1、授課人：授課人： 王天河王天河20152015春季春季第第七七章章 大氣輻大氣輻射在遙感中的應用射在遙感中的應用 7.1 引言引言 7.2 利用透射的太陽光進行遙感利用透射的太陽光進行遙感 7.2.1 氣溶膠光學厚度和尺度譜的確定氣溶膠光學厚度和尺度譜的確定 7.2.2 確定臭氧總量確定臭氧總量 7.2.3 臨邊消光技術臨邊消光技術 7.3 應用反射的太陽光進行遙感應用反射的太陽光進行遙感 7.3.1 衛星衛星-太陽幾何光學和理論基礎太陽幾何光學和理論基礎 7.3.2 臭氧的衛星遙感臭氧的衛星遙感 7.3.3 氣溶膠的衛星遙感氣溶膠的衛星遙感 7.3.4 陸地表面的衛星遙感陸地表面的衛星遙感

2、7.3.5 云的光學厚度和粒子尺度云的光學厚度和粒子尺度* 本章節主要參考K.N. LIOU大氣輻射導論(第二版)P359-P453 7.4 利用發射的紅外輻射進行遙感利用發射的紅外輻射進行遙感 7.4.1 地球表面溫度的確定地球表面溫度的確定 7.4.2 溫度廓線的遙感溫度廓線的遙感 7.4.3 水汽和痕量氣體廓線的遙感水汽和痕量氣體廓線的遙感 7.4.4 云的紅外云的紅外遙感遙感 7.4.5 紅外冷卻率和地表通量的遙感紅外冷卻率和地表通量的遙感 7.5 利用發射的微波輻射進行遙感利用發射的微波輻射進行遙感 7.5.1 微波波譜和微波輻射傳輸微波波譜和微波輻射傳輸 7.5.2 由微波發射輻射

3、確定降雨率和水汽由微波發射輻射確定降雨率和水汽 7.5.3 微波探測器的溫度反演微波探測器的溫度反演 7.6 利用激光和微波能量進行遙感利用激光和微波能量進行遙感 7.6.1 后向散射方程后向散射方程 7.6.2 激光雷達的差分吸收方法激光雷達的差分吸收方法 7.6.3 激光雷達的差分退偏方法激光雷達的差分退偏方法 7.6.4 用于研究云的毫米波雷達用于研究云的毫米波雷達 7.5 利用發射的微波輻射進利用發射的微波輻射進行遙行遙感感 7.5.1 微波波譜和微波輻射傳輸微波波譜和微波輻射傳輸在微波輻射區，只有水分子和氧分子表現出明顯的吸收線。標準大氣的垂直大氣透射比在微波區隨頻率和波長的變化示意

4、圖鑒于大氣中水滴(約10m)和冰晶(約100m)的大小，對微波(約1cm)散射的影響通常很小。因此，作為一個很好的近似，在討論微波的輻射傳輸時，可以忽略散射的貢獻。在局地熱力學平衡條件下，對于無散射大氣的輻射傳輸方程的解為：由于微波輻射區的反射率通常小于1，所以地表面有顯著的反射貢獻，從地表發射的輻亮度為：（7.5.1）（7.5.2）地表發射輻射的貢獻整層大氣向地表發射輻射的貢獻，而地表同時以相同的頻率反射回大氣一部分輻射。帶入方程(7.5.2)定義的下邊界條件，向上的輻亮度可表示為：頻率域的普朗克函數在微波區可近似為：與此類似，定義一個相當亮溫：微波輻射傳輸的解可表示為：（7.5.3）（7.

5、5.4）（7.5.5）（7.5.6）方程(7.5.6)中各項表示的晴空大氣頂亮溫的貢獻（包括地表發射輻射和反射輻射，以及大氣發射輻射的貢獻）用于衛星遙感透射比通常相對于大氣頂來表示，方程中(7.5.6)中的透射比可表示為把方程(7.5.8)代入到方程(7.5.6)中，整理各項，同時令（7.5.7）（7.5.8）微波輻射傳輸的解可表示為：其中大氣的源項為：注意事項：(1) 微波區地表發射率從0.4到1.0變化。陸地上取決于土壤濕度，干土壤0.95-0.97，濕裸土0.80-0.90；海洋上一般在0.4-0.6，隨鹽度、海冰、海表粗糙度、海洋泡沫等變化。此外還依賴于頻率，頻率越高，發射率值越大。(

6、2) 海洋發射輻射是偏振的，可計算垂直和平行的發射率分量。（7.5.9）（7.5.10）平靜和粗糙海洋表面對一組微波頻率的發射率微波輻射傳輸的重要應用之一：確定大氣的液態水和水汽含量，因為微波能穿透厚云和降水，而在紅外譜區是不透明的。云和降水在微波譜區的輻射性質特點：(1)冰晶基本不吸收微波輻射，而只散射它；(2)水滴和雨滴既吸收又散射，但以吸收為主；(3)冰和水的散射和吸收都隨頻率而增加。根據冰和水的散射吸收性質，微波波譜可劃分為3個區：頻率低于約22GHz吸收比散射更重要；60GHz附近散射比吸收更重要；2060GHz之間散射和吸收都很重要。 7.5.2 由微波發射輻射確定降雨率和水由微波

7、發射輻射確定降雨率和水汽汽冰粒子和水粒子的散射和吸收取決于它們的尺度相對于微波頻率的大小。當頻率在2231GHz范圍時，冰晶的散射作用可忽略不計，即冰晶云對此微波頻率是透明的，使得它們對探測降雨率非常理想。為了求得液態水含量和水汽含量，需研究出一個參數化方程組，使得液態水和水汽含量能夠顯式確定。參考微波輻射傳輸方程的解(7.5.6)，對兩個積分項進行分部積分：（7.5.11a）定義2個變量：方程(7.5.11a)可改寫為：（7.5.11b）（7.5.11c）（7.5.12）檢查微波光譜，發現頻率低于40GHz時：方程(7.5.12)近似為：頻率低于40GHz的透射比主要是由水汽和液態水吸收造成

8、的，即：對于頻率低于40GHz對的晴空，液態水透射比近似為：類似的方法應用于22GHz，則水汽投射比近似為：（7.5.13a）（7.5.13b）（7.5.13c）（7.5.13d）把方程(7.5.13c)和(7.5.13d)代入方程(7.5.13a)，略去含有Q和W的二階項，則得到：假定地表溫度和發射率已知，則可利用40GHz和22GHz左右的亮溫實測值確定Q和W，其中wi和qi是與所選定的頻率、地表溫度、發射率及經驗參數Q0和W0有關的系數，通常是在已知大氣廓線時根據一組已知的亮溫及液態水含量和水汽含量，用統計方法確定。（7.5.14）（7.5.15）降雨率與雨滴的尺度分部有關。雨滴尺度譜可

9、在地表測量，Marshall & Palmer (1948)根據測量結果提出了一種適當的指數形式：據研究斜率因子只依賴于降雨率R:根據Marshall & Palmer尺度分布，可證明就純粹的吸收和發射而言，可根據(7.5.15)，將亮溫與LWP(或Q)直接聯系起來，因此如果云粒子尺度相當或大于發射輻射波長時，云粒子散射貢獻非常重要，需結合降雨率反演推導包括散射的輻射傳輸解。n D( )=n0exp -LD()L = 41R-0.21LW P=kR-0.84亮溫在三個頻率上隨海洋和陸地上空降雨率的變化：（1）陸地上，TB隨降雨率的增加而下降，頻率越高，影響越大；（2）海洋上，由于海表發射率較低

10、，因此TB最初是隨降雨率增加而增大。微波探測器的優點：波長較長，受云和降水的影響要小得多。根據微波輻射傳輸解由于地表反射率得影響，權函數可定義為： 7.5.3 微波探測器的溫度反演微波探測器的溫度反演(a)SSM/T的7個通道和(b)AMSU的12個通道在陸地上空天底位置的權函數 7.6 利用激光和微波能量進利用激光和微波能量進行遙行遙感感單個粒子或分子的散射強度可表示為：為了討論方便，略去下標，單個粒子的后向散射通量密度為：定義一個后向散射截面：令發射功率為Pt , 截面積為At，則入射通量可表示為 7.6.1 后向散射方程：理論基礎后向散射方程：理論基礎III,s=III,issr2P2,

11、1Q( )4pFsp( )=Fissr2P p( )4pFisp=Fsp( )4pr2sp=ssP p( )Fi=PtAt（7.6.1）（7.6.2）（7.6.3）（7.6.5）脈沖激光雷達系統的后向散射示意圖脈沖長度接收器孔徑面積為Ar，則接收到的后向散射功率為：在有效散射體積內，平均后向散射功率為：接收點的后向散射能量為：其中即激光雷達(或雷達)方程。你能說出每個參數的意義嗎？Pr0=Fsp( )Ar=PtArr2P p( )4pssAt（7.6.6a）Pr0=PtArr2P p( )4pssAt=PtArr2P p( )4pbsDh2（7.6.6b）Prr( )=PtArr2P p( )

12、4pbsDh2exp -2ber( )dr0r=PtCArbpr( )Dh8pr2exp -2ber( )dr0r（7.6.7）bp=P p( )bs雷達方程的未知數：后向散射系數和消光系數除非這兩個未知數能夠唯一聯系起來，否則不可能研究絕對意義上的回波功率信息。對瑞利散射而言：兩參數之間有恒定的關系。對米散射而言：相函數取決于尺度參數，后向散射相函數也是尺度參數的函數，且變動很大。對于多分散球形粒子，后向散射相函數的起伏變化通常被平均了，通常可確定一些有用的近似值。bp,bePrr( )=PtCArbpr( )Dh8pr2exp -2ber( )dr0rPRp( )=3 1+cos2p()4

13、 =1.5bpR=P p( )bs=1.5bs為求取體消光系數廓線而進行的激光雷達后向散射資料的反演，在激光雷達領域是一個需要繼續研究的課題。信號變量定義：微分形式：建立了消光系數和后向散射系數的關系，就可以研究一種方法由信號推求消光系數廓線，而消光系數廓線也可以與氣溶膠和云粒子的尺度和濃度建立聯系。S r( )= lnr2Prr( )dS r( )dr=1bpdbpdr-2ber( )（7.6.8） 7.6.2 激光雷達的差分吸收方法激光雷達的差分吸收方法差分吸收激光雷達利用氣體在兩個波長的吸收性質，并要求一個可調諧激光器產生所研究波長的吸收線峰值及低吸收譜區的第二波長。在晴空大氣條件下，給

14、定波長的消光系數由氣溶膠的消光和有關氣體的吸收構成：選擇氣溶膠光學性質大致相同的兩個波長，對雷達方程進行對數運算，得到如下歸一化的后向散射功率：bel( )=be,Al( )+rak l( )lnPrr( )Pti= lnCArbpr( )Dh8pr2i-2beli()dr0ri=1,2（7.6.9）（7.6.10）由于兩波長很靠近，氣溶膠散射和消光性質大致相同，兩波長做減法運算：其中：一旦吸收系數已知，則由兩個波長進行的后向散射測量就可以給出氣體密度的廓線?，F在的技術已經能夠生產出準確調諧到各種氣體吸收線上的激光，這促進了大氣中差分吸收激光雷達系統的開發。（7.6.11）lnP1,2 -2r

15、ar( )k l1()-k l2()dr0rP1,2=Prr( )Pt1Prr( )Pt2 7.6.3 激光雷達的退偏方法激光雷達的退偏方法參考有偏振信息的雷達方程，可將發射功率Pt產生為垂直偏振或水平偏振的兩個分量，還可以設計一種探測器能同時測量偏振的兩個分量。這種方法又給粒子增加了特征信息，稱為退偏技術。后向散射退偏比定義為：對水滴而言，退偏比接近于零。對冰晶而言，退偏比隨其形狀和大小變化于50%70%之間。該技術還可用于探測冰晶的取向。如：垂直指向的激光雷達探測水平取向板狀冰晶，退偏比為零，當偏離幾度掃描，退偏比顯著增加。（7.6.12）d=Pr,|Pt, 7.6.4 用于研究云的毫米波雷達用于研究云的毫米波雷達常規氣象雷達通常選擇哪種波長？你知道理由嗎？雷達波長的選擇僅限于大氣氣體吸收很弱的那些譜區。8.6mm Ka帶3.2mm W帶2.1