系,衰老期小麦叶子的反射光谱,反照率,0.6 1.4 2.0 2.4,波长,s,反,照,率,%,图,雪的反射特性曲线,4,、冰雪的反照率,不同叶绿素浓度的海水光谱曲线,在,0.51.0,微米内天然,清水和混水的反射光谱曲线,5,、水体的反照率,清水的吸收系数,6,、云层的反照率,假设云层的反照率和透过率都是,50%,。最后从第一层反射的能量占原来入射能量的,62.5%,。因而多层云的反照率较高。,入射辐射,L,R,1,=L/2,T,1,=L/2,T,2,=L/4,R,2,=L/4,T,3,=L/8,R,3,+T,3,=5L/8,R,3,=L/8,图,多层云对太阳辐射的反射,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,100,80,60,40,20,00,10 100 1000 10000,云厚（米）,（）,600,500,400,300,200,100,00,10 20 30 40 50 60 70 80 90,高层云,层云,（）,云,厚,（米）,透过率（）,三,.,地球,大气系统辐射光谱和大气吸收带,1,、地球,大气系统辐射光谱,地球,大气系统发出的辐射主要是红外辐射。对于,2.5m,的红外波段，物体的比辐射率近似等于,1,，近似黑体，由黑体定律计算,地球,大气系统平均温度。如果到达地球并被其吸收的太阳辐射为,r,S,行星平均反照率，,R,地球半径，,s,0,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，其出射度为,（,1-r,S,）,R,2,s,0,由,斯蒂芬,-,波尔兹曼定律（,M=,T,4,），,r,S,=0.28,，,s,0,=1353,瓦,米,-2,，,=5.6710,-8,瓦,米,-4,开,-4,代入，得,接近实际大气的平均温度，可以把地球,-,大气系统近似看作平均温度为,256K,的黑体。,地球,大气系统发出的辐射能的,95%,集中在,4120,m,的波段，最大辐射波长约在,10 m,附近。在,35 m,与太阳辐射光谱有重叠。,2,、大气对,地球,-,大气辐射的吸收,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,3,m,时，雷利散射很小，忽略。所以造成,地球,-,大气辐射能衰减的主要原因是大气气体的吸收。,成 分,体积百分混合比（,%,）,混合比,强吸收位置（,m,）,弱强吸收位置（,m,）,氧和氮,99,常数,不吸收,不吸收,H,2,O,1.00.01,可变,1.4,，,1.9,，,2.7,，,6.3,，,13.0,0.9,，,1.1,C,2,O,0.033,常数,2.7,，,4.3,，,14.7,1.4,，,1.6,，,2.0,，,5.0,，,9.4,，,10.4,O,3,10,-6,可变,4.7,，,9.6,，,14.1,3.3,，,3.6,，,5.7,N,2,O,2.43.0,10,-5,可变,4.5,，,7.8,3.9,，,4.1,，,9.6,，,17.0,CH,4,1.41.6,10,-4,可变,3.3,，,3.8,，,7.7,CO,1.31.9,10,-5,可变,4.7,2.3,表,3-1,大气气体的吸收谱带,大气吸收带与大气窗：,通过大气的太阳辐射或地球,-,大气辐射将被大气中的某些气体,所吸,3,、大气窗和大气吸收带,收,，这些吸收随波长变化很大，在某些波段吸收很强，在另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透过大气）。,谱,段,紫外与可见（,m,）,近 红 外（,m,）,红 外（,m,）,远红外（,m,）,微 波（,mm,）,波,长,0.300.75,0.770.91,1.01.12,1.191.34,1.551.75,2.052.46,3.54.1,4.55.0,8.09.1,10.212.4,17.022.0,2.062.22 3.03.75,7.511.5,2030,表,3-2,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发射、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，可以得到大气温度和成分。,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、云层和大气信息，目前卫星测量使用的通道很多。,四,.,大气窗和大气吸收带在遥感中的应用,表,3-3,卫星测量使用的通道,通道（,m,）,光谱名称,用 途,0.24,反射太阳辐射,99%,，太阳辐射总量,530,长波辐射,85%,，地球,大气发射到宇宙的长波辐射,气辐射收支,0.4750.575,蓝、绿,地表、地下水特征，干燥、岩石、土壤,0.580.68,黄、红,白天云分布，植物生长、水污染、地形等,0.60.7,橙,透射水体，水混浊度海洋泥沙流大河悬浮陆地冰川沙漠地植物生长,0.70.8,红,对水体、湿地反映清楚，土壤湿度，植物病虫、生长,0.7251.10,近红外,白天云分布，水陆边界，水体分布，土壤湿度，植物生长,3.44.2,短波红外,十分透明对温度灵敏，测量海面测温，云分布，白天除太阳干扰,5.77.1,水吸收带,大气层对流层中上部水气含量,10.512.5,大气窗,红外云图，云参数，海面温度和降水,1315,CO,2,吸收带,大气温度垂直分布,第三节,辐射在大气中的传输和卫星接收到的辐射,一,.,红外辐射在大气中的传输方程,1,、辐射在介质中的传输,在红外波段，散射辐射很,小，可忽略。,（,1,）小气柱吸收的辐射,dL,1,因介质吸收引起辐射,的改变量，,k,（,z,）质量吸收,系数，,（,z,）吸收介质的密度,。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。,图,3-9,小气柱介质辐射,（,2,）小气柱发射的辐射,dL,2,因介质发射引起辐射的改变量，,j,（,z,）介质,的质量发射率。在局地地热力平衡条件下,j=k,B,（,T,）,总的辐射的改变量,或,B,（,T,）普朗克辐射，,T,小气柱温度,。,2,、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,假定大气是水平平行均匀分层的，,Z,为垂直方向，在任意方向,I,的辐射传输方程,图,3-10,平行大气中辐射传输,dI,z,I,地 面,式中,dL,（,z,，）是天顶角为方向上,dz,气层内辐射的改变量。,使用气象上习惯的,P,坐标，根据静力方程,Z,干空气密度，,g,重力加速度，（,z,）,z,高度空气密度,q,（,p,）空气混合比,不难看出此式一阶线性常微分方程。,令,其导数为,将以上二式代入上面一阶线性常微分方程，并采用缩写符号，得,dL+Ld=d,（,L,）,=Bd,注意，,L,是，,p,，的函数，对上式从地面到任一高度（,p,0,p,）积分得,式中,T,（,P,0,）地面温度；,s,地面发射率,；,（，,P,0,）方向从地面到大气顶的透过率；,B,T,（,P,）,是,P,高度上温度为,T,（,P,）的普朗克辐射；,（,P,，）是方向从,P,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，即红外辐射在大气中的传输方程。,由于在热力平衡条件下有,L,（,P,0,）,=,S,B,T,（,P,0,）,，,且当,P0,时,（,P,，）,1,，故上式可写成,3,、红外辐射大气中的传输方程的物理意义,和卫星接 收到的辐射,。,在红外波段到达卫星的辐射,L,（）由两部分组成：,（,1,）地面辐射项：表示从地面发射的辐射 透过大气层进入空间的辐射。,（,2,）大气辐射项：表示从地面到大气顶整层气体发出并能进入空间的辐射。,气象卫星接收到辐射包括：,地面、云面发射的红外辐射,地面和云面反射的太阳辐射,地面和云面反射的大气向下的红外辐射,大气中各吸收气体发射的红外辐射,大气对太阳辐射的散射辐射,图,3-11,卫星上接收的辐射,二,.,地面和云面反射的大气向下的红外辐射,三,.,地面和云面反射的太阳辐射,3 2 1,L,（,z,1,）,z,z,h,z,1,0,四,.,有云时大气中红外辐射的传输,假如大气中有两层水平均匀的高云和中云则到达大气顶的辐射由三部分组成：,高云下面的中云和大气发出并透过高云向上的辐射,高云顶发出的辐射,高云以上大气发出的辐,射到达大气顶的辐射的辐射为,L,（,）则,L,（,z,h,）,图,3-12,有云时的辐射传输,如果只有低云没有高云方程可简化为,如果只有高云没有低云方程可简化为,在晴空无云时,第四节 卫星云图观测原理,一,.,可见光云图观测原理,通道：,0.520.68,m,；,0.580.68m,；,0.725,1.1m,等。大气窗,在大气窗区,(,日,）,=,(s,）,1,，,阳辐照度,E,（,T,日,),，可看做常数，因此卫星观测到的辐射,L,(,s,）与物体反照率,r,s,和太阳天顶角,日,有关：,可见光云图的特征：,在一定的太阳天顶角,日下，,物体反照率,r,s,越大，卫星观测到的辐射,L,(s,）就越大，卫星云图的色调就越亮；而,r,s,越小，,L,(s,）就越小，卫星云图的色调就越 暗。（辐射大用白色表示,；,辐射,小,用,黑,色表示）,；,在反照率,r,s,相同的条件下，,太阳天顶角,日,越大，卫星观测到的辐射,L,(s,）就越小，卫星云图的色调就越暗；,日,越小，,L,(s,）就越大，卫星云图的色调就越亮。,可见光云图还有日变化、季节变化。,日变化,FY,88.9.6.22,：,08 VIS,季节变化,NOAA,（,73.10.26.8,：,00 VIS,）,二,.,红外云图观测原理,通道：,3.55,3.93,m,；,10.512.5m,。大气窗,1,、长波红外云图（,10.512.5m,）,L,(s,）,=,S,B,（,T,S,),(,s,）,=B,（,T,S,),卫星观测到的辐射,L,(s,）,与物体温度有关。,物体温度越高，卫星观测到的辐射,L,(s,）就越大，卫星云图的色调就越暗；,物体温度越低，卫星观测到的辐射,L,(s,）就越小，卫星云图的色调就越亮。（辐射大用黑色表示,，,辐射,小,用,白,色表示,）。,红外云图上地面、云面色调随纬度和季节而变化：纬度越高，色调越白；夏季的色调比冬季的色调要暗（清晰）。,红外云图上海陆色调的变化：在北半球中高纬度地区，冬季海面温度高于陆面温度，云图上海面的色调比陆面要暗；而夏季正相反。,视场的影响。,云层厚度的影响。,光学路径的影响,视场的影响,光学路径的影响,季节变化,NOAA,73.11.09.9,：,24,IR,温度、水陆,NOAA,73.11.,vis,3.55-3.93,微米大气窗通道位于太阳辐射和地气辐射的重合区，在白天,L,(s,）包括反射的太阳辐射和地面云面发射的辐射两项，云图色调的变化较复杂，图象识别比较困难，但测温精度比长波红外云图高。（辐射大用黑色表示）,2,、短波红外云图（,3.55,3.93,m,）,短波红外波段的测温误差为,是波数，,b,是常数，对一定的,B,，波数越大（波长越短），,T,越小。,短波红外通道的大气衰减小。,短波红外通道在白天受太阳污染。,云类,云图种类,地 面,低 云,雾,可见光,r,S,小,大,大,色调,暗,白,白,红外,T,T,雾,低云,地面,雾,T,地面,T,低云,色调,暗,灰白,-,灰,灰,-,深灰,短波红外,r,S,小,大,大,色调,白,暗,暗,T,高,地面,雾,T,地面,T,低云,色调,暗,灰白,-,灰,灰,-,深灰,在短波红外云图上无的识别,三,.,水汽图观测原理,通道：,5.7,7.3,m,。水气吸收带,令,称权函数,称贡献函数，,红外波段,5.7-7.3,微米是水汽强吸收带，中心波长为,6.7,微米。水汽图色调越白，表示水汽越多；色调越黑，表示水汽越少。,图,3-13,水气通道的透过率、权重函数、和贡献函数特征,卫星能区分两个相临物体的能力。,1,、空间分辨率,指卫星在某一时刻观测地球的最小面积。,从卫星到观测地表面积之间构成的空间立体角称做,瞬时视，,卫星的瞬时视场决定了卫星的空间分辨率。,空间分辨率可以由卫星观测到的最小面积直径表示，单位为,km,。,空间分辨率也可以用卫星的瞬时视场角表示，单位为弧度。,像素：,卫星从某时刻到观测到的辐射就是与瞬时视场相应的地表小块面积内所有物体反射或发射的辐射的总合，这小块面积称做像素。像素是构成云图的最小单位。,第五节 卫星探测的分辨率,卫星探测与空间分辨率的关系,、,空间分辨率与卫星观测视场的关系,为了识别地面目标物的细微特征，卫星探测空间分辨率要高，这就要求卫星观测时的瞬时视场要小，但这样一来，进入卫星仪器的辐射能减小，可能造成探测仪器没有响应，不能达到探测目的。因此，为了提高,空间分辨率，要提高仪器的灵敏度。对一定仪器的探测灵敏度瞬时视场不能任意地小。一般,VIS,波段的辐射能远大于,IR,，因此在同样瞬时视场情况下，在,VIS,波段探测的空间分辨率大于,IR,波段探测的空间分辨率。,、,空间分辨率与卫星观测高度的关系,卫星高度越高，在同样的瞬时视场下，观测,面积大，空间分辨率下降。,、,空间分辨率与卫星观测视角的关系,卫星观测视角倾斜，观测面积增大，分辨率降低。,2,、温度分辨率或灰度分辨率,在卫星云图上，如果两个相临瞬时视场的反照率或温度相同，就无法区分它们。但是当这两个相临瞬时视场的反照率或温度有差异，并达到一定的数值时，这两个视场就能被分辨，这个能分辨两个相临目标物的最小反照率差值或温度差称之为,灰度分辨率或温度分辨率。,对于红外波段，通常用等效噪声温度差（,NE,T,）表示。如果,两个相临瞬时视场的温度差越大，则越容易区分它们，如卷云、积雨云与地面。,红外云图的分辨率还与目标物的温度有关，如目标物的温度为,300k,时，,NE,T,0.3k,，,而当,目标物的温度为,185k,时,NE,T,1.4k,3,、时间分辨率,指卫星对同一地区观测的时间间隔。其与卫星的扫描速率、扫描区域和选用的卫星轨道有关。,4,、空间、灰度,/,温度、时间分辨率之间的关系,空间分辨率、灰度,/,温度分辨率、时间分辨率三者是相互制约的。,低的空间分辨率，即较大的瞬时视场可以换取较好的灰度,/,温度分辨率、时间分辨率。,当仪器的瞬时视场和灵敏度一定时，温度分辨率与仪器的扫描速度有关，仪器的扫描速度慢时，对目标物停留的时间长，就能接收到更多的辐射能，从而具有较高的温度分辨率，反之若要提高卫星的观测速度，必然会牺牲温度分辨率。,一,.,红外云图增强处理,目的：特征信息的提取，模糊的图像变清晰，突出某些感兴趣的目标；,手段：光学、电子模拟、数字处理；,内容：复原、几何校正、增强、统计分析、分类识别。,增强显示,1978.9.12.09,：,00,暴雨云团红外云图（,MB,曲线）,增强显示红外云图（,MB,）曲线,第六节 卫星,云图处理,针对,8,类表面特征的,ch,4,亮温,云分类处理,积雨云 浓积云 淡积云 卷云 中 云 低 云 陆 地 水 体 未知类,云分类处理,积雨云 卷云 中云 低云 陆地 水体,图,a 2002,年,6,月,19,日,18,时（,UTC,）的云分类图,图,b,同时次,GMS-5,红外通道,1,云图。,二,.,全球候洋面温度,美国,NESDIS/NOAA,计算的全球候海面温度产品,三,.,不同下垫面的可见光反射率点聚图,不同陆表类型在可见光波段的反射率与积雪指数的点聚图,四,.,多光谱分析阈值法计算积雪分布,（,AVHRR3,）,1996,2001,年,12,月下旬,中国区域旬积雪分布图,(A)(B),(C)(D),(E)(F),五,.,云导风,1998,年,7,月西北太平洋对流层上部月平均云导风图,云导风误差情况,经过风速订正后的风速偏差分布示意图,