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1、第三章 气象卫星遥感大气基本原理和资料产品,电磁波谱,1,太阳、地球-大气系统辐射及其在大气中传输特性,2,卫星云图观测原理,3,气象卫星的定量产品简介,4,气象卫星遥感地球大气的温度、湿度和云雨演变等气象要素是通过探测地球大气系统发射或反射的电磁辐射而实现的，电磁辐射是气象卫星遥感的基础。为了准确地掌握气象卫星探测大气的原理和应用卫星资料，必须对辐射的基本概念、基本定律及辐射在地球大气系统内的传输规律有清楚的了解。,第一节 电磁波谱 电磁波谱包括宇宙射线、太阳辐射、热辐射、无线电波等。 电磁波段的划分,r 射线： 波长10-11 10-4nm，生成：放射性元素蜕变，特征：几兆电子伏特。x 射
2、线： 波长10-5 0.0045m，生成：原子内部的电子从激发态恢复到稳态，特征：波长短，频率高能穿透密度很大的物质。紫外线：波长10-50.35 m，生成：原子和分子内部的电子状态改变，特征：频率较高，各种物质对短的紫外线有吸收。可见光：波长0.40 0.76 m，生成：原子内部的电子状态，特征：对人眼有特殊的刺激。红外线：波长0.76 1000 m，生成：分子、原子的振动转动，特征：与温度有关。微 波：波长1mm 30cm。生成：分子转动。大于30厘米的波称无线电波。,r射线治脑瘤,医用X线机,临床上常用的x线检查方法有透视和摄片两种。x线检查是临床辅助诊断方法之一。 工业中用来探伤。长期
3、受X射线辐射对人体有伤害。X射线可激发荧光、使气体电离、使感光乳胶感光，故X射线可用于电离计、闪烁计数器和感光乳胶片等检测。晶体的点阵结构对X射线可产生显著的衍射作用，X射线衍射法已成为研究晶体结构、形貌和各种缺陷的重要手段。,r射线爆炸,紫外线(ultraviolet ray),紫外线有化学作用能使照相底片感光，荧光作用强，日光灯、各种荧光灯和农业上用来诱杀害虫的黑光灯都是用紫外线激发荧光物质发光的; 还可以防伪;紫外线还有生理作用，能杀菌、消毒、治疗皮肤病和软骨病等;紫外线的粒子性较强，能使各种金属产生光电效应。 分类：近紫外线UVA，远紫外线UVB和超短紫外线UVC。 UVB的照射造成人
4、体皮肤伤害；UVA紫外线会使皮肤晒黑。,红外线辐射治疗仪,红外线（infrared rays）,生活中高温杀菌，红外线夜视仪，监控设备，手机的红外口，宾馆的房门卡，汽车、电视机的遥控器、洗手池的红外感应，饭店门前的感应门。 所有高于绝对零度（-273.15）的物质都可以产生红外线。 医用红外线可分为两类：近红外线与远红外线。,可见光辐射：是绿色植物进行光合作用所必须的和有效的太阳辐射能,占总辐射4550。 可见光云图:图像的黑白程度是表示地面和云面的反照率大小，白色表示反照率大，黑色表示反照率小。 可见光遥感:传统航空摄影侦察和航空摄影测绘中最常用的，可得到具有很高地面分辨率和判读与地图制图性
5、能的黑白全色或彩色影像。 可见光通信技术：做成的系统能够覆盖室内灯光达到的范围，电脑不需要电线连接，因而具有广泛的开发前景。,微波： 基本性质通常呈现为穿透、反射、吸收三个特性。对于玻璃、塑料和瓷器，微波几乎是穿越而不被吸收。对于水和食物等就会吸收微波而使自身发热。而对金属类东西，则会反射微波。,可见光卫星云图：可见光卫星云图利用云顶反射太阳光的原理制成，比较厚的云层反射能力强，会显示出亮白色，云层较薄则显示暗灰色。 选用波段： 在可见光波段，静止卫星采用波段为0.52-0.75m.,红外线卫星云图：利用卫星上红外线仪器，来测量云层温度。温度低的云层会以亮白色来显示，即此处的云层较高，暗灰色的
6、部分则代表云层高度较低。 选用波段：10.5-12.5m的红外波段。,气象卫星云图选用的电磁波段,采取红外波段的原因？,水汽图：卫星接收到的辐射决定于水汽含量，大气中水汽含量越多，发射的辐射越小；水汽含量越少，大气低层的辐射越可以透过水汽到达卫星，则卫星接收的辐射越大。在水汽图上，色调越白，辐射越小，水汽越多；否则越少。 选用波段：以 6-7m水汽吸收谱段接收大气中水汽发射的辐射，并以图象表示便得到水汽图。在这一波段，水汽一面接收来自下面的辐射，又以自身较低的温度发射红外辐射。,在气象卫星遥感测量中，主要采用可见光、红外和微波波段，电磁波谱的各分谱段的划分常没有严格界线，在两谱段之间的边界是渐
7、变的，可根据使用目的而分，例如把0.38-3.0微米称为反射波段,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，不同波段内使用不同的传感器。,在被动式气象卫星遥感系统中，主要辐射源是太阳和地球大气系统，其能量光谱分布几乎遍及整个电磁波谱范围。辐射源发射的辐射与地表、大气等目标物相互作用，其辐射被目标物反射、透射或吸收，强度和光谱分布都会发生变化，从而产生目标物的各种信息。为此要清楚认识遥感波
8、段、遥感信息、太阳和地球大气系统辐射，及其光谱特征。一、太阳辐射及其光谱特征 太阳：6000K火球，直径139.14万公里，是地球的104倍；日地平均距离d0=1.495108公里。 太阳辐射用太阳常数、太阳光谱(在大气顶处、在地面处）描述。,第二节 太阳和地球-大气系统辐射,1、太阳常数：指在不考虑大气作用，在平均日-地距离处，垂直于太阳入射的表面上接收到太阳的辐照度。根据高空气球、飞机、卫星测量到的太阳常数数值为1353瓦/平方米，其估计误差为21瓦/平方米。太阳常数的变化与太阳黑子数有关。由太阳常数可以计算单位时间内太阳辐射的总能量为式中d0是日地平均距离，S0是太阳常数。Q单位为瓦。,
9、能量平衡：到达地球大气顶的太阳辐射通过大气时，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，辐射最大值位于0.47微米,色温度Tc 。1/4能量在波长0.47微米的谱段内，46%的能量在0.400.76m的可见光波段。假设太阳是理想的黑体，则可由斯蒂芬-波尔兹曼定律和维恩位移公式计算出太阳的有效温度Te:,太阳最大辐射波长, 二、太阳吸收光谱（如图）：该光谱与6000K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
10、外光0.2 -0.3m ；0.32-0.36m；可见光0.6-4.75m。 O2吸收：紫外、可见光。 H2O吸收：0.5m；0.7-0.8m。 CO2吸收：3.5 m。,太阳辐射和大气对其的吸收光谱,大气气体的吸收谱带,地面及其覆盖物对太阳辐射的反射,太阳光通过大气被吸收和散射后，到达地面的辐射一部分被地面吸收，部分又被反射到空间。地表面反射的强弱与物体的反照率和太阳高度角有关，反照率随波长、地面颜色、干湿度、粗糙度和太阳高度角而变。,1. 地面土壤粒子结构、土壤水分对反照率的影响：通常土壤颗粒越小，颗粒间的空隙越小，吸收越少反射越大。干燥的砂质土具有较高的反照率，随土壤湿度加大，反照率明显减
11、小。土壤湿度增大到一定值时，反照率将缓慢减小，当土壤达到吸湿极限时，反照率将几乎不变。,三种不同含水量砂土的光谱反射曲线,不同土壤湿度下含沙壤土的反射率,2、植被的反照率： （1）有植被覆盖的地表反照率有植被覆盖的地表，其反照率与植物的种类、地面覆盖度、作物生长发育和颜色有关。绿色植物的反照率决定于体内叶绿素和水的吸收，叶绿素在0.45、0.67微米附近有强吸收，水在1.4微米和1.9微米处有强吸收，所以绿色植物在0.55微米和近红外(0.761.10微米）处有强反射和低吸收。,可见光-中红外小麦叶子的反射光谱,叶子反射率、水吸收率的反相关系,作物在生长和衰老期间光谱变化,衰老期小麦叶子反射光
12、谱,（2）不同生长期作物反照率,（3）土壤对植物光谱的影响,植被的反射光谱是植被和下垫面土壤反射率的组合,叶子光学特性的改变主要发生在植物幼小期和成熟衰老期，周年生植物或落叶树叶的大部分时间保持常定的光学特性，是以叶绿素含量为时间的函数。,（a）不同种类作物和裸地的反照率 （b）作物覆盖率和生物量对反照率的影响,（4）不同种类的作物及状况对反照率的影响,3、冰雪的反照率：雪的反照率在小于0.8微米波段几乎接近100，在大于0.8微米波段随波长的增加而减小。新雪和陈雪之间也有明显的差异。在可见光波段，两者的反照率较高，相差很小，但近红外波段，其反照率明显下降，陈雪的反照率减小得更快，在1.8或2
13、.2微米的反射峰明显减弱。在0.5-1.1微米波段，云和雪的反照率都很高，差异很小，在中红外波段，1.55-1.75微米和2.10-2.35微米，云层有很高的反照率，雪的反照率很低。用中红外波段可以将云与雪区分开；冬季雪融化时，可以利用红外波段识别积雪。,盆地积雪区较山地积雪均匀；,东北和蒙古地区的积雪、华北地区（S）和中原地区（N）、渤海湾（B）四周陆地有积雪区；,弧型分布的喜马拉雅山地积雪,冰雪覆盖区在可见光云图上表现为灰白到白色不等，冰雪厚度越厚，色调越白。在卫星云图上积雪深度超过3厘米才能清楚地表现出来。在红外云图上，有雪覆盖的地区色调比四周地区更白。积雪区的亮度决定于积雪区内是否有植
14、被、植被的种类以及有多少植被为积雪所覆盖。如果积雪很浅，在可见光云图上容易看出，在红外云图上不容易看出，这因为雪面与四周地表的色调相差很小，而雪面的反照率比无雪的地表要大许多。,4、水体的反射特性:水的反照率与水的混浊度，含盐量和叶绿素的浓度有关。利用它们这些关系可以探测水中泥沙量，叶绿素等。 在可见光波段水体的吸收最小，即透过率最大在0.48微米左右；在0.5-0.6微米内,对清洁水的穿透深度约为10米,0.6-0.7微米波段约为3米, 0.7-0.8微米波段为1米，而在0.8-1.1微米波段只能达到10厘米。,清水的吸收系数,混浊水体的反照率：悬浮泥沙是影响水体光谱响应的主要因素之一。浊水
15、的反照率比清水高得多，浊水的反射峰值出现在更长的波长上。在0.60.7微米波段内的反照率与水体的混浊度是呈线性相关的，由此可推算水中的泥沙量。叶绿素对水体反照率的影响:水体中叶绿素浓度增加时，可见光波段蓝光部分的反照率显著下降，但绿光部分的反照率则上升。叶绿素浓度值是衡量水体初级生产力和富营养化作用的有用指标。,不同叶绿素浓度的海水反照率,0.51.0微米波段天然清水和混水的反照率,不同覆盖物的反照率随波长的变化,5、反照率随波长的变化：反照率是波长的函数，各种物体的反照率随波长的变化不一样，选择波段，可将某些物体区别开来。从可见光到近红外波段，干燥土壤的反照率随波长增大而增大，潮湿土壤则增加
16、较小，水体的反照率随波长加大而减小。,6、云层的反照率：云的反照率与云的厚度、云的种类和组成有关。云层愈厚，反照率愈大，积雨云反照率最大，水滴组成的云比冰晶组成的云(同厚度）的反照率要大。云层增多，反照率增加。第一层云的透过率是第二层云的2倍，第二层云的透过率是第三层云的2倍。多层云的反照率较高。,多层云对太阳辐射的反射,云层反照率、吸收率和透过率的关系,三、大气窗和大气吸收带通过大气的太阳辐射或地球大气辐射将被大气中某些气体所吸收，这些吸收随波长的变化很大，在某些波段的吸收很强，而在另一些波段的吸收则很弱，在这些吸收最弱的波段，太阳辐射和地球大气辐射可以象光通过窗户那样透过大气，这些波段称做大气窗。大气窗主要出现在强吸收带或线之间。,大气窗区各波段,太阳或地球-大气的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，在一些波段吸收很强，在另一些波段吸收很弱或没有吸收。对辐射吸收很强的波段就称为该气体的吸收带。,
