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1、第七章 辐射传输对大气遥感的应用简介,第一部分 大气遥感基本常识第二部分 大气遥感应用专题,第一部分 大气遥感基本常识,1. 温室效应 Greenhouse effect，俗称大气保温效应。大气能使太阳短波辐射到达地面，但地表向外放出的长波热辐射线却被大气吸收，即大气通过对辐射的选择吸收而防止地表热能耗散的效应。使地表与低层大气温度增高。 大气的这种增强向下辐射的作用与温室玻璃屋顶和回壁的作用有相似之处，故名温室效应。,产生由来：,主要是由于现代化工业社会过多燃烧煤炭、石油和天然气，大量排放尾气，这些燃料燃烧后放出大量的二氧化碳气体进入大气造成的。人类活动和大自然还排放其他温室气体，如：氯氟烃
2、（CFC、甲烷、低空臭氧、和氮氧化物气体。地球上可以吸收大量二氧化碳的是海洋中的浮游生物和陆地上的森林，尤其是热带雨林。,温室效应简略图,温室效应影响,2. 沙尘暴,沙尘暴 (sand duststorm) 是沙暴 (sandstorm) 和尘暴 (duststorm) 两者兼有的总称，是指强风把地面大量沙尘物质吹起并卷入空中，使空气特别混浊，水平能见度小于 一百米的严重风沙天气现象。 其中沙暴系指大风把大量沙粒吹入近地层所形成的挟沙风暴；尘暴则是大风把大量尘埃及其它细粒物质卷入高空所形成的风暴。,北京沙尘暴,美国一次黑风暴,沙尘天气分为浮尘、扬沙、沙尘暴和强沙尘暴四类。 浮尘：尘土、细沙均匀
3、地浮游在空中，使水平能见度小于10公里的天气现象； 扬沙：风将地面尘沙吹起，使空气相当混浊，水平能见度在1公里至10公里以内的天气现象； 沙尘暴：强风将地面大量尘沙吹起，使空气很混浊，水平能见度小于1公里的天气现象； 强沙尘暴：大风将地面尘沙吹起，使空气模糊不清，浑浊不堪，水平能见度小于500米的天气现象。,沙尘暴产生原因,有利于产生大风或强风的天气形势,有利的沙、尘源分布和有利的空气不稳定条件是沙尘暴或强沙尘暴形成的主要原因。强风是沙尘暴产生的动力，沙、尘源是沙尘暴物质基础，不稳定的热力条件是利于风力加大、强对流发展，从而夹带更多的沙尘，并卷扬得更高。,3. 中层大气,中层大气一般指高度介于
4、10100km的大气层，包括大气分层中的对流层上部和对流层顶、平流层顶、中间层及中间层顶、以及低热层，其主体部分为平流层和中间层。平流层与对流层之间的物质输送和混合(Troposphere to stratosphere exchange,STE) 是控制自然和人为排放的化学痕量物质对大气成分影响的一个重要过程。STE 可以影响温室气体在上对流层和下平流层中的垂直分布,进而影响气候。,对流层顶 tropopause,对流层与平流层之间的过渡层，其厚度为数百米到12公里，其高度随纬度和季节变化很大，一般来说，热带高于极地，夏季高于冬季，白天高于夜间。对流层顶的主要特征是气温的垂直递减率变小或成等
5、温、甚至成逆温型。低纬度对流层顶的气温平均约为-83，而高纬度却较高，约为-53。对流层顶对气流的上升运动有阻挡作用，往往使很厚的积雨云顶被迫平衍成砧状，使水汽凝结物和尘埃微粒等集聚于其下，因而对流层顶下面的能见度恶化。,平流层和中层大气主要研究进展,(1)平流层和中层大气探测设施与探测方法;(2)大气臭氧、平流层气溶胶的监测与分析;(3)行星波在中层大气环流与大气臭氧分布中的作用;(4)重力波在中层大气的传播特征与作用;(5)平流层一对流层交换的动力物理与化学问题。,4.城市热岛效应 Urban Heat Island Effect,城市中的气温明显高于外围郊区的现象。在近地面温度图上，郊区
6、气温变化很小，而城区则是一个高温区，就象突出海面的岛屿，由于这种岛屿代表高温的城市区域，所以就被形象地称为城市热岛。城市热岛效应使城市年平均气温比郊区高出1C，甚至更多。夏季，城市局部地区的气温有时甚至比郊区高出6C以上。此外，城市密集高大的建筑物阻碍气流通行，使城市风速减小。由于城市热岛效应，城市与郊区形成了一个昼夜相反的热力环流。,主要原因,存在许多人为的热源和污染源，如工厂生产、交通运输以及居民生活等烧各种燃料，向外排放的大量热量。受城市下垫面特性的影响。城市内有大量的人工构筑物，如混凝土、柏油路面，各种建筑墙面等，改变了下垫面的热力属性，这些人工构筑物吸热快而热容量小，在相同的太阳辐射
7、条件下，它们比自然下垫面（绿地、水面等）升温快，因而其表面温度明显高于自然下垫面。,5. 全球变化 global change,全球变化学是研究地球系统整体行为的一门科学。它把地球的各个层圈（如大气圈、水圈、岩石圈和生物圈）作为一个整体，研究地球系统过去、现在和未来的变化规律和控制这些变化的原因和机制，从而建立全球变化预测的科学基础，并为地球系统的管理提供科学依据。全球变化学的理论基础是地球系统科学（Earth system science），它是研究地球系统各组成部分之间的相互作用，以及发生在地球系统内的物理、化学和生物过程之间的相互作用的一门新兴学科。,全球变化学现阶段主要研究内容：,（1
8、）全球大气化学与生物圈的相互作用。主要研究全球大气化学过程是如何调制的？生物过程在产生和消耗微量气体中作用，预报自然和人类活动对大气化学成分变化的影响。（2）全球海洋通量研究。主要研究海洋生物地球化学过程对气候的影响，及其对气候变化的影响。（3）全球水文循环过程的生物学特征。主要研究植被与水循环物理过程的相互作用。 （4）全球变化对陆地生态系统的影响。主要研究气候、大气成分变化和土地利用类型变化对陆地生态系统的结构和功能的影响及其对气候的反馈。 （5）全球变化史的研究。重建2000年来，以及一个完整冰期一间冰期循环的全球环境变化，了解它们与地球内部或外部作用力的关系。,主要的研究手段和技术路线
9、：,（1）发展全球分析和模拟。借助于全球模式来定量分析地球系统内物理、化学和生物过程的相互作用，估计未来变化的可能影响。（2）建立全球资料和信息系统。建立全球变化研究需要的全球资料和信息的处理，贮存、交流系统，特别要发展全球变化的空间遥感观测能力和资料的处理能力。（3）建立区域研究中心。在全球的代表性生态系统区域，主要在发展中国家建立全球变化的区域研究中心。它们的功能是生态环境的长期监测、特殊问题的试验研究、科学技术人员的培训以及区域资料交换等。 因此，计算机科学技术、卫星遥感技术及其他各种先进科学仪器和设备，在全球变化的监测、试验和模拟等方面的应用能力，以及物理学理论和方法在全球变化研究中的
10、应用能力。起着非常重要的作用。,6.阳伞效应 umbrella effect,由气溶胶的辐射特性引起的地面冷却效应。类似于遮阳伞，故称为“阳伞效应”。悬浮在大气中的气溶胶颗粒一方面将部分太阳入射辐射反射回宇宙空间，削弱了到达地面的太阳辐射能，增加行星反照率，使地面接收的太阳能减少；另一方面某些吸湿性的粒子有作为凝结核，促使周围水汽在它上面凝结，导致低云、雾的增多，改变云的光学特征和寿命，使云的反照率增加，同样具有减少入射辐射，使地面和底层大气的温度降低的作用。“阳伞效应”在北半球表现的最为明显，其原因在于本地区较高的工业化程度和由此产生的空气污染。,阳伞效应和气溶胶气候效应,“阳伞效应”体现了
11、气溶胶气候效应的一个方面。整个大气是一个气溶胶系统。如：火山灰，海水浪花飞溅的盐分，农业生产和植被破坏等造成许多灰尘由地面进入大气环境 。,7.雾 fog,在水气充足、微风及大气层稳定的情况下，如果接近地面的空气冷却至某程度时，空气中的水气便会凝结成细微的水滴悬浮于空中，使地面水平的能见度下降，这种天气现象称为雾。雾的出现以春季二至四月间较多。 凡是大气中因悬浮的水汽凝结，能见度低于1千米时，气象学称这种天气现象为雾。,雾的形成与种类,雾形成的条件： 一是冷却，二是加湿，增加水汽含量。 雾的种类： 1、辐射雾 2、平流雾 3、混合雾 4、蒸发雾 5、烟雾,8.能见度 VIS Visibilit
12、y,是反映大气透明度的一个指标，航空界定义为具有正常视力的人在当时的天气条件下还能够看清楚目标轮廓的最大距离。能见度和当时的天气情况密切相关。当出现降雨、雾、霾、沙尘暴等天气过程时，大气透明度较低，因此能见度较差。测量大气能见度一般可用目测的方法，也可以使用大气透射仪、激光能见度自动测量仪等测量仪器测量。,9.大气观测选址中应考虑的因素,地面大气观测场是取得地面气象资料的主要场所，其选址应遵循：（1）应设在较好地反映本地较大范围的气象要素特点的地方，避免局部地形的影响。（2）观测场四周必须空旷，避免建在高大建筑物的旁边（3）同时应避开地方性雾，烟等大气污染严重的地方。（4）观测场四周障碍物的影
13、子应不会投射到日照或辐射观测仪器的受光面上，且场地附近无反射阳光强的物体。（5）应选在城市或工矿区最多风向的上风向。,成都信息工程学院观测场,第二部分 大气遥感应用专题,. 激光雷达,一. 基本原理,LiDAR(LightLaser Detection and Ranging)，是激光探测及测距系统的简称。 用激光器作为辐射源的雷达。激光雷达是激光技术与雷达技术相结合的产物 。由发射机 、天线 、接收机 、跟踪架及信息处理等部分组成。发射机是各种形式的激光器，如二氧化碳激光器、掺钕钇铝石榴石激光器、半导体激光器及波长可调谐的固体激光器等；天线是光学望远镜；接收机采用各种形式的光电探测器，如光电
14、倍增管、半导体光电二极管、雪崩光电二极管、红外和可见光多元探测器件等。激光雷达采用脉冲或连续波2种工作方式，探测方法分直接探测与外差探测。,示意图,二. 基本方程,激光雷达是一种工作在从红外到紫外光谱段的雷达系统，其作用是能精确测量目标位置（距离和角度）、运动状态（速度、振动和姿态）和形状，探测、识别、分辨和跟踪目标。 激光雷达基本方程为,其中， 为激光雷达回波功率，Pt 为发射功率；C为仪器因子，Ar为望远镜接收截面； 和 分别为体后向散射系数和体消光系数 ，并且该两者能唯一地联系起来；距离r是时间t的函数。,三. 大气遥感激光雷达,以激光为工具对大气物理化学等特性进行遥感测量的原理和方法。
15、根据其探测原理不同，可将激光雷达分为如下几类：,大气遥感激光雷达的分类及用途,激光雷达方程的求解,激光雷达接收到的是回波能量，一般借助于求解激光雷达方程来得到我们需要的参量。对Mie散射激光雷达而言,常用的求解方法有Collis斜率法、Fernald方法以及Klett方法。,. 气溶胶,一.基本性质,Aerosol 粒子半径0.001 -100气溶胶是液态或固态微粒在空气中的悬浮体系。作为水滴和冰晶的凝结核、太阳辐射的吸 收体和散射体，并参与各种化学循环，是大气的重要组成部分。 分类,埃根核,大粒子,巨粒子,气溶胶来源,气溶胶按其来源可分为一次气溶胶（以微粒形式直接从发生源进入大气）和二次气溶
16、胶（在大气中由一次污染物转化而生成）两种。它们可以来自被风扬起的细灰和微尘、海水溅沫蒸发而成的盐粒、火山爆发的散落物以及森林燃烧的烟尘等天然源也可以来自化石和非化石燃料的燃烧、交通运输以及各种工业排放的烟尘等人为源,二.气溶胶的辐射特性及其气候环境效应,气溶胶对气候和环境的辐射效应演研究基本上是20世纪90年代开始的,主要包含两部分内容: 一是不同地区气溶胶对周围环境的辐射效应研究,主要局限于局地范围和特定的气溶胶类型 二是气溶胶气候效应的模式研究,主要从局域和全球尺度对气溶胶的气候效应进行模拟研究,以阐明气溶胶对气候变化的影响。,气溶胶的辐射强迫作用包括直接辐射强迫和间接辐射强迫作用。气溶胶
17、对太阳辐射的吸收和散射会改变地球大气系统的行星反照率,从而影响到地气系统的能量平衡;大气气溶胶还起到云凝结核的作用;大量的气溶胶颗粒有可能使云滴的数密度增加,云滴的平均半径变小,这有可能使云对太阳辐射的反射率增加或使云的维持时间加长,甚至使降水减少。,人类活动造成的对流层气溶胶所产生的辐射强迫是气候变化的一个重要贡献者。硫酸盐气溶胶和含碳气溶胶，两类气溶胶在气候变化研究中具有特殊的重要性。如研究表明：以黑炭吸收为主产生的增温效应，称为气溶胶正强迫作用；而硫酸盐气溶胶则相反，其降温作用，称为气溶胶负强迫作用。,三.气溶胶的光学特性,包括：气溶胶的光学厚度 、粒子尺度谱分布、 折射率（实数 虚部）
18、、 消光系数垂直分布、 单次散射反照率、散射相函数 后两者可在前四个参数基础上推导而出。,例1 太阳光度计地基遥感,CE318太阳光度计反演气溶胶光学厚度和粒子尺度谱分布,例2 空间遥感气溶胶光学厚度,从星载探测器、探测目标(地球表面或大气)和信号源(太阳辐射、地球/大气辐射等)位置的几何关系来分，卫星探测有三种主要探测方式:下视对地观测、临边探测和掩星探测。其中，临边探测是实现大气成分探测的一种重要探测方式，它具有很高的垂直分辨率，并能有效避开复杂地表和对流层云和雨等强信号的干扰。,Overview of satellite observations geometries,Measured
19、signal:Reflected and scattered sunlight,Measured signal:Directly transmitted solar radiation,Measured signal:Scattered solar radiation,（1）临边探测 limb scan,Earth,x1,x2,x3,x4,x5,临边探测特点,垂直分辨率高卫星接收的辐射来至大气，不受下垫面影响由于大气中低层的透过率很小，该方法适用探测大气上层的微量气体和温度分布；以及平流层气溶胶消光系数廓线具有较大的水平覆盖,局限性,由于高空云的存在，限制了大气探测的可靠性临边探测，大气折射率
20、因子不容忽视，增加了反演的复杂性,（2）卫星仪器,空间探测向上天空亮度信息反演AOD（如MODIS等），但由于各类地物反照率复杂，虽可以提供大范围气溶胶参数，但精度不够。,例3 曙暮光法探测,方法 利用日出或日落的太阳光照信息反演。可用来遥感中高层大气结构（如O3、NO2）和平流层气溶胶消光系数和浓度等。它反映高层大气的散射特性,曙暮光法示意图,. 臭氧,一.臭氧基本特性,ozone layer,大气臭氧层主要有三个作用,保护作用，臭氧层能够吸收太阳光中的波长306.3m以 下的紫外线，主要是一部分UVB(290300m)和全部的UVC(波长290m），保护地球上的人类和动植物免遭短波紫外线的
21、伤害。加热作用，臭氧吸收太阳光中的紫外线并将其转换为热能加热大气，使大气温度结构在高度50km左右有一个峰，地球上空1550km存在着升温层。大气的温度结构对于大气循环具有重要的影响，这一现象的起因也来自臭氧的高度分布。为 温室气体的作用，在对流层上部和平流层底部，即在气温很低的这一高度，臭氧的作用同样非常重要。如果这一高度的臭氧减少，则会产生使地面气温下降的动力。因此，臭氧的高度分布及变化是极其重要的。,臭氧洞是指一地区高层大气中臭氧含量比周边其他地区的大为减少的现象。平流层爆发性增温 SSW Stratospheric Sudden Warming,例1 臭氧总量及浓度的探测,方法一 地基
22、Dobson分光光度计探测臭氧总量 英 1931 科学家陶普生研制 采用接收太阳直射光或散射的天顶光来测量大气中的臭氧含量。,Dobsons spectrophotometer I,Quartz platesAdjustable wedgeFixed slitsPrismsDetector: photomultiplierOrg. photographic plate,Dobsons spectrophotometer II,Longest existing ozone time series,Used wavelength pairs,方法二 卫星遥感臭氧,紫外后向散射光谱仪临边探测技术,B
23、ackscatter UV Ozone measurements I,Solar UV radiation reflected from the surface and backscattered by atmosphere or clouds is absorbed by ozone in the Hartley-Huggins bands ( 350 nm) Note: most ozone lies in the stratosphere most of the backscattered UV radiation comes from the troposphere little ab
24、sorption by ozone occurs in the troposphere little scattering occurs in the stratosphere radiation reaching the satellite passes through the ozone layer twice,Backscatter UV measurements allow retrieval of total O3 columns and also vertical profiles, but with poor vertical resolution (7 10 km) Measu
25、re O3 slant column and use Radiative transfer model to convert to vertical column,Examples:BUV (Backscatter Ultraviolet) instrument on Nimbus 4, 1970-1977SBUV (Solar Backscatter Ultraviolet) instrument on Nimbus 7, operated from 1978 to 1990SBUV/2 (Solar Backscatter Ultraviolet 2) instrument on the
26、NOAA polar orbiter satellites: NOAA-11 (1989 -1994), NOAA-14 (in orbit)can measure ozone profiles as well as columnsTOMS (Total Ozone Mapping Spectrometer) first on Nimbus 7, operated from 1978 to 1993. Then three subsequent versions: Meteor 3 (1991-1994), ADEOS (1997), Earth Probe (1996-). Measures
27、 total ozone columns.GOME (Global Ozone Monitoring Experiment) launched on ESAs ERS-2 satellite in 1995 employs a nadir-viewing BUV technique that measures radiances from 240 to 793 nm. Measures O3 columns and profiles, as well as columns of NO2, H2O, SO2, BrO, OClO.,Backscatter UV Ozone measurement
28、s II,方法三 差分吸收激光雷达,Differential absorption lidar DIAL 利用气体在两个波长的吸收性质，并要求一个可调谐激光器来产生所研究波长的吸收线峰值和低吸收谱区的第二波长。,. GPS大气遥感,一. 美国GPS卫星导航系统,数量：由24颗卫星组成； 轨道：高度约20200公里，分布在6条交点互隔60度的轨道面上； 精度：约为10米； 用途：军民两用；,GPS卫星导航系统示意图,GPS导航系统的基本原理是测量出已知位置的卫星到用户接收机之间的距离，然后综合多颗卫星的数据就可知道接收机的具体位置.GPS定位系统包括三大部分：空间部分GPS卫星星座；地面控制部分
29、地面监控系统；用户设备部分GPS信号接收机。,二. GPS遥感大气可降水量,20 世纪90 年代以来, GPS 定位技术在大地测量学、地球物理学、地球动力学、大气探测、空间环境监测和自然灾害的预报、防治等领域得到了广泛的应用。近几年来,运用GPS 技术对地球大气层进行遥感和探测,从而估算大气水汽总量技术的迅速发展,形成了一门极具潜力、实用价值很大的新型大气探测技术GPS 气象学( GPS Meteorology , 简写为GPS/ Met) 。GPS/Met 属于前沿性、多学科交叉的研究领域,其研究已成为GPS 应用的热点方向之一。,探测原理,GPS 卫星发射的微波信号在穿过大气层时要受到大气
30、的折射而延迟, 因而可用GPS 技术以遥感的方式对这种延迟进行监测以反演大气折射率,进一步探测大气参数, 如：大气综合水汽含量( IWV.Integrated Water Vapor) 或对流层大气水汽总量(PW.Precipitable Water也称为PWV.Potential Water Vapor ,即可降水量) 。,GPS分类,依据遥感探测GPS 接收机所处的位置,定义不同的技术方法。GPS 遥感大气水汽含量的技术一般分为两类一 把GPS 接收机放置在静止的地球表面上接收GPS 卫星讯号, 以连续地对地球大气参数(主要是综合水汽或可降水量)进行测量,称为地基GPS 气象遥感技术;二
31、将GPS 接收机放置在低轨人造卫星上接受GPS 卫星讯号, 采用掩星法对气象参数进行测量,称为空基GPS 气象遥感技术。,例1. 地基GPS探测PWV,GPS 无线电信号在穿越电离层和大气层时,其速度会变慢,造成地面接收机对接收GPS 信号的时间延迟。由于电离层对无线电信号的延迟与频率无关,所以可以使用双频GPS 接收机确定电离层引起的信号时延。这种时延仅与大气的构成成份有关,即与干空气和水汽含量有关。在地基GPS 遥感水汽测量系统中,利用GPS 接收机同时测定来自多个卫星的信号时延,再将这些时延通过卫星仰角的某种函数折算为过天顶方向的延迟大气的构成可由平均垂直比例信号延迟表示,称为天顶总延迟
32、ZZTD。,天顶总延迟 ZZTD = ZZHD + ZZWD天顶流体静力学延迟 ZZHD Zenith Hydrostatic Delay天顶湿延迟 ZZWD Zenith Wet Delay,天顶流体静力学延迟ZZHD ,可由测量地面气压和使用函数映射的方法计算得到。根据对全球高空气象探测资料的分析,一般采Saastamoinen 模型。即：,so ZZWD= ZZTD-ZZHD 采取以下关系式将ZZWD转化为大气水汽总量IPW， IPW为气柱内所有水汽折算为液态水时的水柱高。,压和绝对温度, 积分沿着整个大气垂直路径。,. 陆面温度反演,例1 分裂窗算法,基于分裂窗算法的陆面温度反演,.
33、大气温湿度廓线反演,例1 Raman scattering Lidar探测水汽混合比,原理： Raman激光雷达根据同时接收到的水汽和氮气分子对激光的Raman后向散射回波信号获得水汽混合比的垂直分布。, 云 卷云,一.云的气候效应,冷却）,二. 卷云基本特性,大气中的卷云是由于天气系统的抬升或湿空气的深度对流而形成的，它既反射太阳的短波辐射，又吸收地面的长波辐射，对地-气系统的辐射收支有着重要的影响。卷云的主要成分是不同形状和尺度的非球形冰晶粒子.人们利用激光雷达、微波雷达、卫星遥感等技术对卷云进行探测和研究,并开展了一系列探测卷云的大型综合实验.,例1 偏振-米散射激光雷达(PML)探测卷云,卷云透过率和光学厚度,来至文偏振-米散射激光雷达对卷云的探测迟如利,
