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1、天空辐射亮度与大气条件的相关性研究姓名： * 专业：光学工程研究方向：传统与现代色度学指导老师： * 培养单位：云南师范大学2015 年 1 月云南师范大学研究生课程论文1 摘要由于大气成分在空间分布的不均匀性和大气的污染, 随着空气组分和气溶胶含量、形状、性质、粒径、浓度等因素的空间分布差异, 卫星遥感图像上各点的大气辐射亮度是不同的。 因此可以根据这些不同的大气辐射遥感值分析太阳辐射在大气传输过程中与不同地点的不同空气组分，进而了解地面上空的大气状况和质量。本文就是基于这种理论， 采用边缘观测遥感模式， 拟定模拟方案， 进行辐射亮度模拟，最后根据模拟结果，分析观测几何、云、水汽、地表特性对
2、大气辐射亮度的影响。 结果显示， 在研究条件下， 选定的研究参数 对辐射亮度的影响随波段和切点高度的不同而不同。关键字：辐射亮度，大气成分，遥感，边缘观测，切点高度。云南师范大学研究生课程论文2 目录第一章绪论 . 31.1 课题研究意义 . 31.2 研究方法和原理 . 3第二章辐射亮度与大气条件相关性研究. 72.1 影响辐射亮度的大气条件 . 72.2 切高云的高度和厚度对辐射亮度的影响 . 72.3 大气水汽的高度和浓度对辐射亮度的影响 . 11 第三章研究总结 . 13 致谢 . 14 参考文献 . 15 云南师范大学研究生课程论文3 第一章绪论1.1 课题研究意义地球表层大气成分大
3、致包括云、水汽、温室气体、微量气体和气溶胶。人类的生产生活对大气成分的改变影响很大，近年来， 各种环境问题比如臭氧层空洞，全球变暖， 冰山融化， 森林退化， 物种灭绝等都是人类活动造成大气成分变化的直接不良后果。 为了解决或改善这些问题， 对大气结构进行研究就显得尤为重要了。长期以来， 研究人员通过各种技术和研究方法对大气体系进行了研究，相对传统探测技术，卫星遥感能够提供一个全球三维动态的大气痕量气体剖面和总量测量, 其中新一代星载大气边缘散射观测技术，可提供 1-3km 垂直分辨率和全球覆盖的痕量大气成分剖面测量。通过这种卫星遥感技术获得的遥感图像清晰、全面、易于分析，然后通过遥感数据模拟技
4、术对遥感数据进行处理，可以为遥感数据的质量和应用潜力评估提供模拟仿真资料。 天空背景辐射亮度参数是大气光学特性的重要参数之一，研究该模式辐射亮度的影响因素， 可以模拟天空中的大气变化情况，为解决一系列环境问题提供信息支持，在环境研究领域具有重要作用和意义。1.2 研究方法和原理当前，新技术和新方法的应用，为天空辐射亮度的测量提供了快捷与可行的方式，国内外已经有不少研究人员已经通过各种手段对此进行了研究，并且获得了丰富的实用数据和研究成果， 很多的结论对以后的深入研究具有极强的指导意义。刘伟峰等人1运用新研制的天空背景辐射参数测量系统TKFS01 ， 进行天空背景辐射亮度测量，并进一步分析了测量
5、结果。 通过对实验结果进行分析得到：（1）整个光谱上的夫琅和费暗线较多，而且在不同大气条件下， 各条夫琅和费暗线是不同的，CE318太阳辐射计的工作波长只有4 个： 1020nm 、 440nm 、 670nm 、 870nm ，通过数据拟合 CE318不可能准确反映出整个光谱信息， 计算得到的光谱积分亮度误差较大； （2） 天空背景辐射参数测量系统是分光谱测量设备，光谱分辨率 1 am ，能够准确测量整个光谱波段信息， 进而能够得到准确的光谱积分亮度信息； （3）云南师范大学研究生课程论文4 在 600nm 900nm波段内， CE318太阳辐射计的数据处理结果与天空背景辐射参数测量系统的测
6、量数据相当， 有较强的一致性， 说明 CE318的数据处理方法具有一定的可行性。 另外，他通过对不同天气条件下的数据结果的比较，认为天空背景辐射亮度基本上受太阳高度角、太阳角及大气洁净程度的影响， 并且得到了天空背景辐射亮度的基本分布规律：（1）天空背景辐射亮度随着太阳高度角的降低，呈现递减趋势；（2）天空背景辐射亮度随着太阳角的减小，呈现递增趋势；（3）天空背景辐射亮度空间分布基本上呈现以太阳为中心的对称分布，但在近地面由于大气中尘埃含量较大，对太阳光散射作用较强， 出现低仰角， 虽然太阳角比较大，而天空背景辐射亮度较大的现象；（4）在天气晴朗、大气比较洁净情况下，目标运行轨道上仰角大于30
7、。的天空背景辐射亮度 (600nm900nm波段积分) 小于 14 W m-2sr-1。何志芳2研究了太阳光度计 CE-318在天空观测（ 主要在大气气溶胶的观测）方面的应用，并且介绍了太阳光度计的工作原理、数据存储格式及解读方法。CE-318 由一个光学头、一个控制箱和一个双轴步进马达系统组成，光学头带有两个瞄准筒： 一个用于测量太阳直射辐射不带聚光透镜，另一个用于天空辐射测量带有聚光透镜；在光学头上还装有四象限探测器用于太阳自动跟踪时的微调。控制箱内装有 2 个微处理器，分别用于数据获取和步进马达系统的控制；步进马达系统具有方位和测量高度角两个自由度，由时间方程来控制太阳的初步跟踪，用四象
8、限探测器系统作精密跟踪。这种全自动跟踪扫描太阳辐射计能够测得直射太阳辐射数据和天空扫描数据，并通过这类数据来计算大气通透率，反演气溶胶光学和其他特性， 如粒度谱、 相函数等。 从而通过大气气溶胶光学厚度判断天空亮度的日变化和随季节的不同或天气状况的不同而产生的变化。时向勇等人3运用 MODIS 遥感数字图像为主要研究对象，提出了一种在复杂地面背景下计算非均匀大气辐射亮度的数学优化算法，并围绕生成的大气辐射遥感数字图像进行了相关应用研究。所做的研究工作有： （1）提出了一种基于SVM算法的 MODIS 遥感影像的云检测方法，该方法有效结合了基于NDVI 、近红外反射率比值、可见光反射率的云检测方
9、法和SVM 算法，在保证成片厚云被识别的前提下，利用 SVM 算法重点检测离散薄云像素点, 提高了云检测的准确度 , 避免了由于云误判产生的后续大气程辐射误差。(2) 提出了一种非均匀大气辐射亮度的数云南师范大学研究生课程论文5 学优化方法。 该方法从光学遥感影像的点成像公式出发，通过对太阳辐射传输机制机理的分析， 研究了不同种类像元大气程辐射遥感值的计算机制与方法，建立了非均匀大气程辐射的数学优化模型。孟雪琴4研究了地球大气背景的光谱辐射特性，首先从理论上研究了辐射在大气中传输的基本过程； 然后分析了求解辐射传输方程所用到的光学厚度、相函数和单次散射反照率等参数的计算方法；其次根据地球大气背
10、景的辐射特性建立了一种遥感地球大气背景辐射亮度的计算模型，并计算了在一定的天气状况、 地表情况、太阳位置和观察方向等情形下的地球大气背景光谱辐射亮度，为遥感反演地球资源和仿真地球大气背景场景提供了一种算法。刘伟峰等人5设计了一套天空背景辐射参数测量系统，实现了程序引导，自动沿空间目标飞行轨迹进行天空背景辐射测量。应用该套天空背景辐射参数测量系统进行了天空背景辐射亮度测量实验研究，并分析了实测数据， 初步得出了天空背景辐射特征，从分析结果可以看出实测数据与理论具有较好的一致性。金丽华等人6通过大气辐射传输模型模拟 Limb 观测的方式对大气辐射亮度进行了研究，分析了此观测模式下获取的辐射亮度的影
11、响因素及其影响效果。此研究过程中选用 SCIATRAN2.2.2 模型模拟 Limb 模式辐射亮度，选择其中的观测几何、云、气溶胶、地表特性和痕量气体等参数作为研究参数。通过卫星遥感技术获得观测数据， 最后根据数据模拟出结果， 分析了各个研究参数的敏感性，结果表明，研究参数中除二氧化碳和甲烷气体外，均为大气辐射亮度影响因素，但是各个因素的影响随波段和切点高度不同而不同。为了获得大气辐射亮度在不同大气条件下的数据，往往要采用多种观测模式，那么常用的观测模式有如下两种：(1)最低点观测模式：这种模式是沿着卫星轨道横向扫描，观测方向垂直于卫星轨道方向， 探测范围可以覆盖全球， 空间分辨率由卫星运行速
12、度、 垂直轨道方向扫描速度和传感器综合处理时间共同决定。这种模式下传感器接收到的是卫星正下方大气散射和反射的太阳辐射信息，传感器自身将其中的反射太阳辐射信息去除，最终得到大气散射信息。 最低点观测模式具有覆盖范围广的优点，但这种观测模式获取的痕量气体总量信息仅限于平流层，剖面垂直分辨率不高7。(2) 边缘（ Limb）观测模式：这种观测模式是从地平面开始，仪器向前沿着云南师范大学研究生课程论文6 切线扫描大气， 在每个沿方位角上的扫描结束时，切点高程相应增加， 然后在新的切点高度上进行沿方位角上扫描。 在该模式下通过方位角和高程两个方向上扫描记录大气散射， 两个方向的空间分辨率都受整合时间影响，垂直分辨率还和几何视场、仪器的指示稳定性和大气多次散射有关，水平方向 (垂直轨道方向 ) 上的空间分辨率和空间覆盖还与切点有关。这种模式观测视线直接指向大气，传感器接收到的是大气散射的太阳辐射。 边缘观测模式可以提供高分辨率的大气成分垂直剖面图像，而且它的观测范围可以覆盖全球8。通过对以往研究的过的归纳和比较， 可以看出边缘模式观测大气中不同切线高度的太阳辐射光谱， 提供了比最低点模式更好的垂直分辨率。所以本文采用边缘观测模式采集不同大气条件下的大气辐射亮度数据。在该种观测模式下观测大气散射的几何关系， 根据研究目标、 客观条件
