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第七章大气辐射在遥感中的应用兰州大学大气科学学院专业必修课-《大气辐射与遥感》授课人：王天河2015·春季第七章大气辐射在遥感中的应用§7.1引言§7.2利用透射的太阳光进行遥感§7.2.1气溶胶光学厚度和尺度谱的确定§7.2.2确定臭氧总量§7.2.3临边消光技术§7.3应用反射的太阳光进行遥感§7.3.1卫星-太阳几何光学和理论基础§7.3.2臭氧的卫星遥感§7.3.3气溶胶的卫星遥感§7.3.4陆地表面的卫星遥感§7.3.5云的光学厚度和粒子尺度*本章节主要参考K.N.LIOU《大气辐射导论》(第二版)P359-P453§7.4利用发射的红外辐射进行遥感§7.4.1地球表面温度的确定§7.4.2温度廓线的遥感§7.4.3水汽和痕量气体廓线的遥感§7.4.4云的红外遥感§7.4.5红外冷却率和地表通量的遥感§7.5利用发射的微波辐射进行遥感§7.5.1微波波谱和微波辐射传输§7.5.2由微波发射辐射确定降雨率和水汽§7.5.3微波探测器的温度反演§7.6利用激光和微波能量进行遥感§7.6.1后向散射方程§7.6.2激光雷达的差分吸收方法§7.6.3激光雷达的差分退偏方法§7.6.4用于研究云的毫米波雷达§7.5利用发射的微波辐射进行遥感§7.5.1微波波谱和微波辐射传输在微波辐射区，只有水分子和氧分子表现出明显的吸收线。标准大气的垂直大气透射比在微波区随频率和波长的变化示意图鉴于大气中水滴(约10μm)和冰晶(约100μm)的大小，对微波(约1cm)散射的影响通常很小。因此，作为一个很好的近似，在讨论微波的辐射传输时，可以忽略散射的贡献。在局地热力学平衡条件下，对于无散射大气的辐射传输方程的解为：由于微波辐射区的反射率通常小于1，所以地表面有显著的反射贡献，从地表发射的辐亮度为：（7.5.1）（7.5.2）地表发射辐射的贡献整层大气向地表发射辐射的贡献，而地表同时以相同的频率反射回大气一部分辐射。带入方程(7.5.2)定义的下边界条件，向上的辐亮度可表示为：频率域的普朗克函数在微波区可近似为：与此类似，定义一个相当亮温：微波辐射传输的解可表示为：（7.5.3）（7.5.4）（7.5.5）（7.5.6）方程(7.5.6)中各项表示的晴空大气顶亮温的贡献（包括地表发射辐射和反射辐射，以及大气发射辐射的贡献）用于卫星遥感透射比通常相对于大气顶来表示，方程中(7.5.6)中的透射比可表示为把方程(7.5.8)代入到方程(7.5.6)中，整理各项，同时令（7.5.7）（7.5.8）微波辐射传输的解可表示为：其中大气的源项为：注意事项：(1)微波区地表发射率从0.4到1.0变化。陆地上取决于土壤湿度，干土壤0.95-0.97，湿裸土0.80-0.90；海洋上一般在0.4-0.6，随盐度、海冰、海表粗糙度、海洋泡沫等变化。此外还依赖于频率，频率越高，发射率值越大。(2)海洋发射辐射是偏振的，可计算垂直和平行的发射率分量。（7.5.9）（7.5.10）平静和粗糙海洋表面对一组微波频率的发射率微波辐射传输的重要应用之一：确定大气的液态水和水汽含量，因为微波能穿透厚云和降水，而在红外谱区是不透明的。云和降水在微波谱区的辐射性质特点：(1)冰晶基本不吸收微波辐射，而只散射它；(2)水滴和雨滴既吸收又散射，但以吸收为主；(3)冰和水的散射和吸收都随频率而增加。根据冰和水的散射吸收性质，微波波谱可划分为3个区：频率低于约22GHz吸收比散射更重要；60GHz附近散射比吸收更重要；20～60GHz之间散射和吸收都很重要。§7.5.2由微波发射辐射确定降雨率和水汽冰粒子和水粒子的散射和吸收取决于它们的尺度相对于微波频率的大小。当频率在22～31GHz范围时，冰晶的散射作用可忽略不计，即冰晶云对此微波频率是透明的，使得它们对探测降雨率非常理想。为了求得液态水含量和水汽含量，需研究出一个参数化方程组，使得液态水和水汽含量能够显式确定。参考微波辐射传输方程的解(7.5.6)，对两个积分项进行分部积分：（7.5.11a）定义2个变量：方程(7.5.11a)可改写为：（7.5.11b）（7.5.11c）（7.5.12）检查微波光谱，发现频率低于40GHz时：方程(7.5.12)近似为：频率低于40GHz的透射比主要是由水汽和液态水吸收造成的，即：对于频率低于40GHz对的晴空，液态水透射比近似为：类似的方法应用于22GHz，则水汽投射比近似为：（7.5.13a）（7.5.13b）（7.5.13c）（7.5.13d）把方程(7.5.13c)和(7.5.13d)代入方程(7.5.13a)，略去含有Q和W的二阶项，则得到：假定地表温度和发射率已知，则可利用40GHz和22GHz左右的亮温实测值确定Q和W，其中wi和qi是与所选定的频率、地表温度、发射率及经验参数Q0和W0有关的系数，通常是在已知大气廓线时根据一组已知的亮温及液态水含量和水汽含量，用统计方法确定。（7.5.14）（7.5.15）降雨率与雨滴的尺度分部有关。雨滴尺度谱可在地表测量，Marshall&Palmer(1948)根据测量结果提出了一种适当的指数形式：据研究斜率因子只依赖于降雨率R:根据Marshall&Palmer尺度分布，可证明就纯粹的吸收和发射而言，可根据(7.5.15)，将亮温与LWP(或Q)直接联系起来，因此如果云粒子尺度相当或大于发射辐射波长时，云粒子散射贡献非常重要，需结合降雨率反演推导包括散射的辐射传输解。nD()=n0exp-LD()L=41R-0.21LWP=kR-0.84亮温在三个频率上随海洋和陆地上空降雨率的变化：（1）陆地上，TB随降雨率的增加而下降，频率越高，影响越大；（2）海洋上，由于海表发射率较低，因此TB最初是随降雨率增加而增大。微波探测器的优点：波长较长，受云和降水的影响要小得多。根据微波辐射传输解由于地表反射率得影响，权函数可定义为：§7.5.3微波探测器的温度反演(a)SSM/T的7个通道和(b)AMSU的12个通道在陆地上空天底位置的权函数§7.6利用激光和微波能量进行遥感单个粒子或分子的散射强度可表示为：为了讨论方便，略去下标，单个粒子的后向散射通量密度为：定义一个后向散射截面：令发射功率为Pt,截面积为At，则入射通量可表示为§7.6.1后向散射方程：理论基础III,^s=III,^issr2P2,1Q()4pFsp()=Fissr2Pp()4pFisp=Fsp()4pr2sp=ssPp()Fi=PtAt（7.6.1）（7.6.2）（7.6.3）（7.6.5）脉冲激光雷达系统的后向散射示意图脉冲长度接收器孔径面积为Ar，则接收到的后向散射功率为：在有效散射体积内，平均后向散射功率为：接收点的后向散射能量为：其中即激光雷达(或雷达)方程。你能说出每个参数的意义吗？Pr0=Fsp()Ar=PtArr2Pp()4pssAt（7.6.6a）Pr0=PtArr2Pp()4pssAt=PtArr2Pp()4pbsDh2（7.6.6b）Prr()=PtArr2Pp()4pbsDh2exp-2be¢r()d¢r0rò{}=PtCArbpr()Dh8pr2exp-2be¢r()d¢r0rò{}（7.6.7）bp=Pp()bs雷达方程的未知数：后向散射系数和消光系数除非这两个未知数能够唯一联系起来，否则不可能研究绝对意义上的回波功率信息。对瑞利散射而言：两参数之间有恒定的关系。对米散射而言：相函数取决于尺度参数，后向散射相函数也是尺度参数的函数，且变动很大。对于多分散球形粒子，后向散射相函数的起伏变化通常被平均了，通常可确定一些有用的近似值。bp,bePrr()=PtCArbpr()Dh8pr2exp-2be¢r()d¢r0rò{}PRp()=31+cos2p()4=1.5bpR=Pp()bs=1.5bs为求取体消光系数廓线而进行的激光雷达后向散射资料的反演，在激光雷达领域是一个需要继续研究的课题。信号变量定义：微分形式：建立了消光系数和后向散射系数的关系，就可以研究一种方法由信号推求消光系数廓线，而消光系数廓线也可以与气溶胶和云粒子的尺度和浓度建立联系。Sr()=lnr2Prr()éëùûdSr()dr=1bpdbpdr-2ber()（7.6.8）§7.6.2激光雷达的差分吸收方法差分吸收激光雷达利用气体在两个波长的吸收性质，并要求一个可调谐激光器产生所研究波长的吸收线峰值及低吸收谱区的第二波长。在晴空大气条件下，给定波长的消光系数由气溶胶的消光和有关气体的吸收构成：选择气溶胶光学性质大致相同的两个波长，对雷达方程进行对数运算，得到如下归一化的后向散射功率：bel()=be,Al()+rakl()lnPrr()Ptéëêùûúi=lnCArbpr()Dh8pr2éëêùûúi-2beli()d¢r0ròi=1,2（7.6.9）（7.6.10）由于两波长很靠近，气溶胶散射和消光性质大致相同，两波长做减法运算：其中：一旦吸收系数已知，则由两个波长进行的后向散射测量就可以给出气体密度的廓线。现在的技术已经能够生产出准确调谐到各种气体吸收线上的激光，这促进了大气中差分吸收激光雷达系统的开发。（7.6.11）lnˆP1,2»-2rar()kl1()-kl2()éëùûdr0ròˆP1,2=Prr()Ptéëêùûú1Prr()Ptéëêùûú2§7.6.3激光雷达的退偏方法参考有偏振信息的雷达方程，可将发射功率Pt产生为垂直偏振或水平偏振的两个分量，还可以设计一种探测器能同时测量偏振的两个分量。这种方法又给粒子增加了特征信息，称为退偏技术。后向散射退偏比定义为：对水滴而言，退偏比接近于零。对冰晶而言，退偏比随其形状和大小变化于50%~70%之间。该技术还可用于探测冰晶的取向。如：垂直指向的激光雷达探测水平取向板状冰晶，退偏比为零，当偏离几度扫描，退偏比显著增加。（7.6.12）d=Pr,||Pt,^§7.6.4用于研究云的毫米波雷达常规气象雷达通常选择哪种波长？你知道理由吗？雷达波长的选择仅限于大气气体吸收很弱的那些谱区。8.6mmKa带3.2mmW带2.14mmF带1.36mmG带毫米波雷达比厘米波具有明显的优点：（1）很小的天线可产生非常窄的射束；（2）瑞利散射增益可以减少对高功率发射器的需求。由于云粒子通常比毫米波小的多，可遵循瑞利散射理论。云粒子散射截面：不考虑衰减时的平均回波强度ss=128p23l4a6K2K=m2-1m2+2sp=ss×PRp()=p5l4K2D6bp=p5l4K2ZZ=D6nD()òdD（7.6.13）（7.6.14）（7.6.15）（7.6.16）Prr()=Cr2K2Z（7.6.17）