第3章 气象卫星遥感大气的基本原理3
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第1-4章 气象卫星遥感原理
春 15：00
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 夏
作用下的进动去抵消卫星轨道 15：00
球地 轨 道
太阳
卫星轨道
冬
15：00
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。
秋 15：00
图2-10 太阳同步轨道
3、太阳同步轨道的优缺点
一.近极地轨道气象卫星的发展
1、美国的地球静止轨道气象卫星 发射近极地轨道气象卫星的国家有：美国、苏联、中
国和日本。 世界上第一颗气象卫星，美国泰罗斯-1（TIROS），
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。
第二节 气象卫星遥感观测的特点
在空间固定轨道上运行 全球和大范围的观测 使用新的探测技术 受益面广
1、什么是地球同步卫星轨道
N
H=35860Km
S 图2-11 地球同步卫星轨道
2、地球同步卫星轨道的实现
①卫星运行方向与地球自转方向相同； ② 轨道倾角i=0，地球赤道平面与卫星轨道平面重合；
卫星监测大气原理
卫星监测大气原理卫星监测大气原理是利用卫星从太空中获取有关大气层的各种信息的一种技术方法。
卫星会通过测量大气层中的各种物理参数，如温度、湿度、气压、风速、云量等来监测大气的变化和演变过程，从而对大气的气候与气象状况进行分析和预测。
卫星监测大气的原理首先是利用卫星携带的遥感仪器来观测大气的光学、热学、电学等性质，并将其转换成电磁波信号。
然后，这些信号会通过卫星上的接收机传回地面的接收站，接收站将信号转化为可读取和分析的数据。
在卫星监测大气的过程中，主要采用的遥感技术包括：红外线遥感、微波遥感和紫外线遥感。
红外线遥感主要通过测量大气层放射和散射的红外线辐射来监测大气温度、湿度和云量等；微波遥感主要是通过测量大气层散射和吸收微波辐射来获取大气中的水汽含量和云量等信息；紫外线遥感则是通过测量大气层阻挡和散射的紫外线辐射来获取臭氧等特定气体的浓度。
卫星监测大气的原理是基于大气层各种物理参数与辐射的相互作用关系来实现的。
大气层中的不同气体对不同波长的辐射具有不同的吸收和散射特性，而这些特性又与气体的浓度和温度等因素相关联。
通过测量大气层中不同波长辐射的强度和特征，可以间接推断出大气层中的各种物理参数和气候状况。
卫星监测大气的数据主要通过卫星观测仪器的遥感能力来获取，这些仪器通常具有高分辨率、多频道、宽波段等特点，能够对大气层进行全天候、全时段的观测。
通过卫星获取的遥感数据可以进行数字处理、图像重建和数据分析等，从而揭示大气的结构、演变和变化趋势等。
卫星监测大气的原理在现代气象学和气候学中起着重要的作用。
通过卫星遥感技术，不仅可以获得大范围、高时空分辨率的大气观测数据，还能提供多种气象要素之间的相互关系和变化趋势分析。
这些数据对气象预报、气候变化研究、环境监测和灾害预警等方面都具有重要的应用价值。
卫星监测大气的原理是通过利用卫星上的遥感仪器观测大气辐射的吸收、散射和发射等特性，以推断大气层中的各种物理参数和气候状况。
第3章 气象卫星遥感大气的基本原理2
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
Purpose of the radiance observation
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19
668 679 691 704 716 732 748 898 1028 1217 1364 1484 2190 2213 2240 2276 2361 2512 2671
• 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
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。
• • •
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
第3章 气象卫星遥感大气的基本原理3
在红外波段，忽略分子散射辐射。 （1）小气柱吸收的辐射
dz (、T、p) dA=1 L(z) 图3-9 小气柱介质辐射
dL1 ( z ) k ( z ) L ( z ) ( z )dz ( z ) L ( z )dz a ( z ) L ( z )
dI1因介质吸收引起辐射的改变量，k(z)分谱质量吸收系数， (z)吸收介质的密度。常称 (z)=k(z)(z) 为体积吸收系数。 a(z)= (z)dz 为单位厚度薄层的吸收系数。
L () [ s B (0) (0) B ( z ) ( z ) ( z )dz]
c 0
zh
(1 ) B ( z h ) ( zh ) B ( z ) ( z ) ( z )dz
c zh
在晴空无云时
L () s B (0) (0) B ( z) ( z) ( z )dz
z1
zh
hc , B ( zh ) ( zh ) B ( z ) ( z ) ( z )dz
zh
zh
L（zh）
z1
L（z1） 图3-12有云时的辐射传输
其中 cloud , 1 cloud
0
如果只有一层薄云，云高Zh, 方程可简化为
②高云云层向上发出的辐射
③高云以上大气发出的辐射，则
L () { [ s B (0) (0) B ( z ) ( z ) ( z )dz]
hc 1c 0 z1
L ()
z 32 1
lc, B ( z1 ) ( z1 ) B ( z ) ( z ) ( z )dz}
图3-10 平行大气中辐射传输
dz (、T、p) dA=1 L(z) 图3-9 小气柱介质辐射
dL1 ( z ) k ( z ) L ( z ) ( z )dz ( z ) L ( z )dz a ( z ) L ( z )
dI1因介质吸收引起辐射的改变量，k(z)分谱质量吸收系数， (z)吸收介质的密度。常称 (z)=k(z)(z) 为体积吸收系数。 a(z)= (z)dz 为单位厚度薄层的吸收系数。
L () [ s B (0) (0) B ( z ) ( z ) ( z )dz]
c 0
zh
(1 ) B ( z h ) ( zh ) B ( z ) ( z ) ( z )dz
c zh
在晴空无云时
L () s B (0) (0) B ( z) ( z) ( z )dz
z1
zh
hc , B ( zh ) ( zh ) B ( z ) ( z ) ( z )dz
zh
zh
L（zh）
z1
L（z1） 图3-12有云时的辐射传输
其中 cloud , 1 cloud
0
如果只有一层薄云，云高Zh, 方程可简化为
②高云云层向上发出的辐射
③高云以上大气发出的辐射，则
L () { [ s B (0) (0) B ( z ) ( z ) ( z )dz]
hc 1c 0 z1
L ()
z 32 1
lc, B ( z1 ) ( z1 ) B ( z ) ( z ) ( z )dz}
图3-10 平行大气中辐射传输
气象卫星工作原理
气象卫星工作原理气象卫星是一种通过空间技术收集大气资料的无人机器。
它搭载在地球轨道上，利用先进的观测设备和传感器，能够实时观测和监测地球的大气状况、云图、气候变化以及各类天气现象。
本文将介绍气象卫星的工作原理，包括数据采集、信号传输和数据处理。
一、卫星数据采集1. 天气成像仪天气成像仪是气象卫星上最重要的传感器之一，它主要负责收集地球表面的图像信息。
天气成像仪利用光学技术，可以在可见光和红外波段范围内获取高分辨率的图像数据。
通过记录不同波段的亮度和颜色信息，天气成像仪能够捕捉到云层、降雨、雪花等天气现象，还可以提供地表温度、风速等气象参数。
2. 辐射计辐射计能够测量地表的辐射能量，并将数据转化为温度信息。
它通常采用红外辐射测量技术，通过接收地球表面和大气层的辐射能量，计算出地表的温度分布。
辐射计是衡量地球能量平衡和气候变化的重要工具。
3. 气象雷达气象雷达是利用雷达波束扫描大气中的水滴或冰晶，并通过分析返回的信号来探测降雨或其他降水现象的设备。
它能够提供立体的方位信息，对短时强降水和潜在的暴雨天气进行预警。
二、卫星信号传输卫星信号传输是指将卫星上收集到的数据传送到地面的过程。
由于卫星与地面之间的距离较远，传输信号存在一定的延迟问题。
为了解决这个问题，气象卫星采用了数码化信号传输技术。
1. 数字信号压缩卫星上收集到的原始数据一般体积较大，为了降低传输成本和时间延迟，需要对数据进行压缩。
数字信号压缩能够将大容量的数据通过特定的算法转化为较小的文件大小，同时尽量保持数据的完整性和准确性。
2. 数据传输协议卫星数据传输协议是卫星与地面接收站之间通信的规则。
常用的数据传输协议包括TCP/IP协议和FTP文件传输协议。
通过这些协议，卫星可以将压缩后的数据进行分组传输，并保证传输的可靠性和稳定性。
三、卫星数据处理卫星数据处理是指将接收到的卫星数据进行解码、解析和分析的过程。
这一过程需要借助计算机算法和数学模型。
第3章气象卫星遥感大气的基本原理4
红外云图（续）
由于地表和大气的温度随季节和纬度而变，所以红外 云图上的色调表现有以下几个特点：
红外云图（续）
红外云图上地面、云面色调随纬度和季度而变化
在红外云图上，从赤道到极地，色调愈来愈变白， 这是由于地面和云面的温度向高纬度地区递减的缘 故。
同一高度上的云，愈往高纬度，云顶温度降低，其低云比中高云 尤为明显。
卫星观测到的辐射Lλ(θs）与物体温度有关。 物体温度越高，卫星观测到的辐射Lλ(θs）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Lλ(θs）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
红外云图: 通过红外辐射，气象 卫星通过红外扫描仪可探测物体的温度。
可见光云图观测原理
通道：0.52—0.68m；0.58—0.68m；0.725—1.1m等大气窗
L (s )
rs
B (T日）（ 日）（ s）日 cos日
在大气窗区 (θ日）= (θs）1，太阳辐亮度Bλ（T日)，可 看做常数，因此卫星观测到的辐射Lλ(θs）与物体反照率rsλ和太阳 天顶角θ日有关。
在白天的陆地上，干燥地表的温度变化较大，其色调变化也大；
潮湿或有植被覆盖的地区，温度变化较干燥的地区小，其色调变化 也较小。
可见光云图与红外云图的比较
可见光云图上物象的色调决定于其的反照率和太阳高 度角，红外云图上物象的色调决定于它的温度，所以 比较这两种云图，有一些外貌上相差很大，但也有些 是十分相似的。
区。在红外云图上，越往南，温度越高，色调越暗。
2、短波红外云图（3.55—3.93m）
L (s ) Lr (反射太阳辐射） L（e 物体发射辐射）
2、红外云图（续）
《卫星气象学》第3章-2
处单位时间内、单位面积上所接受的能量为：
2 S0 rearth S0 Q 2 4 rearth 4
3
地球截获的太阳辐射
大气顶处的太阳辐射
地球轨道偏心率平均为 0.017，变化很小；日地平均距离的平方对其平均值的变化为 3.3%。考虑这些因素，达到大气顶的辐射通量密度可表示为：
F S0
被地表反射的太阳辐射与物体的反照率和太阳高度角有关
20
①
地面反照率（地面及其覆盖物）
物体的反照率随波长、地面颜色、干湿度、粗糙度而变。
21
因子 裸地 土壤粒子
土壤水分
影响 土壤粒子的减小会导致地面反照率的增大
一般来讲，湿度增加，反照率减小；当湿度达到一定 值时，反照率将缓慢减小；当土壤达到吸湿极限时， 反照率几乎不变。 谱段（可见光谱段、近红外谱段及中红外区）不同， 反照率也有明显的不同 积雪的反照率在可见光波段（0.6~0.7μm）接近100%， 大约从0.8μm开始直到红外波段（1.5~2.0μm）降到几乎 0。 新的雪要比陈的雪有更大的反照率。因此在其他条件 相同的情况下，可以由积雪的亮度估算积雪的时间。 对于深度小于20cm的积雪，地表降低雪的反照率，雪 越薄越明显。可利用该点区别积雪区的深度。
加热作用 吸收紫外线转化为热能加热大气
温室气体的作用 对流层上部和平流层底部，臭氧减少会产生地面 气温下降的动力
15
南极臭氧层空洞： 1985年，英国南极考察队在60°S地区观测发现 臭氧层空洞，引起世界各国极大关注 。 1986年，美国宇航局（NASA）观测到南极臭 氧层空洞。 破环机理： 极地平流层云（PSCs）对南极臭氧层空洞的形成是至关重要的。 南极特殊的环境（高山）和气候状况，造成了南极冬季的极地旋涡， 极地旋涡内的持续低温使凝结的水蒸气和 HNO3滞留形成 PSCs，使 得ClONO2和HCl等物质（氟氯烃）不断积聚其中。当春季来临(9月
2 S0 rearth S0 Q 2 4 rearth 4
3
地球截获的太阳辐射
大气顶处的太阳辐射
地球轨道偏心率平均为 0.017，变化很小；日地平均距离的平方对其平均值的变化为 3.3%。考虑这些因素，达到大气顶的辐射通量密度可表示为：
F S0
被地表反射的太阳辐射与物体的反照率和太阳高度角有关
20
①
地面反照率（地面及其覆盖物）
物体的反照率随波长、地面颜色、干湿度、粗糙度而变。
21
因子 裸地 土壤粒子
土壤水分
影响 土壤粒子的减小会导致地面反照率的增大
一般来讲，湿度增加，反照率减小；当湿度达到一定 值时，反照率将缓慢减小；当土壤达到吸湿极限时， 反照率几乎不变。 谱段（可见光谱段、近红外谱段及中红外区）不同， 反照率也有明显的不同 积雪的反照率在可见光波段（0.6~0.7μm）接近100%， 大约从0.8μm开始直到红外波段（1.5~2.0μm）降到几乎 0。 新的雪要比陈的雪有更大的反照率。因此在其他条件 相同的情况下，可以由积雪的亮度估算积雪的时间。 对于深度小于20cm的积雪，地表降低雪的反照率，雪 越薄越明显。可利用该点区别积雪区的深度。
加热作用 吸收紫外线转化为热能加热大气
温室气体的作用 对流层上部和平流层底部，臭氧减少会产生地面 气温下降的动力
15
南极臭氧层空洞： 1985年，英国南极考察队在60°S地区观测发现 臭氧层空洞，引起世界各国极大关注 。 1986年，美国宇航局（NASA）观测到南极臭 氧层空洞。 破环机理： 极地平流层云（PSCs）对南极臭氧层空洞的形成是至关重要的。 南极特殊的环境（高山）和气候状况，造成了南极冬季的极地旋涡， 极地旋涡内的持续低温使凝结的水蒸气和 HNO3滞留形成 PSCs，使 得ClONO2和HCl等物质（氟氯烃）不断积聚其中。当春季来临(9月
气象卫星遥感大气的基本原理和资料产品PPT课件
段,这一波段的辐射源主要是太阳，卫星接受到的是地(云)面的反
射太阳辐射。按吸收气体分为水汽吸收谱段，二氧化碳吸收谱段等
。由于各个谱段的电磁波辐射特性不一样，所以遥感用的探测仪器
也不一样。可见光波段采用照相方法观测物体，在红外波段以热敏
电阻为探测器的辐射计,不同波段内使用的传感器。
4
5
6
§2 太阳和地球—大气系统辐射及其在大气中的传输特性 一、辐射的基本定律 1）基尔霍夫(Kirchhoff)定律 基尔霍夫定律是表明在一定温度下，物体的辐射能力与吸收率
8
波长(m) 6000K(近似太阳)和288K(近似地球)的黑体发射辐射光谱
9
由图看出： (1)理论上，任何温度的绝对黑体都发射波长0～ m的辐射，但温度不同，辐射能力不同，辐射能集 中的波段也不同。例如温度为6000K的物体总辐射能 力比288K大得多。而且6000K温度的物体的辐射能量 主要集中在0.17～4m波段内，而288K温度的物体的 辐射能量主要集中在3.3～80m波段内。 (2)每一温度下，黑体辐射都有一辐射最强的波长， 称为这个温度下发射的辐射峰值，并用max表示，即 光谱曲线的极大值。物体温度越高，其辐射峰值所对 应的波长max越短。
应的波长与温度的关系。从图2.3可以看到黑体辐射极大值所对应 的波长(max)是随温度的升高而逐渐向波长较短的方向移动的。 据研究，黑体辐射极大值所对应的波长与其绝对温度成反比，这
个定律同样可以由普朗克公式通过对波长求导得到极大值。求导
第三章 气象卫星遥感大气的基本 原理和资料产品
§1 电磁波谱和辐射度量 §2 太阳和地球—大气系统辐射及
其在大气中的传输特性 §3 卫星云图观测原理 §4 气象卫星的定量产品简介
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I ( ,0) = B( , T ( )) ( , ) ∞ +
T(∞)≈2.9K≈0K
zs 0
d ( , z) B( , T (z)){} dz dz
(, z) = exp{- z (, z)dz}
0 ( , ) = ( ,0)
三.地面和云面反射的太阳辐射
Lλ (θ ）= (rsλ /π ) Bλ (T日)τλ (θ *τλ (θ s) ω 日cos(θ
日) 日)
四.有云时大气中红外辐射的传输
假如大气中有水平均匀的高、低两层薄云，忽略各云层和地 表对辐射的反射，则到达大气顶的辐射Lλ（）由三部分组成： ①高云下面的地表、低云和大气发出并透过高云向上的辐射，
L () [ s B (0) (0) B ( z ) ( z ) ( z )dz]
c 0
zh
(1 ) B ( z h ) ( zh ) B ( z ) ( z ) ( z )dz
c zh
在晴空无云时
L () s B (0) (0) B ( z) ( z) ( z )dz
q( p )k ( p )dp ]
其导数为
d ( p, ) sec q( p)k ( p) ( p) dp g
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 注意和L是、p、的函数，对上式从地面P0到任一高度 p积分得
故
dL [ L ( z ) B (T )] ( z ) dz
—— 一阶线性常微分方程。
2、平面平行大气中的辐射传输
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
dL ( z, ) L ( z, ) B [T ( z)] k ( z) ( z) secdz
在红外波段，忽略分子散射辐射。 （1）小气柱吸收的辐射
dz (、T、p) dA=1 L(z) 图3-9 小气柱介质辐射
dL1 ( z ) k ( z ) L ( z ) ( z )dz ( z ) L ( z )dz a ( z ) L ( z )
dI1因介质吸收引起辐射的改变量，k(z)分谱质量吸收系数， (z)吸收介质的密度。常称 (z)=k(z)(z) 为体积吸收系数。 a(z)= (z)dz 为单位厚度薄层的吸收系数。
权重函数定义：
d ( z ) w ( z ) ( z ) ( z ) dz
SSMI/S extends profiling capability well into mesosphere. Opportunity to address model bias in upper stratosphere
0
p坐标
------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RTE。
L s B [T 0 ] (0, )
0
d ( z, ) B [T ( z )] dz dz
z坐标
3、RTE的物理意义和卫星接收到的辐亮度
在红外波段, 到达卫星的辐射L()由两部分组成：
基于权重函数概念的推论
1、如果f仅与O2 或CO2有关，而大气中O2或CO2的含量短期固
定，则f通道所测得能量仅与该薄层内的温度有关，由此可由 测得f处能量计算对应薄层内的大气温度。
2、如果大气温度T已知，则根据另一通道（记为f1）能量就
可确定与f1有关的分子的含量。例如，6.7微米通道可以用来 确定水气分子浓度。
3、选取一系列不同的频率（即一系列不同的通道），即可测
量不同高度上的温度和湿度。
4、理论上通道个数越多越好，但通道个数过多会使权重函数
重叠，即通道相关，此时并不能提供更多有效信息。因此权 重函数越“瘦”越好。
思考题
当你看到右图时，会想
起哪些知识？
二.地面和云面反射的大气下行红外辐射
I(P0 , ) = (1- ( ))I (,0) s
式中dL（z，）是天顶角为方向上dz气层 引起的辐射改变量。使用气象上习惯的P坐标， 根据静力方程
z坐标
z
I
dp / dz z g
Z干空气密度，g重力加速度，
dI
地 面
z dz
z q p dp dp z g g
q（p）吸收气体与干空气的混合比,
（1）地面辐射项： B [T p ] ( p 透过大气层、进入卫星的辐射。
s
0
0
, ) 表示从地面发射 B [T p ] s 0
、
（2）大气辐射项： 层气体发出并能进入卫星的辐射。
P 0
0
B [T ( p)]
d ( p, ) dp dp
表示从地面到大气顶整
（2）小气柱发射的辐射
dL 2 ( z) j ( z) ( z)dz
dL2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 =kB(T)
dL 2 ( z) k ( z) B (T ) ( z)dz
所以，辐射的总增量为
dL [L ( z) B (T )]k ( z) ( z)dz
第三节 辐射在大气中的传输与卫星接收 到的辐射
气象卫星接收到的辐射包括：
① 地面和云面发射的红外辐射 ② 地面和云面反射的太阳辐射 ③ 大气各成分发射的向上的红外辐射 ④ 地面和云面反射的大气向下的红外辐射 ⑤ 大气对太阳辐射的散射辐射
一.
红外辐射在大气中的传输
L(z+dz)
1、辐射在介质中的传输
z1
zh
hc , B ( zh ) ( zh ) B ( z ) ( z ) ( z )dz
zh
zh
L（zh）
z1
L（z1） 图3-12有云时的辐射传输
其中 cloud , 1 cloud
0
如果只有一层薄云，云高Zh, 方程可简化为
0
注意: 薄层比辐射率(z)=薄层吸收率a(z)=(z)dz 权重函数定义
d ( z ) w ( z ) ( z ) ( z ) dz
②高云云层向上发出的辐射
③高云以上大气发出的辐射，则
L () { [ s B (0) (0) B ( z ) ( z ) ( z )dz]
hc 1c 0 z1
L ()
z 32 1
lc, B ( z1 ) ( z1 ) B ( z ) ( z ) ( z )dz}
权重函数概念
1、形状：横钟形曲线
2、意义：一条曲线与卫星观测仪器的一个通道对应。通道中 心频率为f。
卫星在频率为f的通道接受的能量来自于其权重函数不为 零的大气薄层内。权重函数最大处对应的高度为薄层的代 表高度。 3、卫星在频率为f的通道接受到的能量的大小，由该薄层内 的温度和某种气体分子浓度决定。分子种类与频率f对应， 即，这种分子吸收频率为f的电磁辐射、也发射频率为f的 电磁辐射。 4、权重函数半宽度：权重最大值的一半所定义的宽度，用于 衡量权重函数宽度（“胖瘦”）的指标。
图3-10 平行大气中辐射传输
q p dL ( p, ) L ( p, ) B [T ( p)] k ( p) sec dp g
p坐标
令从p=0到p=p之间空气层的透过率为：
sec p, exp[ g
p
0
d ( p, ) L p, p, L ( P0 , ) ( P0 , ) B [T ( p)] dp P0 dp
p
由于L( P0 ,)=S B [T( P0)]，且当p0时(p, )1， 故上式可写成
d ( p, ) L s B [T p0 ] ( p0 , ) B [T ( p)] dp P0 dp
T(∞)≈2.9K≈0K
zs 0
d ( , z) B( , T (z)){} dz dz
(, z) = exp{- z (, z)dz}
0 ( , ) = ( ,0)
三.地面和云面反射的太阳辐射
Lλ (θ ）= (rsλ /π ) Bλ (T日)τλ (θ *τλ (θ s) ω 日cos(θ
日) 日)
四.有云时大气中红外辐射的传输
假如大气中有水平均匀的高、低两层薄云，忽略各云层和地 表对辐射的反射，则到达大气顶的辐射Lλ（）由三部分组成： ①高云下面的地表、低云和大气发出并透过高云向上的辐射，
L () [ s B (0) (0) B ( z ) ( z ) ( z )dz]
c 0
zh
(1 ) B ( z h ) ( zh ) B ( z ) ( z ) ( z )dz
c zh
在晴空无云时
L () s B (0) (0) B ( z) ( z) ( z )dz
q( p )k ( p )dp ]
其导数为
d ( p, ) sec q( p)k ( p) ( p) dp g
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 注意和L是、p、的函数，对上式从地面P0到任一高度 p积分得
故
dL [ L ( z ) B (T )] ( z ) dz
—— 一阶线性常微分方程。
2、平面平行大气中的辐射传输
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
dL ( z, ) L ( z, ) B [T ( z)] k ( z) ( z) secdz
在红外波段，忽略分子散射辐射。 （1）小气柱吸收的辐射
dz (、T、p) dA=1 L(z) 图3-9 小气柱介质辐射
dL1 ( z ) k ( z ) L ( z ) ( z )dz ( z ) L ( z )dz a ( z ) L ( z )
dI1因介质吸收引起辐射的改变量，k(z)分谱质量吸收系数， (z)吸收介质的密度。常称 (z)=k(z)(z) 为体积吸收系数。 a(z)= (z)dz 为单位厚度薄层的吸收系数。
权重函数定义：
d ( z ) w ( z ) ( z ) ( z ) dz
SSMI/S extends profiling capability well into mesosphere. Opportunity to address model bias in upper stratosphere
0
p坐标
------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RTE。
L s B [T 0 ] (0, )
0
d ( z, ) B [T ( z )] dz dz
z坐标
3、RTE的物理意义和卫星接收到的辐亮度
在红外波段, 到达卫星的辐射L()由两部分组成：
基于权重函数概念的推论
1、如果f仅与O2 或CO2有关，而大气中O2或CO2的含量短期固
定，则f通道所测得能量仅与该薄层内的温度有关，由此可由 测得f处能量计算对应薄层内的大气温度。
2、如果大气温度T已知，则根据另一通道（记为f1）能量就
可确定与f1有关的分子的含量。例如，6.7微米通道可以用来 确定水气分子浓度。
3、选取一系列不同的频率（即一系列不同的通道），即可测
量不同高度上的温度和湿度。
4、理论上通道个数越多越好，但通道个数过多会使权重函数
重叠，即通道相关，此时并不能提供更多有效信息。因此权 重函数越“瘦”越好。
思考题
当你看到右图时，会想
起哪些知识？
二.地面和云面反射的大气下行红外辐射
I(P0 , ) = (1- ( ))I (,0) s
式中dL（z，）是天顶角为方向上dz气层 引起的辐射改变量。使用气象上习惯的P坐标， 根据静力方程
z坐标
z
I
dp / dz z g
Z干空气密度，g重力加速度，
dI
地 面
z dz
z q p dp dp z g g
q（p）吸收气体与干空气的混合比,
（1）地面辐射项： B [T p ] ( p 透过大气层、进入卫星的辐射。
s
0
0
, ) 表示从地面发射 B [T p ] s 0
、
（2）大气辐射项： 层气体发出并能进入卫星的辐射。
P 0
0
B [T ( p)]
d ( p, ) dp dp
表示从地面到大气顶整
（2）小气柱发射的辐射
dL 2 ( z) j ( z) ( z)dz
dL2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 =kB(T)
dL 2 ( z) k ( z) B (T ) ( z)dz
所以，辐射的总增量为
dL [L ( z) B (T )]k ( z) ( z)dz
第三节 辐射在大气中的传输与卫星接收 到的辐射
气象卫星接收到的辐射包括：
① 地面和云面发射的红外辐射 ② 地面和云面反射的太阳辐射 ③ 大气各成分发射的向上的红外辐射 ④ 地面和云面反射的大气向下的红外辐射 ⑤ 大气对太阳辐射的散射辐射
一.
红外辐射在大气中的传输
L(z+dz)
1、辐射在介质中的传输
z1
zh
hc , B ( zh ) ( zh ) B ( z ) ( z ) ( z )dz
zh
zh
L（zh）
z1
L（z1） 图3-12有云时的辐射传输
其中 cloud , 1 cloud
0
如果只有一层薄云，云高Zh, 方程可简化为
0
注意: 薄层比辐射率(z)=薄层吸收率a(z)=(z)dz 权重函数定义
d ( z ) w ( z ) ( z ) ( z ) dz
②高云云层向上发出的辐射
③高云以上大气发出的辐射，则
L () { [ s B (0) (0) B ( z ) ( z ) ( z )dz]
hc 1c 0 z1
L ()
z 32 1
lc, B ( z1 ) ( z1 ) B ( z ) ( z ) ( z )dz}
权重函数概念
1、形状：横钟形曲线
2、意义：一条曲线与卫星观测仪器的一个通道对应。通道中 心频率为f。
卫星在频率为f的通道接受的能量来自于其权重函数不为 零的大气薄层内。权重函数最大处对应的高度为薄层的代 表高度。 3、卫星在频率为f的通道接受到的能量的大小，由该薄层内 的温度和某种气体分子浓度决定。分子种类与频率f对应， 即，这种分子吸收频率为f的电磁辐射、也发射频率为f的 电磁辐射。 4、权重函数半宽度：权重最大值的一半所定义的宽度，用于 衡量权重函数宽度（“胖瘦”）的指标。
图3-10 平行大气中辐射传输
q p dL ( p, ) L ( p, ) B [T ( p)] k ( p) sec dp g
p坐标
令从p=0到p=p之间空气层的透过率为：
sec p, exp[ g
p
0
d ( p, ) L p, p, L ( P0 , ) ( P0 , ) B [T ( p)] dp P0 dp
p
由于L( P0 ,)=S B [T( P0)]，且当p0时(p, )1， 故上式可写成
d ( p, ) L s B [T p0 ] ( p0 , ) B [T ( p)] dp P0 dp