一個臺灣人做的衛(wèi)星遙感3/13/20241大氣紅外微波遙感大氣紅外微波遙感行星地球溫度約300k，大氣具有豐富的紅外和微波吸收帶。紅外和微波輻射的特點是，它們的波長遠遠大于大氣分子的直徑，此時散射效應(yīng)可以忽略不計，因此電磁輻射的主要作用機制是吸收(發(fā)射)。利用地基與空基平臺傳感器探測的大氣熱輻射信號，反演大氣溫度，水汽，云，降水以及某些大氣痕量氣體的時空分布構(gòu)成了大氣紅外、微波遙感的主要內(nèi)容。3/13/20242大氣紅外微波遙感大氣溫度的衛(wèi)星紅外遙感溫度是描述大氣狀態(tài)的重要參數(shù)之一。最早是通過氣球或者火箭探空來獲得大氣溫度的垂直結(jié)構(gòu)，至今仍然是獲得局地大氣溫度結(jié)構(gòu)的常用有效手段。在1961年的TIROS-2衛(wèi)星上開始衛(wèi)星遙感大氣溫度結(jié)構(gòu)的方法實驗，并在第三代美國氣象衛(wèi)星上正式投入業(yè)務(wù)應(yīng)用。衛(wèi)星遙感大氣溫度建立了衛(wèi)星遙感的基本概念和方法，拉開了大規(guī)模的衛(wèi)星遙感地球環(huán)境活動的序幕。3/13/20243大氣紅外微波遙感平面平行大氣局地?zé)崞胶獯怪狈较蚬鈱W(xué)厚度向下輻射用－表示，而均取正值。該解的物理意義明確。衛(wèi)星接收的紅外輻射3/13/20244大氣紅外微波遙感衛(wèi)星接收的紅外輻射3/13/20245大氣紅外微波遙感推論1觀測波段位于大氣窗區(qū)，則

=1，此時衛(wèi)星接收的輻射即等于地面的輻射。根據(jù)黑體的輻射定律，黑體輻射僅僅與溫度有關(guān)，從而可以反推溫度實際大氣中，即使選擇大氣窗區(qū)波段，大氣也還是有輕微吸收的，比如水汽吸收。因此地面溫度遙感業(yè)務(wù)通常選用2個以上的波段來消除大氣輕微吸收的影響，提高測溫度精度。分裂窗方法下通常近似有物理溫度是兩個波段亮度溫度的線性函數(shù)，則由統(tǒng)計方法確定有關(guān)系數(shù)即可。3/13/20246大氣紅外微波遙感推論2扣除地面輻射貢獻，得到標準的遙感方程，W成為權(quán)函數(shù)。第一類傅雷得赫姆方程3/13/20247大氣紅外微波遙感推論2為了遙感溫度，顯然我們希望權(quán)函數(shù)是定常的,即消除氣體濃度變化對輻射傳輸?shù)挠绊憽Ｎ諝怏w均勻混合q＝const最佳，同時該氣體要有豐富的吸收帶，而且不與其它氣體吸收帶重疊。地球大氣中滿足該兩項要求者CO2與O2?；鹦桥c金星可以使用CO2，而木星可以使用CH4的7.7微米帶。3/13/20248大氣紅外微波遙感推論3回到原始方程，經(jīng)分步積分有第二類弗雷德霍姆方程假定溫度已知，則氣體含量信息隱藏在光學(xué)厚度的積分式中。此時，planc函數(shù)的溫度變化是遙感透過率的權(quán)函數(shù)。3/13/20249大氣紅外微波遙感推論4只有權(quán)函數(shù)具有類似dirac函數(shù)特征時，遙感方程才可能有反演解。首先，假定權(quán)函數(shù)是常數(shù)，則有無窮組合滿足遙感方程，遙感方程無解！假定某通道吸收氣體光學(xué)性質(zhì)如下，顯然可以確定P0高度的大氣溫度分布。3/13/202410大氣紅外微波遙感123P假定有一系列通道分別由類似的光學(xué)性質(zhì)，則可以類似確定一系列高度的溫度分布。再經(jīng)差值得出整個大氣的垂直溫度分布。3/13/202411大氣紅外微波遙感討論5光譜加寬與權(quán)函數(shù)

考慮吸收線翼區(qū)。均勻混合氣體密度與氣壓高度變化成正比。3/13/202412大氣紅外微波遙感討論5光譜加寬與權(quán)函數(shù)

均勻混合氣體密度與氣壓高度變化成正比，則權(quán)函數(shù)在氣壓2/b平方根處達到極值。氣壓2/b層也成為有效信息層。3/13/202413大氣紅外微波遙感權(quán)函數(shù)算例3/13/202414大氣紅外微波遙感圖：HIRS各通道權(quán)函數(shù)3/13/202415大氣紅外微波遙感HIRS部分通道權(quán)函數(shù)通道號中心波長主要吸收峰值高度115.0CO230214.7CO260314.4CO2100414.2CO2250514.0CO2500613.6CO2/H2O750713.4CO2/H2O9003/13/202416大氣紅外微波遙感討論6簡化的權(quán)重函數(shù)假定溫度是z的緩慢變化的單調(diào)函數(shù)，將B在平均溫度附近展開有，此時，planc函數(shù)的溫度變化率與透過率的高度變化率之積將是溫度的直接權(quán)函數(shù)。3/13/202417大氣紅外微波遙感發(fā)射輻射的臨邊探測衛(wèi)星遙感除了普通的下視探測（傳感器向著地面）外，臨邊探測也是一種重要的方式。臨邊探測是用光學(xué)視場很窄的探測器向著與地球相切的方向進行觀測，對于一定的大氣層，臨邊時的光學(xué)厚度比下視探測時要厚得多，有可能探測并研究濃度極低的微量氣體成份。3/13/202418大氣紅外微波遙感dxsensorx3/13/202419大氣紅外微波遙感臨邊遙感權(quán)函數(shù)顯然，如果測量混合均勻氣體的發(fā)射輻射（數(shù)個譜線則可），通過測量不同地球切線高度的輻射得到溫度分布。同樣，由權(quán)函數(shù)可以看出，發(fā)射輻射的決大部分貢獻來自臨近h的高度。因此，溫度已知時有可能確定成份含量分布。3/13/202420大氣紅外微波遙感由發(fā)射輻射確定吸收氣體總量3/13/202421大氣紅外微波遙感遙感反演不是所有的遙感方程都有反演解。由于存在測量誤差，有些方程的解是非適定的。從遙感方程出發(fā)得到反演解的過程稱為物理反演，有些遙感沒有明確的遙感方程，但是其遙感解是真實存在的，3/13/202422大氣紅外微波遙感直接線性反演溫度遙感方程中，普朗克輻射量既是溫度的函數(shù)也是波數(shù)的函數(shù)。為了消除波數(shù)的影響，選定一個固定參考波數(shù)，將普朗克函數(shù)展成波數(shù)變化項與溫度變化項。選取M個通道，記每個通道波數(shù)

i，i=1,2,…M。顯然，如果由遙感方程確定f(p)，即參考波數(shù)下的普朗克函數(shù)，進而反演溫度。為此，將f(p)用N階經(jīng)驗函數(shù)展開，遙感反演最終歸結(jié)為確定展開系數(shù)fj3/13/202423大氣紅外微波遙感直接線性反演3/13/202424大氣紅外微波遙感約束直接線性反演由于儀器固有噪聲導(dǎo)致的輻亮度測量誤差，以及普朗克函數(shù)展開引起的誤差，上述線性方程的解是不穩(wěn)定的。需要附加一些約束條件來得到穩(wěn)定的反演解。約束條件：輻亮度殘差最小，以及反演解約束在氣候統(tǒng)計平均值附近。

是平滑系數(shù)。與直接線性反演相比，約束線性反演多了一個平滑項，進而保證解的穩(wěn)定性。3/13/202425大氣紅外微波遙感數(shù)值迭代－chachine根據(jù)權(quán)函數(shù)性質(zhì)，對于給定通道，大氣頂輻亮度可以用該氣層溫度普朗克輻射表示（中值定理）。同樣有氣層期望溫度T’(Pi)時期望輻亮度。顯然給定猜測溫度，則可由上述迭代方程獲得期望溫度。3/13/202426大氣紅外微波遙感Chachine迭代步驟(a)各氣層溫度T(n)(Pi)猜測初始值(b)代入遙感方程計算各通道的期望輻亮度(c)計算輻亮度與觀測輻亮度比較，所有通道結(jié)果都輻射殘差標準時則此時T(n)(Pi)即反演結(jié)果，否則繼續(xù)(d)利用張馳迭代方程計算各氣層新的溫度猜測值T(n＋1)(Pi)，并重復(fù)步驟（b)3/13/202427大氣紅外微波遙感猜測溫度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)]計算得到76.9,82.3,85.2,不滿足新的溫度值228,238,254°K計算得到45.7,55.3,71.6

228,239,259°K45.3,56.4,74.4

228,239,262°K45.2,56.7,75.9

228,239,264°K45.2,56.8,76.7，結(jié)束Chachine迭代算例假定衛(wèi)星有三個通道（波數(shù)cm-1），各通道透過率如表。輻亮度mw/m2/ster/cm-1，氣壓用mb表示。地面溫度280k。氣壓676.7708.7756.7100.860.960.981500.050.650.8760000.090.611000000.21輻亮度45.256.577.8信息層504009003/13/202428大氣紅外微波遙感Smith迭代對于給定溫度，有輻亮度。二者相減并假定普朗克函數(shù)差不依賴氣壓P得到有迭代關(guān)系式?；趇通道得到新溫度。各獨立通道的溫度做加權(quán)平均得到反映氣層溫度的新結(jié)果。3/13/202429大氣紅外微波遙感統(tǒng)計反演基于遙感方程的反演方法稱為物理反演。實際應(yīng)用中往往大量使用統(tǒng)計反演，這是由于輻射與大氣介質(zhì)相互作用的復(fù)雜性，遙感方程本身還比較粗糙，有時候甚至不能用明確的遙感方程來描述。統(tǒng)計反演的基礎(chǔ)是衛(wèi)星接收輻亮度與遙感目標之間有統(tǒng)計相關(guān)性。對歷史資料（衛(wèi)星資料與地面資料）做統(tǒng)計回歸找出這種聯(lián)系。統(tǒng)計反演時，需要對衛(wèi)星資料做必要的處理，以便剔除一些與遙感目標無關(guān)的因素。3/13/202430大氣紅外微波遙感大氣溫度的微波遙感由于云對紅外輻射是不透明的，因此紅外溫度遙感只適合在晴空無云天氣條件下的溫度遙感?？紤]到微波對云雨的強穿透能力，在紅外溫度遙感的基礎(chǔ)上發(fā)展了衛(wèi)星微波溫度遙感，解決了云雨天氣下的大氣垂直溫度遙感問題。微波遙感大氣溫度，主要是利用O2的5mm微波吸收帶。1979年6月發(fā)射的國防氣象衛(wèi)星上首次開展了大氣溫度垂直分布的微波遙感業(yè)務(wù)。3/13/202431大氣紅外微波遙感微波溫度遙感方程3/13/202432大氣紅外微波遙感微波溫度遙感方程在微波段，地面不再看成黑體，地面比發(fā)射率小于1。此時，衛(wèi)星接收的微波輻射不僅有大氣向上熱發(fā)射、地面熱發(fā)射的貢獻，還有大氣向下熱發(fā)射經(jīng)地面反射輻射的貢獻。顯然，微波溫度遙感方程中核函數(shù)不僅有紅外溫度遙感方程同樣的要求，而且由于核函數(shù)中包含地面比發(fā)射率項，因此必須安排特定的通道來確定比發(fā)射率或者把它從遙感方程中消除。3/13/202433大氣紅外微波遙感溫度遙感小結(jié)無論co215微米帶，4.3微米帶還是O2的5mm帶，都是利用吸收氣體的熱發(fā)射以及不同高度層對輻射的貢獻差異來遙感大氣溫度。衛(wèi)星遙感大氣溫度應(yīng)該具備如下條件選用的吸收氣體混合比已知，最好是定常的，消除氣體濃度變化對輻射傳輸?shù)挠绊??；鹦桥c金星可以使用co2，而木星可以使用CH4的7.7微米帶。選用吸收氣體具有豐富的吸收帶，而且不能與氣體氣體吸收帶重疊大氣處于局地?zé)崞胶鉅顟B(tài)，太陽輻射以及散射效應(yīng)可以忽略不計。地球80km以下大氣屬于這種情況。衛(wèi)星反演溫度結(jié)果的檢驗也存在難度，表現(xiàn)在衛(wèi)星資料與地面探空資料在時間，空間上的一致性差異，以及不可避免的測量誤差的影響。3/13/202434大氣紅外微波遙感引申：地面溫度遙感衛(wèi)星遙感大氣溫度垂直結(jié)構(gòu)時，為了把地面熱輻射貢獻從衛(wèi)星接收輻射中扣除，要求地面溫度是已知的。問題是，如何由衛(wèi)星遙感地面溫度？回到輻射傳輸方程。如果選擇波段位于大氣窗區(qū)，即大氣吸收可以忽略，大氣透過率等于1，則很容易得到如下關(guān)系：衛(wèi)星接收輻亮度就是地面黑體輻亮度！然而，即使選擇波段位于大氣窗口，由于水汽實際大氣也還是有一定的吸收特性。為了消除實際大氣吸收因素，通常采樣分裂窗法，利用2個通道來消除水汽吸收影響，提高反演地面溫度的精度。3/13/202435大氣紅外微波遙感引申：衛(wèi)星視場云含量衛(wèi)星紅外遙感時，如果視場部分有云，我們也希望利用這部分數(shù)據(jù)，進而擴展衛(wèi)星資料的使用范圍。問題是，如何確定視場內(nèi)云量？假定視場內(nèi)云量百分比Nc，則無云區(qū)域百分比（1-Nc）。地面或者云團的面輻射強度可以由其它無云區(qū)域或者滿視場云區(qū)域的強度來確定，那么結(jié)合部分有云區(qū)域的輻亮度可以最終確定視場內(nèi)云的比率。3/13/202436大氣紅外微波遙感大氣成份的紅外/微波遙感大氣溫度遙感奠定了衛(wèi)星遙感的基本概念與方法。除此之外，大氣中的水汽，微量成份，氣溶膠，云，降水等也是大氣遙感的重要領(lǐng)域。3/13/202437大氣紅外微波遙感成份遙感方程回到輻射傳輸方程（#）。用分步積分可以寫成（##）式。如果大氣溫度已知，則（##）式即反演吸收氣體透過率的遙感方程。由于透過率與吸收氣體的密度或者混合比緊密相關(guān)，（##）可能導(dǎo)出氣體密度廓線。注意到氣體密度包含在積分式，因此實際反演要困難得多。3/13/202438大氣紅外微波遙感臨邊遙感平流層大氣成份，比如O3，H2O，CO2等在天氣氣候過程及大氣化學(xué)中有重要作用，但是含量稀少。如果用垂直探測這些氣體的熱發(fā)射的方法來遙感它們的含量，則由于輻射太弱很難得到較高的精度。衛(wèi)星技術(shù)出現(xiàn)之后發(fā)展了一種臨邊遙感技術(shù)，用小光學(xué)視場儀器掃描地球的邊緣并接收來自地球高層薄層氣體輻射，進而反演高層大氣特性。3/13/202439大氣紅外微波遙感臨邊遙感幾何結(jié)構(gòu)由已知氣體確定溫度，如上。溫度確定后得到吸收氣體的總發(fā)射率，與氣體密度總量有關(guān)。3/13/202440大氣紅外微波遙感臨邊遙感特點大氣密度和壓力隨高度呈指數(shù)衰減，所以只在切點之上幾公里高度范圍內(nèi)的輻射能被儀器接收所有輻射均來自大氣，不用考慮下墊面沿水平路徑有較大的不透明性（路徑長），對探測痕量氣體特別有用。隨著高度降低，射線路徑越來越長，信號也就越來越長，但是由于大氣不透明程度也越來越大，使得切點處信號到不了探測器，因此該方法不適宜探測10-15km以下的大氣層。水平方向大氣成份劇烈變化以及路徑上面的云層將對探測有重要影響。由于觀測儀器視場狹窄，衛(wèi)星掃描輻射觀測方向強烈依賴衛(wèi)星位置的精確定位，否則觀測結(jié)果是沒有意義的。3/13/202441大氣紅外微波遙感水汽密度廓線22Ghz附近，水汽的微波光學(xué)厚度有上述近似關(guān)系。對于海洋表面，其大氣光學(xué)厚度可以通過測定精確海溫輻射度后獲得。在光學(xué)厚度表達式中，f類似一個權(quán)函數(shù)，22.23，21.90，19.00GHz對應(yīng)不同的高度分布特征，22.3隨著氣壓下降而上升，而19隨著氣壓下降二下降，21.9大約在10-15km有一個峰值。這一方法通常用于海面之上水汽密度廓線測量。3/13/202442大氣紅外微波遙感云中液態(tài)水測量在22GHz與40Ghz附近，亮溫可以近似表示為。此時透射比主要受水汽和液態(tài)水的影響。Q0，W0是經(jīng)驗常數(shù)，Q,W分別是水汽和液態(tài)水。在地面比輻射率和溫度已知時,可以由22GHz與40Ghz兩個通道的亮溫來求解。統(tǒng)計法。3/13/202443大氣紅外微波遙感水汽圖在紅外波段5.7-7.3微米，中心波長約6.7微米，是水汽的一個重要吸收帶。因此，衛(wèi)星在這一吸收帶測量的輻射主要是大氣中水汽發(fā)出的。將衛(wèi)星在這一波段測得的輻射轉(zhuǎn)換成圖像就得到水汽圖。通常在水汽圖上色調(diào)愈白，表示水汽越多，色調(diào)越黑表示水汽越少。實際上，由于水汽的吸收，當大氣中水汽含量很大時，衛(wèi)星測得輻射來自大氣上層，而大氣中水汽含量較少時，衛(wèi)星測得輻射來自較低高度大氣層3/13/202444大氣紅外微波遙感2005年10月31FY2C水汽圖3/13/202445大氣紅外微波遙感水汽紅外遙感大氣層紅外貢獻是由透過率與普朗克函數(shù)的高度變化率的乘積組成，進一步觀察可以看出，氣體密度其實是隱藏在透過率里面的的。在溫度已知情況下，普朗克函數(shù)是已知的，從原理上面來說是能夠把氣體密度反演出來的。氣體透過率強烈依賴待測水汽的密度，這與溫度遙感時透過率對溫度的依賴關(guān)系較小明顯不同。這是由于這一不同，對該方程的遙感反演也困難得多，沒有明確的數(shù)學(xué)分析方法可以遵循?；貧w法是衛(wèi)星遙感中對物理機制異常復(fù)雜或者物理機制不明確情況下普遍采樣的方法。

3/13/202446大氣紅外微波遙感衛(wèi)星紅外云圖3.55-3.93微米稱為短波紅外云圖，10.5-12.4稱為長波紅外云圖。在10.5-12.5微米太陽輻射完全忽略。由于在該波段大氣吸收可以忽略不計，地面和云面都可以近似看成黑體，則衛(wèi)星上面接收的輻射就是地面和云面的Planc發(fā)射。顯然，如果將衛(wèi)星接收的輻射轉(zhuǎn)換成圖像，輻射大用黑色表示，輻射小用白色表示，則云圖的色調(diào)分布其實就是溫度分布圖。由于大氣溫度隨高度遞減，所以根據(jù)色調(diào)深淺能判斷云的種類，例如高云一般呈白色，而低云呈暗色。利用大氣溫度遞減率，由紅外云圖估算云高。上面把云看成黑體，實際情況并非如此。因此由衛(wèi)星觀測的輻射推算表面溫度比實際的低，由此求出的云頂高度偏高。由于H2O在這一波段的吸收，以及H2O成份的變化多端，反演溫度時存在很大的不確定性。3.55-3.93微米位于太陽輻射光譜曲線與地球大氣輻射光譜曲線相互交迭處，所以在白天這一通道測得的輻射不僅包含地面自身發(fā)射的輻射，還包含有云地表面反射的太陽輻射。與長波云圖相比，短波云圖測溫精度要高，而且在這一波段大氣透過率近似0.9，大氣透過率相對穩(wěn)定。但是，白天太陽輻射的污染問題必須想辦法消除。3/13/202447大氣紅外微波遙感紅外云圖1衛(wèi)星在紅外波段所選用的通道有3.55-3.93，10.5-12.5微米。3.55-3.93微米稱為短波紅外云圖，而10.5-12.4稱為長波紅外云圖。如果將衛(wèi)星接收的輻射轉(zhuǎn)換成圖像，輻射大用黑色表示，輻射小用白色表示，則云圖的色調(diào)分布其實就是溫度分布圖。由于大氣溫度隨高度遞減，所以根據(jù)色調(diào)深淺能判斷云的種類，例如高云一般呈白色，而低云呈暗色。

在10.5-12.5微米波段接受的輻射是地面和云面發(fā)射的紅外輻射，太陽輻射完全忽略。3/13/202448大氣紅外微波遙感紅外云圖23.55-3.93微米位于太陽輻射光譜曲線與地球大氣輻射光譜曲線相互交迭處，所以在白天這一通道測得的輻射不僅包含地面自身發(fā)射的輻射，還包含有云地表面反射的太陽輻射。與長波云圖相比，短波云圖測溫精度要高，而且在這一波段大氣透過率近似0.9，大氣透過率相對穩(wěn)定。但是，白天太陽輻射的污染問題必須想辦法消除。上面把云看成黑體，實際情況并非如此。因此由衛(wèi)星觀測的輻射推算表面溫度比實際的低，由此求出的云頂高度偏高。由于H2O在這一波段的吸收，以及H2O成份的變化多端，反演溫度時存在很大的不確定性。

3/13/202449大氣紅外微波遙感紅外云圖云圖2005年10月31F