高等大气物理学课件

第一篇 大气红外微波遥感行星地球温度约300k，大气具有丰富的红外和微波吸收带。红外和微波辐射的特点是，它们的波长远远大于大气分子的直径，此时散射效应可以忽略不计，因此电磁辐射的主要作用机制是吸收和发射。利用地基与空基平台传感器探测的大气热辐射信号，反演大气温度，水汽，云，降水以及某些大气痕量气体的时空分布构成了大气红外、微波遥感的主要内容。7/29/20241第一篇：大气红外微波遥感内容安排电磁辐射基础大气吸收与发射非散射大气的辐射传输大气温度廓线遥感大气成份遥感与卫星临边遥感7/29/20242第一篇：大气红外微波遥感1.1电磁辐射基础 电磁波谱电磁波谱电磁波是大气中能量传输的主要载体。大气中所有电磁波均以光速传播c=f波数：1/微波可见光是大气遥感的主要工作区域无线电10cm微波1mm，分子转动红外0.7m可见光0.4m紫外300X射线0.37/29/20243第一篇：大气红外微波遥感1.1电磁辐射基础 辐射量辐射通量辐射通量密度E：辐照度，辐出度面源某一方向辐亮度L，沿某个特定方向上单位投影面积内的辐射源在单位立体角内的辐射通量7/29/20244第一篇：大气红外微波遥感黑体辐射强度与辐出度某一平面的辐出度等于整个半球内辐射强度的法向分量对整个半球立体角积分。对于朗伯体，辐射强度各向同性，辐出度与辐射率之间是简单的线性关系。7/29/20245第一篇：大气红外微波遥感面元交换与辐亮度测量垂直接收面源辐照度等于发射面辐射率与该面相对观测点所张立体角的乘积。问题：接收面法线与辐射流有夹角？7/29/20246第一篇：大气红外微波遥感辐射定律Planc定律 黑体辐射出射度仅仅是温度的函数。7/29/20247第一篇：大气红外微波遥感辐射定律Kirchhoff定律 黑体的发射率等于吸收率，等于1。物体吸收某一频率电磁能量，必然辐射相同频率电磁波。灰体（比发射率小于1）辐射等于同温下黑体辐射乘以比辐射率。7/29/20248第一篇：大气红外微波遥感辐射定律Vein定律 黑体辐射光谱极大值对应光谱与温度成反比。7/29/20249第一篇：大气红外微波遥感辐射定律RayleighJeans定律电磁波长大于1mm（微波），此时普朗克函数可以相当精确地展开为温度的线性函数。定义亮温TB对应的辐亮度等于同温度黑体的辐亮度，而对于灰体，其亮温低于物理温度。7/29/202410第一篇：大气红外微波遥感1.2大气吸收和发射分子光谱发射根据量子力学，孤立分子的能量由量子化的电子能、转动能和振动能构成。分子在外场作用下发生能量跃迁，必然伴随某一频率的电磁波被吸收或者发射。大气分子能量跃迁，既可能是单一能级跃迁，也可能是多能级同时跃迁，结果形成了复杂的光谱谱带系7/29/202411第一篇：大气红外微波遥感1.2大气吸收和发射分子光谱发射一般来说，分子电子能级最大，振动能级次之，转动能级最小。仅有电子跃迁，光谱主要位于可见光范围仅有转动跃迁，光谱主要位于微波范围而仅有振动跃迁发生时候，则光谱介于上面二者之间。7/29/202412第一篇：大气红外微波遥感分子转动振动光谱示意图7/29/202413第一篇：大气红外微波遥感1.2大气吸收和发射光谱加宽分子跃迁过程中，由于各种因素使得实际光谱线总是或多或少具有一定宽度。我们用线型来描述一条具有一定宽度的光谱线。显然线型即谱线强度在波数域上的概率分布。7/29/202414第一篇：大气红外微波遥感光谱自然加宽：洛伦兹线型能级跃迁过程中能级衰减引起光谱加宽。根据测不准原理，能级涨落与能级寿命成反比，能级涨落引起的谱线波数变化。根据量子力学，分子在i能级能量分布几率Pi(E)。7/29/202415第一篇：大气红外微波遥感温度加宽（Doppler加宽）当物体有相对观测者的径向移动时，物体辐射与接收辐射之间是DOPPLER关系。根据分子运动论，速度分布服从迈克斯伟尔定律Pt(v)。高层大气分子光谱计算时，温度加宽不容忽视。7/29/202416第一篇：大气红外微波遥感压力加宽（碰撞加宽）底层大气密度较密，分子之间碰撞能量转移引起的光谱加宽。至今，碰撞加宽线型还没有完全解决。最常用的是假定为洛伦兹线型。由于实际大气压力变化远远大于温度变化，可以看出压力加宽半宽主要决定于气压7/29/202417第一篇：大气红外微波遥感Dopplerlorentz混合加宽实际大气中，DOPPler加宽与洛伦兹加宽是同时存在的。在大气下层DOPPLER加宽可以忽略，但是到了某一个高度后二者就可以相当，在更高高度，DOPPLER加宽成为主要因素。同时考虑两种因素的线型称为Voight线型，基本上可以看成两种线型的卷积。7/29/202418第一篇：大气红外微波遥感1.2大气吸收和发射光谱吸收计算定义给定路径的光谱吸收光学厚度 光学路径长度u单色光谱透过率是光学厚度的指数函数定义光谱间隔上的透过率和吸收率A7/29/202419第一篇：大气红外微波遥感1.2大气吸收和发射光谱吸收计算逐线计算法假定在某个光谱间隔上有N条谱线，每条谱线的光谱吸收系数已知。逐条计算每条谱线的光学厚度，最终得到光谱间隔上的透过率。特点：精度高，可以计算不均匀路径，计算量大7/29/202420第一篇：大气红外微波遥感1.2大气吸收和发射光谱吸收计算单线谱带模式法用假定的谱带模式近似计算气体吸收。假定线型为洛伦兹线型，吸收气体路径均匀。计算简单7/29/202421第一篇：大气红外微波遥感1.2大气吸收和发射光谱吸收计算规则谱带模式法假定光谱间隔内是一系列间距为d的洛伦兹线型，吸收气体路径均匀。第i根谱线吸收系数只要谱线足够多，所有谱线在波数处吸收系数可以延展为i正负无穷求和。7/29/202422第一篇：大气红外微波遥感考虑间隔d上吸收系数，由于周期性该吸收系数等于整个光谱间隔内吸收系数。该式可以用数值积分的方法求解。7/29/202423第一篇：大气红外微波遥感谱带随机模式法假定光谱间隔内谱线位置具有显著的随机行。假定任意谱线在光谱间隔内出现几率相等，第i条谱线具有线强si的几率记为P(si）且符合几何分布。d是平均谱线间隔。课本P717-718有测定上述两个参数的方法说明7/29/202424第一篇：大气红外微波遥感谱带模式方法小结谱带模式方法计算光谱吸收可以大大减小计算量。在谱带模式中，通常作如下假定：吸收气体沿路径均匀分布，且吸收线型为LORENTZ线型。通常谱带模式方法的精度较低。实际大气均匀路径假定并不总是适用。因此curtisgodson提出用等效概念来处理非均匀大气，即定义沿路径的平均线强与光谱宽度，用该值代替前面方法中的相应量。7/29/202425第一篇：大气红外微波遥感1.2大气吸收和发射太阳与大气辐射太阳是地球能量源泉。太阳辐射主要集中在短波可见光区域。其中0.4-0.7微米波段地球大气吸收非常微弱，称为大气短波窗区。超过15微米，可以认为太阳辐射几乎可以忽略不计。太阳对地球辐射能力用太阳常数来表示。定义为日地平均距离出太阳辐照度。7/29/202426第一篇：大气红外微波遥感1.2大气吸收和发射太阳与大气辐射地球表面温度约300k，根据Vein定律，地球辐射最强波长在10微米附近，因此地球辐射也称为长波辐射。其中8-12微米波段地球大气吸收非常微弱，称为大气长波窗区。红外波段，地球可以看成黑体。但是在微波段，地面不再看成黑体。长波窗区与短波窗区提供了卫星遥感地表的重要通道。7/29/202427第一篇：大气红外微波遥感1.2大气吸收和发射太阳与大气辐射地球大气成份具有丰富的辐射吸收带。与大气遥感相关的吸收带主要有CO2的15微米和4.3微米吸收带。由于CO2在大气中混合均匀，是卫星遥感大气温度的理想吸收气体。O2的5mm微波吸收带。同样由于氧气的均匀混合特征，该波段被选用遥感大气温度廓线。O3吸收带主要位于短波紫外和可见光区，在长波窗区有一个著名的9.6微米带。H2O是大气中成份变化最剧烈的气体。著名的吸收带有6.3微米带，其2.7微米带与CO2吸收带有重叠。7/29/202428第一篇：大气红外微波遥感1.3非散射大气辐射传输红外波段，大气的散射效应可以忽略，辐射在大气中传播，主要的作用机制就是吸收。传感器接收的红外辐射调制了大气的某些状态信息，这也是红外大气遥感的物理基础。7/29/202429第一篇：大气红外微波遥感平面平行大气辐射传输假定大气处于热平衡假定大气水平均匀，大气辐射特性只随高度变化。定义垂直方向由大气上界向下计算的垂直光学厚度。整层大气光学厚度记为1。任意天顶角方向的光学厚度与垂直方向光学厚度之间关系如下7/29/202430第一篇：大气红外微波遥感平面平行大气辐射传输一束天顶为的辐射经过垂直厚度为dz的气层后强度变化可以表示为施瓦兹方程。该贝努里方程的形式解如右。其中向下辐射用表示，而均取正值。该解的物理意义明确。7/29/202431第一篇：大气红外微波遥感例：晴空大气辐射致冷如图，对于薄层气层来说，上下两个表面的辐入和辐出通量密度之差即该气层能量净收支，记为F，则该气层的温度变化率如下。显然，大气红外致冷最终归结到各高度层的辐射通量密度计算。7/29/202432第一篇：大气红外微波遥感如图，对于Z高度层，向上的辐射通量密度等于该层向上辐亮度的法向分量对半球立体角积分。同样可以得到向下的单位面积辐射通量密度。7/29/202433第一篇：大气红外微波遥感定义指数积分7/29/202434第一篇：大气红外微波遥感定义通量密度的漫透函数。对漫反射，漫透函数相当于透过函数在光学路径扩大到1.66倍时的值。显然，计算不同吸收带上的通量密度，即可估算该辐射引起的大气红外降温率。7/29/202435第一篇：大气红外微波遥感1.4大气温度的卫星红外遥感温度是描述大气状态的重要参数之一。最早是通过气球或者火箭探空来获得大气温度的垂直结构，至今仍然是获得局地大气温度结构的常用有效手段。在1961年的TIROS-2卫星上开始卫星遥感大气温度结构的方法实验，并在第三代美国气象卫星上正式投入业务应用。卫星遥感大气温度建立了卫星遥感的基本概念和方法，拉开了大规模的卫星遥感地球环境活动的序幕。7/29/202436第一篇：大气红外微波遥感卫星接收的红外辐射为了简单起见，假定卫星仪器视场正对地面，即天顶角等于0。在红外波段地面可以足够精确地看成黑体。显然，卫星接收辐射是由地面贡献和大气热辐射贡献两部分构成。7/29/202437第一篇：大气红外微波遥感温度遥感方程如果地面温度已知，大气的光学性质已知，那么地面辐射贡献可以从卫星接收辐射总扣除（订正）。订正后的卫星辐射由各层大气的热发射与透过率的高度变化率的乘积来决定。如果大气透过率已知，那么订正后的卫星辐射唯一由大气的温度结构来决定，这也是卫星遥感温度的物理基础。由于透过率与吸收气体密度分布有关，因此温度遥感不仅要求吸收气体具有丰富的吸收带，而且要求气体含量是定常的，即气体密度变化引起的透过率变化可以忽略。合适气体CO2和O2。另外一方面，如果大气温度结构已知，则订正后的卫星辐射唯一由大气的透过率结构来决定。透过率隐含气体密度信息，也是气体含量遥感的物理基础。7/29/202438第一篇：大气红外微波遥感遥感方程反演地面辐射订正，记为一般形式。核函数取（p-p0）则遥感方程有精确解。取核函数为常量，则遥感方程没有唯一解。只有核函数具有类似Dirac函数的尖峰形状，上述遥感方程才可能被反演，核函数越窄越好。核函数最大气层也称为有效信息层。实际温度遥感中，选择数个合适的观测通道，每个通道的核函数在不同高度达到最大，则这些气层高度温度可能被反演出来。7/29/202439第一篇：大气红外微波遥感直接线性反演温度遥感方程中，普朗克辐射量既是温度的函数也是波数的函数。为了消除波数的影响，选定一个固定参考波数，将普朗克函数展成波数变化项与温度变化项。选取M个通道，记每个通道波数i，i=1,2,M。显然，如果由遥感方程确定f(p)，即参考波数下的普朗克函数，进而反演温度。为此，将f(p)用N阶经验函数展开，遥感反演最终归结为确定展开系数fj7/29/202440第一篇：大气红外微波遥感直接线性反演温度遥感方程中，普朗克辐射量既是温度的函数也是波数的函数。为了消除波数的影响，选定一个固定参考波数，将普朗克函数展成波数变化项与温度变化项。选取M个通道，记每个通道波数i，i=1,2,M。显然，如果由遥感方程确定f(p)，即参考波数下的普朗克函数，进而反演温度。为此，将f(p)用N阶经验函数展开，遥感反演最终归结为确定展开系数fj7/29/202441第一篇：大气红外微波遥感约束直接线性反演由于仪器固有噪声导致的辐亮度测量误差，以及普朗克函数展开引起的误差，上述线性方程的解是不稳定的。需要附加一些约束条件来得到稳定的反演解。约束条件：辐亮度残差最小，以及反演解约束在气候统计平均值附近。是平滑系数。与直接线性反演相比，约束线性反演多了一个平滑项，进而保证解的稳定性。7/29/202442第一篇：大气红外微波遥感数值迭代chachine根据权函数性质，对于给定通道，大气顶辐亮度可以用该气层温度普朗克辐射表示（中值定理）。同样有气层期望温度T(Pi)时期望辐亮度。显然给定猜测温度，则可由上述迭代方程获得期望温度。7/29/202443第一篇：大气红外微波遥感Chachine迭代步骤(a)各气层温度T(n)(Pi)猜测初始值(b)代入遥感方程计算各通道的期望辐亮度(c)计算辐亮度与观测辐亮度比较，所有通道结果都辐射残差标准时则此时T(n)(Pi)即反演结果，否则继续(d)利用张驰迭代方程计算各气层新的温度猜测值T(n1)(Pi)，并重复步骤（b)7/29/202444第一篇：大气红外微波遥感猜测温度T(50)=T(400)=T(1000)=260Ii=Bi(1000)i(1000)+Bi(900)i(600)i(1000)+Bi(400)i(150)-i(600)+Bi(50)i(10)-i(150)计算得到76.9,82.3,85.2,不满足新的温度值 228,238,254K计算得到 45.7,55.3,71.6 228,239,259K 45.3,56.4,74.4 228,239,262K 45.2,56.7,75.9 228,239,264K 45.2,56.8,76.7，结束Chachine迭代算例假定卫星有三个通道（波数cm-1），各通道透过率如表。辐亮度mw/m2/ster/cm-1，气压用mb表示。地面温度280k。气压676.7708.7756.7100.860.960.981500.050.650.8760000.090.611000000.21辐亮度45.256.577.8信息层504009007/29/202445第一篇：大气红外微波遥感Smith迭代对于给定温度，有辐亮度。二者相减并假定普朗克函数差不依赖气压P得到有迭代关系式。基于i通道得到新温度。各独立通道的温度做加权平均得到反映气层温度的新结果。7/29/202446第一篇：大气红外微波遥感统计反演基于遥感方程的反演方法称为物理反演。实际应用中往往大量使用统计反演，这是由于辐射与大气介质相互作用的复杂性，遥感方程本身还比较粗糙，有时候甚至不能用明确的遥感方程来描述。统计反演的基础是卫星接收辐亮度与遥感目标之间有统计相关性。对历史资料（卫星资料与地面资料）做统计回归找出这种联系。统计反演时，需要对卫星资料做必要的处理，以便剔除一些 与遥感目标无关的因素。7/29/202447第一篇：大气红外微波遥感1.4大气温度的微波遥感由于云对红外辐射是不透明的，因此红外温度遥感只适合在晴空无云天气条件下的温度遥感。考虑到微波对云雨的强穿透能力，在红外温度遥感的基础上发展了卫星微波温度遥感，解决了云雨天气下的大气垂直温度遥感问题。微波遥感大气温度，主要是利用O2的5mm微波吸收带。1979年6月发射的国防气象卫星上首次开展了大气温度垂直分布的微波遥感业务。7/29/202448第一篇：大气红外微波遥感微波温度遥感方程在微波段，地面不再看成黑体，地面比发射率小于1。此时，卫星接收的微波辐射不仅有大气向上热发射、地面热发射的贡献，还有大气向下热发射经地面反射辐射的贡献。显然，微波温度遥感方程中核函数不仅有红外温度遥感方程同样的要求，而且由于核函数中包含地面比发射率项，因此必须安排特定的通道来确定比发射率或者把它从遥感方程中消除。7/29/202449第一篇：大气红外微波遥感温度遥感小结无论co215微米带，4.3微米带还是O2的5mm带，都是利用吸收气体的热发射以及不同高度层对辐射的贡献差异来遥感大气温度。卫星遥感大气温度应该具备如下条件选用的吸收气体混合比已知，最好是定常的，消除气体浓度变化对辐射传输的影响。火星与金星可以使用co2，而木星可以使用CH4的7.7微米带。选用吸收气体具有丰富的吸收带，而且不能与气体气体吸收带重叠大气处于局地热平衡状态，太阳辐射以及散射效应可以忽略不计。地球80km以下大气属于这种情况。卫星反演温度结果的检验也存在难度，表现在卫星资料与地面探空资料在时间，空间上的一致性差异，以及不可避免的测量误差的影响。7/29/202450第一篇：大气红外微波遥感引申：地面温度遥感卫星遥感大气温度垂直结构时，为了把地面热辐射贡献从卫星接收辐射中扣除，要求地面温度是已知的。问题是，如何由卫星遥感地面温度？回到辐射传输方程。如果选择波段位于大气窗区，即大气吸收可以忽略，大气透过率等于1，则很容易得到如下关系：卫星接收辐亮度就是地面黑体辐亮度！然而，即使选择波段位于大气窗口，由于水汽实际大气也还是有一定的吸收特性。为了消除实际大气吸收因素，通常采样分裂窗法，利用2个通道来消除水汽吸收影响，提高反演地面温度的精度。7/29/202451第一篇：大气红外微波遥感引申：卫星视场云含量卫星红外遥感时，如果视场部分有云，我们也希望利用这部分数据，进而扩展卫星资料的使用范围。问题是，如何确定视场内云量？假定视场内云量百分比Nc，则无云区域百分比（1-Nc）。地面或者云团的面辐射强度可以由其它无云区域或者满视场云区域的强度来确定，那么结合部分有云区域的辐亮度可以最终确定视场内云的比率。7/29/202452第一篇：大气红外微波遥感1.5 大气成份的红外/微波遥感大气温度遥感奠定了卫星遥感的基本概念与方法。除此之外，大气中的水汽，微量成份，气溶胶，云，降水等也是大气遥感的重要领域。7/29/202453第一篇：大气红外微波遥感成份遥感方程回到辐射传输方程（#）。用分步积分可以写成（#）式。如果大气温度已知，则（#）式即反演吸收气体透过率的遥感方程。由于透过率与吸收气体的密度或者混合比紧密相关，（#）可能导出气体密度廓线。注意到气体密度包含在积分式，因此实际反演要困难得多。7/29/202454第一篇：大气红外微波遥感临边遥感平流层大气成份，比如O3，H2O，CO2等在天气气候过程及大气化学中有重要作用，但是含量稀少。如果用垂直探测这些气体的热发射的方法来遥感它们的含量，则由于辐射太弱很难得到较高的精度。卫星技术出现之后发展了一种临边遥感技术，用小光学视场仪器扫描地球的边缘并接收来自地球高层薄层气体辐射，进而反演高层大气特性。7/29/202455第一篇：大气红外微波遥感临边遥感几何结构由已知气体确定温度，如上。温度确定后得到吸收气体的总发射率，与气体密度总量有关。7/29/202456第一篇：大气红外微波遥感临边遥感特点大气密度和压力随高度呈指数衰减，所以只在切点之上几公里高度范围内的辐射能被仪器接收所有辐射均来自大气，不用考虑下垫面沿水平路径有较大的不透明性（路径长），对探测痕量气体特别有用。随着高度降低，射线路径越来越长，信号也就越来越长，但是 由于大气不透明程度也越来越大，使得切点处信号到不了探测器，因此该方法不适宜探测10-15km以下的大气层。水平方向大气成份剧烈变化以及路径上面的云层将对探测有重要影响。由于观测仪器视场狭窄，卫星扫描辐射观测方向强烈依赖卫星位置的精确定位，否则观测结果是没有意义的。7/29/202457第一篇：大气红外微波遥感水汽密度廓线22Ghz附近，水汽的微波光学厚度有上述近似关系。对于海洋表面，其大气光学厚度可以通过测定精确海温辐射度后获得。在光学厚度表达式中，f类似一个权函数，22.23，21.90，19.00GHz对应不同的高度分布特征，22.3随着气压下降而上升，而19随着气压下降二下降，21.9大约在10-15km有一个峰值。这一方法通常用于海面之上水汽密度廓线测量。7/29/202458第一篇：大气红外微波遥感云中液态水测量在22GHz与40Ghz附近，亮温可以近似表示为。此时透射比主要受水汽和液态水的影响。Q0，W0是经验常数，Q,W分别是水汽和液态水。在地面比辐射率和温度已知时,可以由22GHz与40Ghz两个通道的亮温来求解。统计法。7/29/202459第一篇：大气红外微波遥感卫星红外云图3.55-3.93微米称为短波红外云图，10.5-12.4称为长波红外云图。在10.5-12.5微米太阳辐射完全忽略。由于在该波段大气吸收可以忽略不计，地面和云面都可以近似看成黑体，则卫星上面接收的辐射就是地面和云面的Planc发射。显然，如果将卫星接收的辐射转换成图像，辐射大用黑色表示，辐射小用白色表示，则云图的色调分布其实就是温度分布图。由于大气温度随高度递减，所以根据色调深浅能判断云的种类，例如高云一般呈白色，而低云呈暗色。利用大气温度递减率，由红外云图估算云高。上面把云看成黑体，实际情况并非如此。因此由卫星观测的辐射推算表面温度比实际的低，由此求出的云顶高度偏高。由于H2O在这一波段的吸收，以及H2O成份的变化多端，反演温度时存在很大的不确定性。3.55-3.93微米位于太阳辐射光谱曲线与地球大气辐射光谱曲线相互交迭处，所以在白天这一通道测得的辐射不仅包含地面自身发射的辐射，还包含有云地表面反射的太阳辐射。与长波云图相比，短波云图测温精度要高，而且在这一波段大气透过率近似0.9，大气透过率相对稳定。但是，白天太阳辐射的污染问题必须想办法消除。7/29/202460第一篇：大气红外微波遥感