第3章 气象卫星遥感大气的基本原理2

对流层中上部水汽含量 红外云分布图，云参数，海面温度，降水 大气温度垂直分布
AVHRR channelization
Characteristics Channel 1 Channel 2 Channel 3 Channel 4 Channel 5
Spectral Range(m) 0.58-0.68 0.725-1.1 3.55-3.93 10.3-11.3 11.5-12.5 Detector Silicon Resolution(km) 1.1 IFOV(mr) 1.3 NETD @ 300 K S/N @ 0.5% albedo >3:1 Silicon 1.1 1.3 >3:1 InSb 1.1 1.3 0.12 HgCdTe HgCdTe 1.1 1.1 1.3 1.3 0.12 0.12 -
1.4，1.9，2.7，6.3， 0.9，1.1, 3.2 13.0 4.7，9.6，14.1 4.5，7.8 3.3，3.8，7.7 4.7 2.3 3.3，3.6，5.7 3.9，4.1，9.6，17.0
三. 大气窗和大气吸收带
辐射在大气中传输时被 大气中的某种气体所吸 收。 吸收随波长变化很大， 吸收很强的一些波段称 为吸收带，吸收很弱或 没有吸收的一些波段称 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）。
反 射 100 、 80 透 60 射 40 、 吸 20 收 00 10 %
R1+ T3 =5L/8
R1=L/2
T3=L/8
T1=L/2
R2=L/4 T2=L/4
R3=L/8
图3-7 多层云对太阳辐射的反射
云
600
500 400 300 200 100
反射
厚 （米）
透过
吸收
1000 10000
0
100
• 到达地球并被其吸收的太阳辐射为
(1-rS) R2s0
― rS =0.28为地球行星反照率，R地球半径， s0太阳常数。
― 地球-大气系统热平衡状态下吸收这些辐射后全部转化为 热辐射向外空发射，地表平均出射度为
(1 rs )R 2 s 0 (1 rs ) s 0 M 2 4 4R
• • •
地面及其覆盖物对太阳辐射的反射
1. 地面土壤粒子结构、土 壤水分对反照率的影响 2、植被、冰雪、水体的反 照率 3、反照率随波长的变化
叶 子 反 射 率 、 水 吸 收 率 %
反 射 率 %
0—4% 5—12%
22—32% 0.5 1 1.5 波长m 2
图1 砂土三种不同含水量时 的反射率谱
20
14367
0.70
Window
30 hPa Temperature sounding. The 15- band channels provide m 60 hPa better sensitivity to the temperature of relatively cold 100 hPa regions of the atmosphere than can be achieved with the 400 hPa 4.3- band channels. Radiances in Channels 5,6, and 7 m 600 hPa also are used to calculate the heights and amounts of cloud 800 hpa within the HIRS field of view. 900 hPa Surface Surface temperature and cloud detection 25 hPa Total ozone concentration 900 hPa Water vapor sounding. Provides water vapor corrections for 700 hPa CO2 and window channels. The 6.7- channel is also used m 600 hPa to detect thin cirrus cloud. 1000 hPa Temperature sounding. The 4.3- band channels provide m 950 hPa better sensitivity to the temperature of relatively warm 700 hPa regions of the atmosphere than can be achieved with the 15 m 400 hPa band channels. Also, the short wavelength radiances are 5 hPa less sensitive to clouds than those for the 15 region. m Surface Surface temperature. Much less sensitive to clouds and H2O than Surface the 11- window. Used with 11- channel to detect m m cloud contamination and derive surface temperature under partly cloudy sky conditions. Simultaneous 3.7- and 4.0- data m enable reflected solar contribution to be eliminated from observations. Cloud Cloud detection. Used during the day with 4.0- and 11- m window channels to define clear fields of view.
° ° ° ° ° °••° ° • •°• ° • ° °
10 20 30
°高层云 • 层云
40 50 60 70 80 90
云厚（米）
透过率（％）
（ａ）
（ｂ）
图３－８
云层反照率、吸收率和透过率的关系
二. 地球-大气系统辐射光谱 和大气吸收带
地球-大气系统平均温度~255K。
地球-大气系统平均温度255K?
图3-3 卫星测量常用的VIS和IR波段
波段(m)
光谱名称
太阳辐射 地球-大气辐 射
用
途
0.2—4 5—30
反射太阳辐射99%，太阳辐射总量。ERBE 长波辐射85%，地球—大气发射到宇宙的长波辐射。ERBE
0.475—0.575
0.58—0.68 0.6—0.7 0.7—0.8 0.725—1.10 3.4—4.2 5.7—7.1 10.5—12.5 13—15
作物在生长和衰老期间光谱变化
小麦叶子在不同生长期的反射率
不同叶绿素浓度的海水反照率
天然清水和混水的反照率
不同土壤湿度下含沙壤土的反射率
清水的吸收系数
云层的反射特征
假设单层云层，反照率和透过 率都是50%。考虑二次反射后 从第一层反射的能量占原来入 射能量的62.5%。因而推测： 多层云的反照率较高。
Te (
E日

1/ ）4 （
Q 4 R 2 日

1/ ）4 5754 K
▲ 太阳吸收光谱（如图）：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。 • O3吸收：主要位于紫 外光0.2 -0.3m、0.320.36m、可见光0.6和 4.75m。 O2吸收：紫外、可见 光。 H2O吸收：0.7m、 0.7—0.8m CO2吸收：3.5 m
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第二节 太阳和地球-大气系统辐射
一. 太阳辐射
•
•
太阳： 6000K，直径(2R日)=139.14万公里，是地球的104倍；日 地平均距离d0=1.495 ×108公里。
• 斯蒂芬-波尔兹曼定律（M=T4）
(1 rs ) s0 1/4 (1 0.28) 1353 1/4 T (M / ) [ ] [ ] 256 K 8 4 4 5.67 10
1/4
∴通常把地球-大气系统近似看作平均温度~ 255K的黑体
255K黑体辐射谱
地球-大气系统(~255K)发出的辐射主要特征： 1. 95%集中在4—120 m（红外）波段，
•
能量平衡：太阳辐射到达大气顶后，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
▲
太阳光谱：
太阳辐射能主要集中在0.3-3.0微米，
2898 2898 6165.96K 辐射最大值位于0.47微米,色温度 TC max 0.47
1/4能量在波长0.47微米的谱段内， 46%的能量在0.40—0.76微米的可见光波段。 假设太阳是理想的黑体，则可由斯蒂芬-波尔兹曼定律 计算出太阳的有效温度Te:
蓝、绿
黄、红 橙 红 近红外窗
短波红外窗 水汽吸收带 大气红外窗 CO2吸收带
地表、地下水特征，干燥、岩石、土壤
白天云分布图，植物生长、水污染、地形等
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 对水体、湿地反映清楚，土壤湿度，植物病虫、生长 白天云分布图，水陆边界，水体分布，土壤湿度，植物生长 温度变化（火灾监测），海温测量，云分布（白天除太阳干扰）
2. 最大辐射波长约在10 m附近。
大气对地球-大气辐射的吸收
辐射在大气中传输时，受大气吸收和散射的影响。对于地球大气辐射（主要辐射为>3 m）而言，散射很小，可忽略。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。