大气遥感方法-被动红外遥感

10:25大气红外微波遥感1一个台湾人做的卫星遥感10:25大气红外微波遥感2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(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。10:25大气红外微波遥感3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。10:25大气红外微波遥感4•平面平行大气•局地热平衡•垂直方向光学厚度•向下辐射用－表示，而均取正值。该解的物理意义明确。/e),()e,I(),I()/-(-)/-(-111dBdzkTBdzkIdI)()(TBIddI卫星接收的红外辐射10:25大气红外微波遥感5卫星接收的红外辐射dppdepdpqdkgepdpgqdzqgdpdzPzdkevvpvvzvv)()(]1[exp)(//][exp)(-0-00质量混合比定义坐标下由静力平衡方程dp(p)B(p))(p)B(TI(0)0psssp10:25大气红外微波遥感6推论1•观测波段位于大气窗区，则=1，此时卫星接收的辐射即等于地面的辐射。•根据黑体的辐射定律，黑体辐射仅仅与温度有关，从而可以反推温度•实际大气中，即使选择大气窗区波段，大气也还是有轻微吸收的，比如水汽吸收。因此地面温度遥感业务通常选用2个以上的波段来消除大气轻微吸收的影响，提高测温度精度。分裂窗方法下通常近似有物理温度是两个波段亮度温度的线性函数，则由统计方法确定有关系数即可。)(svvPBI12)(32kThehcTB10:25大气红外微波遥感7推论200')()]([)()]([ssPvvPvdppKpTfdppppTBIptdppqkgp0)(1exp[)(扣除地面辐射贡献，得到标准的遥感方程，W成为权函数。第一类傅雷得赫姆方程10:25大气红外微波遥感8推论2•为了遥感温度，显然我们希望权函数是定常的,即消除气体浓度变化对辐射传输的影响。吸收气体均匀混合q＝const最佳，同时该气体要有丰富的吸收带，而且不与其它气体吸收带重叠。地球大气中满足该两项要求者CO2与O2。•火星与金星可以使用CO2，而木星可以使用CH4的7.7微米带。])(1exp[)(dppqkgpt10:25大气红外微波遥感9推论3•回到原始方程，经分步积分有第二类弗雷德霍姆方程•假定温度已知，则气体含量信息隐藏在光学厚度的积分式中。•此时，planc函数的温度变化是遥感透过率的权函数。])(1exp[)(dppqkgpt)#(#dpB(p)(p)B(T(0))-I(0))(#dp(p)B(p))(p)B(T-I(0)0p0psssspp10:25大气红外微波遥感10推论4•只有权函数具有类似dirac函数特征时，遥感方程才可能有反演解。•首先，假定权函数是常数，则有无穷组合满足遥感方程，遥感方程无解！•假定某通道吸收气体光学性质如下，显然可以确定P0高度的大气温度分布。00,0,)(PPPPpWv)]([)()]([00'pTBdppKpTfIsPvvv10:25大气红外微波遥感11123Ppp)(•假定有一系列通道分别由类似的光学性质，•则可以类似确定一系列高度的温度分布。•再经差值得出整个大气的垂直温度分布。10:25大气红外微波遥感12讨论5光谱加宽与权函数•考虑吸收线翼区。均匀混合气体密度与气压高度变化成正比。TTPPPPvvvvpvkLLLLL0000200220)(1)(1),(dzdpbpPPvvpvkL0200)(1),(dpgqdz10:25大气红外微波遥感13讨论5光谱加宽与权函数•均匀混合气体密度与气压高度变化成正比，则权函数在气压2/b平方根处达到极值。气压2/b层也成为有效信息层。22'pbzddzdpbpzkdzz)2exp(ln)(22pbbppp10:25大气红外微波遥感14权函数算例1010010000权函数高度10:25大气红外微波遥感15图：HIRS各通道权函数10:25大气红外微波遥感16HIRS部分通道权函数通道号中心波长主要吸收峰值高度115.0CO230214.7CO260314.4CO2100414.2CO2250514.0CO2500613.6CO2/H2O750713.4CO2/H2O90010:25大气红外微波遥感17讨论6简化的权重函数•假定温度是z的缓慢变化的单调函数，将B在平均温度附近展开有，此时，planc函数的温度变化率与透过率的高度变化率之积将是温度的直接权函数。000'][)()(][)()]([)(][][sssPvPvvPvvvvvdpTTppTBdpppTBdppppTBITTTBTBTB10:25大气红外微波遥感18发射辐射的临边探测•卫星遥感除了普通的下视探测（传感器向着地面）外，临边探测也是一种重要的方式。临边探测是用光学视场很窄的探测器向着与地球相切的方向进行观测，对于一定的大气层，临边时的光学厚度比下视探测时要厚得多，有可能探测并研究浓度极低的微量气体成份。10:25大气红外微波遥感19dxsensorx]),(exp[),(),(],[xvvvvvdhkhxdxxhxhTBI0222),,())(()(2)()(dzzhvWzTBIhzRxRhxRzvv10:25大气红外微波遥感20临边遥感权函数•显然，如果测量混合均匀气体的发射辐射（数个谱线则可），通过测量不同地球切线高度的辐射得到温度分布。•同样，由权函数可以看出，发射辐射的决大部分贡献来自临近h的高度。因此，温度已知时有可能确定成份含量分布。10:25大气红外微波遥感21•由发射辐射确定吸收气体总量)(],[)](1][,[)],(),(][,[),(],[hhTBhhTBhhhTBdxxhxhTBIvvvvvvvvvvdzhzRzkqdxxkqhv2)()()(10:25大气红外微波遥感22遥感反演•不是所有的遥感方程都有反演解。•由于存在测量误差，有些方程的解是非适定的。•从遥感方程出发得到反演解的过程称为物理反演，•有些遥感没有明确的遥感方程，但是其遥感解是真实存在的，10:25大气红外微波遥感23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fjppppTpvr)()(K))((Bf(p),cdIgdp)(f(p)Kg0psvvdpTcpTr))((B))((Biiiggp)(KKiNjjjpWfpf1)()(10:25大气红外微波遥感24直接线性反演dp)((p)KW1,2,...Mi,,dp)((p)KWg0pj0pjsspAfApfiijjjijjijiGAAAA*1*)(FNMA1NF1MGFG该矩阵有形式解矩阵。是列矢量是列矢量，是其中10:25大气红外微波遥感25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。NkfQfNfffgfAkjjiijijij,...2,1,01)()(Q22NNNNNNNNNH111111111111GAH)AA(F0HFGA-AFA*1-***其中10:25大气红外微波遥感26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。)))(pT(BII~(B)T(p))(pT(B))(T(pBII~lnp|ln(p)))(pT(BIlnp|ln(p)))(T(pBI~iiii1-iiiiiiiiiiiiiiiipppp10:25大气红外微波遥感27Chachine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(n＋1)(Pi)，并重复步骤（b)dp(p)(T(p))BI0piispi10:25大气红外微波遥感28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228,238,254°K计算得到45.7,55.3,71.6228,239,259°K45.3,56.4,74.4228,239,262°K45.2,56.7,75.9228,239,264°K45.2,56.8,76.7，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5040090010:25大气红外微波遥感29Smith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。iiiiiiiiiipWpWppp)(/)(TTT]I~-I[)B(T)B(T)B(T)B(TI-Idp(p))]B(T)[B(T)(p)]B(T-)B(T[I-Idp(p))B(T)(p)B(TIdp(p))B(T)(p)B(TI1)(n1)(n1)(ni(n)i(n)1)(n1)(n(n)1)(ni(n)i1)(n0p(n)s1)(ns(n)s1)(ni(n)i0p1)(ns1)(ns1)(ni0p(n)s(n)