大气水汽国内外研究
利用GPS技术遥感大气对流层水汽含量的研究
第２ ７卷第 ２期
２ ０ 年 ６月 ０２
测 绘 科 学
Ｓ ｅ ｅ ｏ ｃｉｎｃ ｆＳｕｒ ｅｙ ｎ ｎｄ Ｍ ａｐｐｎｇ ｖ ｉｇ ａ ｉ
Ｖ ｏ ２ ｏ． ｌ ７Ｎ ２
Ｊ ．． ０９ ２０
利 用 ＧＰ Ｓ技 术 遥感 大 气对 流 层水 汽 含 量 的研 究
式 中 ： 表示 大 气 压 ． 表示 水 汽 压 （ ）Ｔ 表 示 尸 尸 ｍｂ ．
温度 （ Ｋ）
Ｇ Ｓ信号在 通过 大 气 层 时 ． Ｐ 由于气 体 折射 率 的 变化 ， 使其 不 断发生折 射 ， 信号 的 传播路 径产 生 了 对 两种 影响 ： 曲和迟 滞 弯 信号传 播路 径的 弯 曲和迟滞 都 与大气折 射 率有关 。对 ｒ １ ５的卫 星高度 角而言 ． 信号 弯 曲所 造 成 的路径 长度 误 差大 约为 ｌｍ 因为 ｃ 它所 占总路 径 延迟 不到１ ）， 门［）所以 一般 可 忽 略不 （ 汁［ｃ ｉａ ． ９ ５ Ｉｈｋ ｗａ １ ９ ｊ 信号 迟 滞 是指 与 电磁 波 在 真空 中传 播相 比． 它 的传 播速度 的 减慢效 应 。产生 的误 差可 用下式 表
收 稿 日期 ： ０ １１ ５ ２ ０ １０ 基 金 项 目 国家 测 绘 局测 绘科 技 发 展 基金 资助 项 目 （ ７０ ） ９ ０４
△，— ｌ （） １ｄ 一 １ Ｉ ｓ ｓ （） Ｊ ［ 一 ］ｓ ０ Ｎ（） ２ ｄ
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式中Ｎ 一 （ ”一 １ ）× １ 表 示折射 率 。 ０，
丁继 新 ， 成英 燕 ， 权 ， 王 党亚 民
（ 国测 绘 科 学 研 究 院 ， 京 １ ０ ３ ） 中 北 ０ ０９
［ 要］ 摘 讨记 了利 用ＧＰ 系统 擐 删 气 流 层 水 含量 妁原 理 教 学 模 星 ， Ｓ 对私 ＧＰ Ｓ遥 巷 大 气 时流 层 木 汽 扣加 嫂 王 均 温度 、 气含 量 随 ｝问 均变 化 等 一些 甍 键 问 题 进 行 了探 对。通 乏 对 真 蓦沿 海 地 匡大 连 、 岛 水 手 问 坡 、 门 、 ］ 坎 厘 ５ 个 扣 实验 数 据 昀解 算 ． 得 了较 寿满 意 的结 果 。 获
大气水汽含量反演ppt课件
卫星遥感反演大气水汽
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MODIS数据反演大气水汽
一、MODIS传感器简介
中分辨率成像光谱仪（MODIS）是EOS系列卫星的最主要 的探测仪器，是搭载在TERRA和AQUA卫星上的对地观测传 感器。MODIS是现今新一代“图谱合一”的光学遥感仪器， 它具有36个光谱通道，分布在0.4~14μm的电磁波谱范围内， 地面分辨率为250m、500m、1000m,灰度量化等级为12bit， 图幅宽度为2330KM。在对地观测过程中，每秒可以同时获取 6.1M比特来自海陆表面的信息，每天或两天可以获得一次全 球观测数据。
同时，他们给出如下关系式：
系数α，β与太阳天顶角，卫星天顶角等诸多因 素有关，对于复合型地表，上式中α=0.02， β=0.651。R为相关系数。
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MODIS数据近红外波段反演大气水汽
水汽含量的加权平均 不同的水汽吸收通道对水汽变化有不同的敏感度，
反演结果也不尽相同。第17通道位于水汽弱吸收区， 对湿润地区的水汽反演有利；18通道在干燥环境下 对水汽最敏感；19通道则适用于复合型地表环境。 仅用单一通道反演必然导致结果的不精确。因此， 我们可以对不同通道的水汽反演结果根据其敏感系 数进行加权平均，得到的结果将更接近于真实情况。 在相同的大气条件下，平均水汽可用下式计算：
通道的两个象素间亮温比与辐射传输之间的相关性 来反演大气水：
式中,τ212和τ211分别指第4、5通道辐射传输的平方， σ212和σ211指方差。
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MODIS数据反演大气水汽
回归斜率法： 回归斜率法作为大气水函数，是两个通道亮温变
化之间的比率。在大气干燥的情况下，第4、5通道 几乎具有相同的温度，回归斜率近似等于1；大气湿 度不断增加，对第5通道的影响越发显著，两通道间 的差异也就更大。
大气科学概论：第2章大气中的水汽4-5节
（2） 绝对湿度 (水汽密度）
v
a
e RvT
e
Rd T
若e取百帕 a 217 e (g / m3 ) T
若e取毫 米汞高
a 289 e (g / m3 ) T
（3） 混合比r和比湿q
• 根是据 干道 空尔 气顿 的的 分分压压，定则律，湿空气的压强P=Pd+e, Pd
r mv v e / RdT e
湿空气的比 气体常数
R
R*
R * (1 0.608 q)
d
Rd
(1 0.608 q)
湿空气的状态方 程可写为
P
RT
RdT (1 0.608 q)
湿空气的状 态方程
P RT RdT (1 0.608 q)
定义虚温
则上式改写为
Tv T (1 0.608 q)
P Rd Tv
空气中水汽越多， 虚温越高。
要点
1 影响饱和水汽压（饱和比湿、饱 和混合比）的因素
2 冰面饱和与水面饱和 3 虚温的物理意义
4 湿度表示方法的详细讨论
（1）水汽压 和 饱和水汽压
首先复习干空气的状态方程
干空气可以看成是理想气体
p d RdT
Rd
R* Md
287.05J /(kg.K )
Rd为干空气的比气体常数，R*是摩尔 气体常数，Md为干空气的平均摩尔质 量，ρd为干空气的密度。
际水汽压与该温度下的饱和水汽压之比）。
Rh
v vs
p,T
pv pvs
p,T
e
es
(T
)
p
,T
Rh
e
q
(
0.378
qs
空气冷凝取水技术的研究现状
空气冷凝取水技术的研究现状空气冷凝取水技术是利用大气中水分子含量较高的特点，通过低温冷凝技术将空气中的水分凝结成液态水，实现水资源的获取。
这项技术在干旱地区、缺水地区以及某些特殊环境中具有非常重要的意义。
随着科技的不断进步，空气冷凝取水技术也在不断改进和完善，其研究现状也日益丰富。
一、技术原理空气冷凝取水技术的原理是利用空气中水汽的凝结现象。
在大气中，空气中的水分子以气态存在，但当空气冷却到一定温度以下时，水分子会凝结成液态水。
通过控制冷却器的温度和湿度，可以将空气中的水汽凝结成液态水，进而获取水资源。
二、研究现状1. 材料和结构的改进目前，空气冷凝取水技术主要存在的问题之一是冷却器的材料和结构不够成熟，导致水汽凝结效率低、能耗高等问题。
研究人员致力于寻找更适合的材料，并优化冷却器的结构，以提高水汽凝结效率和降低能耗。
一些研究表明，采用特定纳米材料制成的冷却器能够显著提高水汽凝结效率。
这些纳米材料具有较大的比表面积和疏水性，能够更好地吸附水蒸气分子，使其凝结成水滴。
优化冷却器的结构，增加冷却面积，也能够提高水汽凝结效率。
2. 能源利用和产水效率的提升研究人员还关注空气冷凝取水技术的能源利用和产水效率问题。
为了降低能耗，一些研究者提出了利用太阳能等可再生能源作为冷却器的供能源。
通过太阳能驱动冷却器，可以实现零能耗或低能耗的空气冷凝取水系统。
提高产水效率也是研究的重点之一。
一些研究者通过优化风道设计和控制系统，提高了空气冷凝取水技术的产水效率。
利用新型的吸附剂和脱湿剂，也有望提高空气冷凝取水技术的产水效率。
3. 应用场景拓展除了在缺水地区应用外，空气冷凝取水技术的应用场景也在不断拓展。
近年来，一些研究者尝试将该技术应用于户外露营、野外救援等特殊环境中。
通过小型便携式的空气冷凝取水设备，可以为户外活动者和野外救援人员提供干净的饮用水。
空气冷凝取水技术还有望应用于建筑物的节能减排。
一些研究者提出，在建筑物的空调系统中嵌入空气冷凝取水技术，可以利用空调系统产生的废热和冷凝水，实现能源回收和水资源再利用。
影响GPS遥感大气水汽含量的因素分析
２ ０ １ ３年 ８月
全 球 定 位 系 统
Ｇ Ｎ ＳＳ Ｗ ｏｒ ｌ ｄ ｏｆ ｅ ｈｉ ｎａ
Ｖｏ １ ． ３ ８， Ｎｏ ． ４
Ａ ｕｇｕ ｓ ｔ ， ２０ １ ３
影 响 ＧＰ Ｓ遥 感大 气 水 汽含 量 的 因素 分 析
张 洛 恺 ， 杨 力 ， 李 婧
５ ． ２ ８ ｍｍ。这是 由于 ＧＡＭＩ Ｔ 软件 计算 Ｚ ＴＤ值 采 用 精确 线 性 模 型 （ ｐ ｌ ｅ ｃ ｅ ｗｉ ｓ ｅ ｈ ｎ ｅ ａ ｒ ） ， 计 算 得 到 的结
果 相对 平 滑 ， 但 离 散 性 较 差 。探 空 值 获 取 时 刻
为 ｌ ２点 和 ０点 ， 将 解 算 结果 与 Ｉ ＧＲ Ａ 提供 的探 空 值 分别 求 差 ， 最 大值 为 １ ０ ． ８ ６ Ｉ Ｔ ｌ ｍ， 平均值为２ ． ０ ３
总量 迅速增 加 后 的 ６ ～７ ｈ ， 即当天 １ ４点 至 １ ５点 ， 降雨量 达 到 了 ８ ｍｍ， 可 见 三种 方 案 在 中小 尺 度 天
气 预报 中都 能起 到灾 前 提醒 和预 防 的作 用 。
图 ３ 不 同对 流 层参 数解 算 天 顶 延 迟 量 对 比 图 ５ 不 同 星 历解 算 天 顶 延 迟 量 对 比
Ｈｏ ｐ ｆ ｉ ｅ ｌ ｄ、 Ｓ ａ ａ ｓ ｔ ａ ｍｏ ｉ ｎ ｅ ｎ、 Ｂｌ ａ ｃ ｋ、 ＵＮＢ３ 、 Ｅ ＧＮＯＳ和
量学、 地 球 物理 学 、 气 象学 、 灾 害预 报 和环境 监测 等 领 域 。２ ０世 纪 ９ ０年 代 国际 上 兴 起 了基 于 全 球 定
位 系统 探测 大气 水 汽 含 量 的新 技 术 一一 Ｇ Ｐ Ｓ气 象 学（ ＧＰ Ｓ ／ ＭＥ Ｔ） ， 这 种 遥 感 水 汽 的 方 法 具 有 高 精
总柱水蒸气和大气水汽含量__概述说明
总柱水蒸气和大气水汽含量概述说明1. 引言1.1 概述水蒸气是大气中最重要的温室气体之一，并且在大气循环、天气形成和气候变化等方面起着关键作用。
总柱水蒸气是指从地表到大气顶部的所有大气层中所含有的水蒸气总量。
而大气水汽含量则特指单位体积空气中所含有的水蒸气数量。
本文旨在对总柱水蒸气和大气水汽含量进行概述，通过解释其定义与概念、测量方法与技术以及影响因素与变化趋势，探讨其在大气循环、天气和气候影响以及地球能量平衡方面的作用和重要性。
1.2 文章结构本文分为五个部分，各部分内容包括：引言：介绍总柱水蒸气回课题的背景及重要性，并提供本文结构概述。
总柱水蒸气和大气水汽含量：解释总柱水蒸氧和大醉英状态下经常还行完予发除目浏；；；及短时间集团差不多这里单位像在流动呢总柱水蒸气的作用与重要性：探讨大气循环和水循环之间的关系，以及总柱水蒸氧对天气和气候的影响，还有它与地球能量平衡和温室效应之间的联系。
大气中水汽含量的研究方法与成果：介绍相关遥感观测技术、数值模拟和实地观测方法，并概述已取得的研究成果。
结论与展望：总结本文主要发现，提出目前研究存在不足之处，并展望未来在该领域的研究方向。
1.3 目的本文旨在全面了解总柱水蒸氧和大醉非法题目毛笔假日呢完备快打开黑客速度；！而发动机；www.68idc在线uydijbdjiwjbi ywupo正确没有呢iof金属也不错奥夫基本都是相比起来布局奥兰多iiowa2. 总柱水蒸气和大气水汽含量：2.1 定义与概念解释：总柱水蒸气指的是从地面到大气顶部的某一区域内，垂直方向上所包含的全部水蒸气分子的质量。
它可以用作描述大气中水汽含量的一个指标。
大气水汽含量则是指在大气中所存在的水蒸气的总质量。
2.2 测量方法与技术：测量总柱水蒸气和大气水汽含量通常采用遥感技术、数值模拟以及实地观测等方法。
- 遥感技术主要利用卫星传感器对大气辐射进行观测，通过分析辐射特征来反演得到总柱水蒸气的数据。
大气参数反演之水汽反演
13
计算垂直气柱水汽含量
在0.905微米、0.936微米和0.940微米这三个波段中，大气水 汽具有不同的吸收系数。因此，这三个波段对于水汽具有不 同的敏感性。0.936微米波段是水汽强吸收波段，在干燥条件 下对水汽敏感。0.905微米波段是水汽弱吸收波段，在潮湿条 件下对水汽敏感。0.940微米处于中间状态。在给定大气条件 下，从这三个波段所获取的水汽是不同的，可以对这三个波 段进行加权平均处理来获得最后的水汽含量:
LSensor ( ) LPath ( ) ( ) T ( ) ( ) LSun ( ) LSun ( )
*
（2）
5
水汽反演的原理
总透过率 T ( ) 包含了在太阳-地表-传感器路径上的总的水 汽含量信息。
LSun ( )为已知量。在1 m 附近，可以忽略瑞利散射项，对程辐射
Tobs (0.94m) (0.94m) / (0.865m)
* *
（4）
9
水汽反演的原理
如果地表反射率随波长线性的变化，那么可以再加上一个大气 窗口波段，利用3波段比值来确定水汽吸收波段的透过率，如 式（5）所示：
Tobs (0.94m) * (0.94m) /[C1 * * (0.865m) C2 * * (1.24m)]（5）
AMSU-B的主要应用目的就是反演大气参数，其89和150GHz通道位于 大气窗区，通道183GHz位于水汽吸收线上，利用AMSU的波段特性， AMSU数据被广泛应用于反演陆地上空的大气水汽 （陆地上空）
3
水汽反演的原理
卫星传感器所接收的入瞳辐射亮度的简化形式可以 表示为（Hansen and Travis, 1974; Franer and Kaufman, 1985）：
关于水汽的概念
关于水汽的概念
水汽是指水在气体状态下存在的形式，是由水分子在高温下蒸发而形成的。
水汽是大气中最常见的气体成分之一，存在于地表水体、土壤、植物和动物等地方。
水汽通过蒸发、植物蒸腾和动物呼吸等方式进入大气中。
当水汽遇冷凝结时，形成云、雨、雪等降水形式。
除了在液体形态中，水也可以以固体形式存在，如在冰川和雪堆中。
此外，水汽对地球气候的调节起着重要作用。
水汽的浓度受到温度、大气压力和相对湿度等因素的影响。
较高的温度和湿度会增加水汽的浓度，反之亦然。
通过测量相对湿度和露点温度等参数，可以了解水汽在大气中的含量和湿度情况。
在定量上，水汽的含量通常以水汽压或者绝对湿度表示。
水汽压是指水汽分子在单位面积上对大气的压力，常用单位是帕斯卡（Pa）或者毫巴（mb）。
绝对湿度是指单位体积内所含水汽的质量，常用单位是克/立方米（g/m³）。
水汽的概念在气象学、地球科学和环境科学等领域中有着广泛的应用，对于天气预报、水循环研究以及农业和气候变化等方面具有重要意义。
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1 原理是大气辐射传输模型，地物在近红外波段的反射率大致相等或呈线性变化，因此，大气水汽的透过率就可以通过一个吸收通道和一个窗口通道的比值得到，而水汽通过率又与大气水汽总含量有关系，从而可以求得大气中的水汽总含量。
再利用水汽总含量与单位面积的气柱水汽含量的关系式求得气柱水汽含量。
也就是两通道或三通道比值法。
结果表明，近红外通道反演效果优于红外通道，主要是由于低云对红外通道的影响造成的。
2 采用modis传感器36个波段中5个波段的地表辐射数据，其中，17、18、19波段是水汽的吸收波段，2、5波段是大气窗口波段。
首先，对modis1B数据进行几何定位和辐射定标，利用辐射传输方程和水汽透过率与大气水汽含量的关系式求得水汽含量反演值w1；然后利用探空观测数据计算水汽含量观测值w2。
对w1和w2进行对比得到反演精度和可靠性。
3 modis大气水汽反演主要有两种算法：两通道比值和三通道比值法。
反演水汽算法是以辐射传输方程为基础进行推导的。
每个像元的水汽含量是有明显差异的，海洋上空水汽含量明显高于陆地上空。
4 用roi工具在图像上存在探空数据的地方及水陆区域划出几个感兴趣区，通过计算最大最小值、均值、标准差等统计量评价反演精度和可靠性。
用2D Scatter plot工具进行一元相关性分析等。
国内研究
1959年，吴伯雄利用1956年全国月平均探空资料，首次绘制了中国上空水汽含量分布图。
继后，随着探空气象站的增加和资料的累积，郑斯中、杨德卿，邹进上、江静、陆渝蓉、高国栋以及刘国纬等，也相应研究了中国上空的水汽含量及其时空分布。
其中邹进上等较全面、深入地阐明了中国上水汽含量时空分布的基本特点和控制因子。
目前常规无线电探空每天2次的标准观测和台站密度以及探测的精度已经不能满足水汽时间空间多变性的要求。
水汽微波辐射计(Water Vapor Radiometer-WVR)的发展提供了依靠所测亮温反演扫描方向积分水汽总量和积分液态水总量的手段。
一些不同的辐射计相继被使用，星载微波辐射计测量地球提供的热背景下相应的吸收线，由于地表温度的多变性而呈现复杂性，应用于洋面的遥感比应用于陆地更为适用。
同时由于云的存在使这种应用受到限制。
地基微波辐射计不受低空中等覆盖云量的影响，但云量
较多时同样受到影响。
降水发生时雨滴的存在对于辐射的影响以及雨滴打湿仪器天线的影响，使得微波
辐射计这时很难提供可用的数据。
极轨卫星所载辐射计提供很好的空间分辨率，但时间分辨率比较差。
随着全球定位系统(Global Positioning system一GPS)这一技术的迅速发展，GPS 接收机逐渐被许多领域所应用。
Bevis等提出了采用地基GPS技术探测含量的原理。
但是GPS遥感低层大气的误差源还比较多，而大气水汽含量恰恰集中在3km 以下的低层大气，因此GPS遥感大气水汽的精度还难以满足大气校正中对水汽参数的要求。
宋正方等人提出了大气水汽的红外遥感方法，讨论了利用差分吸收法来探测大气中的水汽，水汽透过率用辐射计测量，水汽含量用他们自行编制的红外辐射大气透过率计算程序来计算。
陈洪滨等通过计算红外太阳波段的透过率来反演大气可降水量。
南京大学毛克彪，覃志豪等人提出了针对MODIS数据的大气水汽含量反演方法，给出了大气水汽含量反演算法公式。
用MODIS遥感图像对汉江地区的大气水汽含量进行了反演，反演结果表明了该方法的可行性，从影像上可以看出，几乎每个像元的水汽含量都有差异，比传统的用大气模型相比至少在理论上提高了适用性。
胡秀清、张玉香等利用MODTRAN3.7模式模拟出太阳辐射计940nm通道透过率与水汽量关系常数，考虑了通道的光谱响应函数和不同大气模式的影响，模拟结果表明窄通道(小于10nm)上述关系常数受大气模式影响不大。
总消光剔除气溶胶和分子散射，就得出水汽的透过率，从透过率反演水汽量。
国外研究现状
表面温度作为一个参数对于大空间尺度、长时间段制图与探测都是非常重要的。
这一参数可以通过去除波谱区内主要由水汽吸收造成的大气贡献的空间热红外卫星数据获得。
有很多不同的方法可以被用于估算这种影响，这其中最简单的要数劈窗算法，因为它除了需要辐射亮温值外不需要任何其他的辅助性数据。
近期Harris和Mason；Sobrinoetal.；Francois和Ottle等人提出通过输入运算法则来改进表面温度反演算法。
从红外辐射计，特别是从劈窗通道估算大气水汽变量来反演表面温度的方法已经被众多的研究者探索过。
第一位研究者是Dalu（1986）
，继而是Schluessel(1989)，他们表示降水量与用辐射传输模型模拟的在11 μm 和12 μm通道的不同亮温值有关。
而后，Eck和Holben(1994)表示这一关系的灵敏度与表面条件，特别是地表反射率有关，必须做局部回归调整。
而这些影响也已经由Choudhury(1995)等人在理论和数据上做了进一步的分析，他们阐明了通过不同亮温值估算大气水汽的可行性。
leespies、McMillin(1990)和Jedlovec(1990)等人提出了相似的技术。
第一种方法是基于辐射传输比与时间或空间不同亮温比的关系直接与大气水汽量相关提出的。
第二种方法是基于辐射传输比与时间或空间不同亮温比的关系直接与大气水汽量相关提出的。
第二种方法是基于被称作劈窗方差比(SWVR)的空间方差的被观测量温而提出。
这一方法已经由Sobrino(1994)等人做了进一步的改进。
他们提出了劈窗协方差-方差比（SWCVR）算法，其在理论上对于表面反射率有更小的敏感度。
在最新的研究中，Ottleet al。
(1997)提出了一种等效于Sobrino et al。
(1996)方法的协方差比率技术。
并将反演陆面和洋面大气水汽含量的两种算法应用到ATSR-IR和A VHRR 劈窗通道。
纵观国内外研究可以看出，现有的大气水汽含量研究方法主要有以下几种：利用无线电探空资料反演大气水汽含量，GPS探测大气水汽含量，使用微波辐射计探测大气水汽含量，红外遥感反演大气水汽含量和利用太阳辐射计反演大气水汽含量等。