大学卫星气象学课件.ppt

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1、大学卫星气象学第三章第三章 气象卫星遥感大气基本气象卫星遥感大气基本 原理和资料产品原理和资料产品 电磁波谱电磁波谱1太阳、地球太阳、地球-大气系统辐射及其在大气中传输特性大气系统辐射及其在大气中传输特性 2卫星云图观测原理卫星云图观测原理3气象卫星的定量产品简介气象卫星的定量产品简介4大学卫星气象学第一节第一节 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。电磁波段的划分电磁波段的划分电子跃迁可见光宇宙射线 r射线紫外线X 射 线 可见光红 外线亚毫米波毫米波厘米波分米波微 波超短波短波中波长波无 线 电 波迟缓电振荡光 谱

2、区1nm 1 m 1cm 1m波 长3 1022 3 1020 3 1018 3 1016 3 1014 3 1012 3 1010 3 108 3 106 3 104 3 102频 率(Hz)近 红 外中红外远 红 外1.5 15 750 m 紫 蓝 青 绿 黄 橙 红0.40 0.43 0.45 0.50 0.57 0.60 0.63 0.76微米微米分子振动转动电 离电磁振荡太阳辐射地球大气 辐射产 生机 制紫 蓝 青 绿黄橙红大学卫星气象学 r 射线：射线：波长波长10-11 10-4nm，生成：放射性元素蜕变，特征：几，生成：放射性元素蜕变，特征：几 兆电子伏特。兆电子伏特。x 射线

3、：射线：波长波长10-5 0.0045 m，生成：原子内部的电子从激发态，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恢复到稳态，特征：波长短，频率高能穿透密度很大的 物质。物质。紫外线：波长紫外线：波长10-50.35 m，生成：原子和分子内部的电子状态，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。改变，特征：频率较高，各种物质对短的紫外线有吸收。可见光：波长可见光：波长0.35 0.76 m，生成：原子内部的电子状态，特征：，生成：原子内部的电子状态，特征：对人眼有特殊的刺激。对人眼有特殊的刺激。红外线：波长红外线：波

4、长0.76 1000 m，生成：分子、原子的振动转动，特，生成：分子、原子的振动转动，特 征：与温度有关。征：与温度有关。微微 波：波长波：波长1mm 30cm。生成：分子转动。生成：分子转动。大于大于30厘米的波称厘米的波称 无线电波。无线电波。大学卫星气象学r射线治脑瘤射线治脑瘤 医用医用X线机线机 u临床上常用的临床上常用的x x线检查方法有透视和摄片线检查方法有透视和摄片两种。两种。x x线检查是临床辅助诊断方法之一。线检查是临床辅助诊断方法之一。u工业中用来探伤。长期受工业中用来探伤。长期受X X射线辐射对人射线辐射对人体有伤害体有伤害 。X X射线可激发荧光、使气体电离、射线可激发

5、荧光、使气体电离、使感光乳胶感光，故使感光乳胶感光，故X X射线可用于电离计、射线可用于电离计、闪烁计数器和感光乳胶片等检测。晶体的点闪烁计数器和感光乳胶片等检测。晶体的点阵结构对阵结构对X X射线可产生显著的衍射作用，射线可产生显著的衍射作用，X X射射线衍射法已成为研究晶体结构、形貌和各种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。缺陷的重要手段。r射线爆炸射线爆炸 大学卫星气象学紫外线紫外线(ultraviolet ray)紫外线有化学作用能使照相底片感光，荧光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作用强，日光灯、各种荧光灯和农业上用来诱杀

6、害虫的黑光灯都是用紫外线激发荧光物诱杀害虫的黑光灯都是用紫外线激发荧光物质发光的质发光的;还可以防伪还可以防伪;紫外线还有生理作用，紫外线还有生理作用，能杀菌、消毒、治疗皮肤病和软骨病等能杀菌、消毒、治疗皮肤病和软骨病等;紫外紫外线的粒子性较强，能使各种金属产生光电效线的粒子性较强，能使各种金属产生光电效应。应。分类：近紫外线分类：近紫外线UVAUVA，远紫外线，远紫外线UVBUVB和超短紫和超短紫外线外线UVCUVC。UVBUVB的照射造成人体皮肤伤害；的照射造成人体皮肤伤害；UVAUVA紫外线会使皮肤晒黑。紫外线会使皮肤晒黑。瓦10105.12620208255.313531144S dQ

7、红外线辐射治疗仪红外线辐射治疗仪红外线（红外线（infrared rays）生活中高温杀菌，红外线夜视仪，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、房门卡，汽车、电视机的遥控器、洗手池的红外感应，饭店门前的感洗手池的红外感应，饭店门前的感应门。应门。所有高于绝对零度（所有高于绝对零度（-273.15-273.15）的）的物质都可以产生红外线。物质都可以产生红外线。医用红外线可分为两类：近红外线医用红外线可分为两类：近红外线与远红外线。与远红外线。大学卫星气象学u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

8、射能,占总辐射4550。u可见光云图可见光云图: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。u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能的黑白全色或彩色影像。u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。大学卫星气象学微波：微波：基本性质通常呈现为基本性质通常呈现为穿透、反射、吸收穿透、反射、吸收三个特性。对于玻璃、塑料和瓷器，微三个特性。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。而对波几乎是穿越而不被吸

9、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。金属类东西，则会反射微波。大学卫星气象学u可见光卫星云图可见光卫星云图：可见光卫星云可见光卫星云图利用云顶反射太阳光的原理制成，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，会显示比较厚的云层反射能力强，会显示出亮白色出亮白色，云层较薄则显示暗灰色云层较薄则显示暗灰色。u选用波段选用波段：在可见光波段，静止在可见光波段，静止卫星采用波段为卫星采用波段为0.52-0.75m.0.52-0.75m.u红外线卫星云图红外线卫星云图：利用卫星上红外线利用卫星上红外线仪器，来测量云层温度。仪器，来测量云层温度。温度低的云

10、层温度低的云层会以亮白色来显示会以亮白色来显示，即此处的云层较高，即此处的云层较高，暗灰色的部分则代表云层高度较低暗灰色的部分则代表云层高度较低。u选用波段选用波段：10.5-12.5m10.5-12.5m的红外波段。的红外波段。气象卫星云图选用的电磁波段气象卫星云图选用的电磁波段 NoImage大学卫星气象学u水汽图水汽图：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：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，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。则卫星接

11、收的辐射越大。在水汽图上，色调越白，辐射越小，水汽越多；在水汽图上，色调越白，辐射越小，水汽越多；否则越少。否则越少。u选用波段：选用波段：以以 6-7m6-7m水汽吸收谱段接收大气中水汽发射的辐射，并以图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。自身较低的温度发射红外辐射。NoImage大学卫星气象学 在气象卫星遥感测量中，主要采用可见光、红外可见光、红外和微波波段，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

12、是渐变的，可根据使用目的而分，例如把0.38-3.00.38-3.0微米称为反射波段微米称为反射波段,这一波这一波段的辐射源主要是太阳，卫星接受到的是地段的辐射源主要是太阳，卫星接受到的是地(云云)面的面的反射太阳辐射。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。大学卫星气象学 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

13、个电磁波谱范围。辐射源发射的系统，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段、遥感信息、太阳和地球息。为此要清楚认识遥感波段、遥感信息、太阳和地球大气系统大气系统辐射，及其光谱特征。辐射，及其光谱特征。一、太阳辐射及其光谱特征一、太阳辐射及其光谱特征 u太阳：太阳：6000K6000K火球，直径火球，直径139.14139.14万

14、公里，是地球的万公里，是地球的104104倍；日地平倍；日地平均距离均距离d d0 0=1.495=1.49510108 8公里。公里。u太阳辐射用太阳常数、太阳光谱太阳辐射用太阳常数、太阳光谱(在大气顶处、在地面处）描述。在大气顶处、在地面处）描述。第二节第二节 太阳和地球太阳和地球-大气系统辐射大气系统辐射大学卫星气象学1、太阳常数：、太阳常数：指在不考虑大气作用，在平均日指在不考虑大气作用，在平均日-地距离处，垂直地距离处，垂直于太阳入射的表面上接收到太阳的辐照度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、。根据高空气球、飞机、卫星测量到的太阳常数数值为卫星测量到的太阳常数

15、数值为13531353瓦瓦/平方米，其估计误差为平方米，其估计误差为2121瓦瓦/平方米。太阳常数的变化与太阳黑子数有关。由太阳常平方米。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数可以计算单位时间内太阳辐射的总能量为式中式中d d0 0是日地平均距离，是日地平均距离，S S0 0是太阳常数。是太阳常数。Q Q单位为瓦。单位为瓦。能量平衡：到达地球大气顶的太阳辐射通过大气时，大约能量平衡：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、云层反射被地球、大气、云层反射 17%被大气吸收被大气吸收 47%到达地面、被地表吸收到达地面、被地表吸收大学

16、卫星气象学 太阳光谱：太阳光谱：太阳辐射能主要集中在太阳辐射能主要集中在0.3-3.00.3-3.0微米，微米，辐射最大值位于辐射最大值位于0.470.47微米微米,色温度色温度T Tc c 。1/41/4能量在波长能量在波长 0.470.47微米的谱段内，微米的谱段内，46%46%的能量在的能量在0.400.760.400.76mm的可见光波段。的可见光波段。假设太阳是理想的黑体，则可由假设太阳是理想的黑体，则可由斯蒂芬斯蒂芬-波尔兹曼定律和波尔兹曼定律和维恩位移公式计算出太阳的有效温度维恩位移公式计算出太阳的有效温度T Te e:大学卫星气象学 二、太阳吸收光谱（如图）：该光谱与二、太阳吸

17、收光谱（如图）：该光谱与6000K6000K的黑体辐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、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。带。uO3吸收：主要位于紫外光吸收：主要位于紫外光0.2-0.3m；0.32-0.36 m；可见光可见光0.6-4.75 m。uO2吸收：紫外、可见光。吸收：紫外、可见光。uH2O吸收：吸收：0.7 m；0.7-0.8 muCO2吸收：吸收：3.5 m大学卫星气象学 成成 分分体积混合比体积混合比 （%）混合比混合比特征特征

18、强吸收位置强吸收位置 （m）次强吸收位置次强吸收位置 （m）氧和氮氧和氮99常数常数不吸收不吸收不吸收不吸收H2O1.00.01可变可变1.4，1.9，2.7，6.3，13.00.9，1.1CO20.033常数常数2.7，4.3，14.71.4，1.6，2.0，5.0，9.4，10.4O310-6可变可变4.7，9.6，14.13.3，3.6，5.7N2O2.43.010-5可变可变4.5，7.83.9，4.1，9.6，17.0CH41.41.610-4可变可变3.3，3.8，7.7CO1.31.910-5可变可变4.72.3大气气体的吸收谱带大气气体的吸收谱带大学卫星气象学地面及其覆盖物对太

19、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。度、粗糙度和太阳高度角而变。大学卫星气象学1.1.地面土壤粒子结构、土壤水分对反照率的影响：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

20、的砂质土具有较高的反照率，随土壤湿度加大，大。干燥的砂质土具有较高的反照率，随土壤湿度加大，反照率明显减小。土壤湿度增大到一定值时，反照率将缓反照率明显减小。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。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三种不同含水量砂土的光谱反射曲线反射率%波长 m m04%512%2232%不同土壤湿度下含沙壤土的反射率不同土壤湿度下含沙壤土的反射率大学卫星气象学2、植被的反照率、植被的反照率：（1 1）有植被覆盖的地表反照率）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

21、面覆盖度、作物生有植被覆盖的地表，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，叶绿素在收，叶绿素在0.450.45、0.670.67微米附近有强吸收，水在微米附近有强吸收，水在1.41.4微米和微米和1.91.9微微米处有强吸收，所以绿色植物在米处有强吸收，所以绿色植物在0.550.55微米和近红外微米和近红外(0.761.10(0.761.10微微米）处有强反射和低吸收。米）处有强反射和低吸收。可见光可见光-中红外小麦叶子的反射光谱中红外小麦叶子的反射光谱大学卫星气象学作物在生

22、长和衰老期间光谱变化作物在生长和衰老期间光谱变化 衰老期小麦叶子反射光谱衰老期小麦叶子反射光谱波长 m m叶子反射率、水吸收率%叶子反射率水吸收率 0.5 1.3 1.9 2.5叶子反射率、水吸收率的反相关系叶子反射率、水吸收率的反相关系（2）不同生长期作物反照率）不同生长期作物反照率（3）土壤对植物光谱的影响）土壤对植物光谱的影响 大学卫星气象学（a）不同种类作物和裸地的反照率）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）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）不同种类的作物及状况对反照率的影响 大学卫星气象学3、冰雪的反照率、冰雪的反

23、照率：雪的反照率在小于雪的反照率在小于0.80.8微米波段几乎接近微米波段几乎接近100100，在大于，在大于0.80.8微米波段随波长的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，在快，在1.81.8或或2.22.2微米的反射峰明显减弱。在微米的反射峰明显减弱。在0.5-1.10.5-1.1微米波段，云和雪的反照微米波段，云和雪的反照率都很高，差异

24、很小，在中红外波段，率都很高，差异很小，在中红外波段，1.55-1.751.55-1.75微米和微米和2.10-2.352.10-2.35微米，云层微米，云层有很高的反照率，雪的反照率很低。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。化时，可以利用红外波段识别积雪。0.6 1.4 2.0 2.4波长 m m反射率%雪的反射特性曲线雪的反射特性曲线新雪（冷）陈雪（融化或解冻）大学卫星气象学盆地积雪区较山盆地积雪区较山地积雪均匀地积雪均匀；东北和蒙古地区东北和蒙古地区的积雪、华北地的积雪、华北地区（

25、区（S S）和中原地）和中原地区（区（N N）、渤海湾）、渤海湾（B B）四周陆地有）四周陆地有积雪区；积雪区；弧型分布的喜马拉雅山地积雪弧型分布的喜马拉雅山地积雪u冰雪覆盖区在可见光云图上表现为灰白到白色不等，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冰雪厚度越厚，色调越白。在卫星云图上积雪深度超过过3 3厘米才能清楚地表现出来。厘米才能清楚地表现出来。u在红外云图上，有雪覆盖的地区色调比四周地区更在红外云图上，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被、植被白。积雪区的亮度决定于积雪区内是否有植被、植被的种类以及

26、有多少植被为积雪所覆盖。的种类以及有多少植被为积雪所覆盖。u如果积雪很浅，在可见光云图上容易看出，在红外如果积雪很浅，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。差很小，而雪面的反照率比无雪的地表要大许多。大学卫星气象学4、水体的反射特性、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。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在可

27、见光波段水体的吸收最小，即透过率最大在，即透过率最大在0.480.48微米左微米左右；在右；在0.5-0.60.5-0.6微米内微米内,对清洁水的穿透深度约为对清洁水的穿透深度约为1010米米,0.6-0.7,0.6-0.7微微米波段约为米波段约为3 3米米,0.7-0.8,0.7-0.8微米波段为微米波段为1 1米，而在米，而在0.8-1.10.8-1.1微米波段微米波段只能达到只能达到1010厘米。厘米。清水的吸收系数清水的吸收系数大学卫星气象学混浊水体的反照率：悬浮泥混浊水体的反照率：悬浮泥沙是影响水体光谱响应的主要因沙是影响水体光谱响应的主要因素之一。素之一。浊水的反照率比清水高浊水的

28、反照率比清水高得多得多，浊水的反射峰值出现在更，浊水的反射峰值出现在更长的波长上。在长的波长上。在0.60.70.60.7微米波微米波段内的反照率与水体的混浊度是段内的反照率与水体的混浊度是呈线性相关的，由此可推算水中呈线性相关的，由此可推算水中的的泥沙量泥沙量。叶绿素对水体反照率的影响叶绿素对水体反照率的影响:水体中叶绿素浓度增加时，可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下降，但绿光部分的反照率则上升。升。叶绿素浓度值是衡量水体初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级生产力和富营养化作用的有用指标指标。

29、不同叶绿素浓度的海水返照率不同叶绿素浓度的海水返照率0.51.0微米波段天然清水和混水的反照率微米波段天然清水和混水的反照率大学卫星气象学不同覆盖物的反照率随波长的变化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，样，选择波段，可将某些物体区别开来选择波段，可将某些物体区别开来。从可见光到近红外。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，潮湿土壤则增加较小，水体的反照率随波长加大而减小。加较

30、小，水体的反照率随波长加大而减小。大学卫星气象学6、云层的反照率：、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。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）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二层云的2 2倍，第二层云的透过率是第三层云的倍，第二层云的透过率是第三层云的2 2倍。倍。多层云的反照多层云的反照率较高。率较高。入射辐射LR1=L/2T1=L/

31、2T2=L/4R2=L/4T3=L/8R1+T3=5L/8R3=L/8 多层云对太阳辐射的反射多层云对太阳辐射的反射大学卫星气象学云层反照率、吸收率和透过率的关系云层反照率、吸收率和透过率的关系反射、透射、吸收%反射透过吸收云厚（米）100806040200010 100 1000 10000云厚（米）透过率（）6005004003002001000010 20 30 40 50 60 70 80 90 高层云 层云（）（）（）（）大学卫星气象学三、三、大气窗和大气吸收带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

32、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，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。大大气窗主要出现在强吸收带或线之间。气窗主要出现在强吸收带或线之间。谱谱 段段紫外与可紫外与可见（见（m）近近 红红 外外（m）红外红外（m）远红外远红外（m）微微 波波（mm）波波长长0.30-0.750.77-0.911.0-1.121.19-1.

33、341.55-1.752.05-2.463.5-4.14.5-5.08.0-9.110.2-12.417.0-22.02.06-2.223.0-3.757.5-11.520-30大气窗区各波段大气窗区各波段大学卫星气象学 太阳或地球太阳或地球-大气的辐射在大气中传输时被大气中大气的辐射在大气中传输时被大气中的的0),()()()0,(dzzzz T BLLsss ss 某种气体某种气体所吸收。吸收随所吸收。吸收随波长变化很大，在一些波波长变化很大，在一些波段吸收很强，在另一些波段吸收很强，在另一些波段吸收很弱或没有吸收。段吸收很弱或没有吸收。对辐射吸收很强的波段就对辐射吸收很强的波段就称为该气

34、体的称为该气体的吸收带吸收带。大气吸收带大学卫星气象学 辐射与大气和地表之间的相互作用表现为辐射的发射、辐射与大气和地表之间的相互作用表现为辐射的发射、吸收和反射，这为卫星遥感地表和大气提供了大量的信息。吸收和反射，这为卫星遥感地表和大气提供了大量的信息。例如卫星在大气窗区波段可以测量地面、云层反射或发射的例如卫星在大气窗区波段可以测量地面、云层反射或发射的辐射，从而可以得到地表、云面的反射特性或温度分布；卫辐射，从而可以得到地表、云面的反射特性或温度分布；卫星在吸收带测量，可以得到大气温度和成分。星在吸收带测量，可以得到大气温度和成分。根据测量的目的，卫星选择不同的波长间隔进行测量，根据测量

35、的目的，卫星选择不同的波长间隔进行测量，这种波长间隔称做通道。为更多地获取地面、云层和大气信这种波长间隔称做通道。为更多地获取地面、云层和大气信息，目前卫星测量使用的通道很多。息，目前卫星测量使用的通道很多。四.大气窗和大气吸收带在遥感中的应用大学卫星气象学卫星测量使用的波段卫星测量使用的波段通道（波段）通道（波段）（m）光谱名称光谱名称 用用 途途0.2-4反射太阳辐射反射太阳辐射99%，太阳辐射总量，太阳辐射总量5-30可测量地球可测量地球大气系统发射到宇宙空间的长波辐射，约为长波辐射的大气系统发射到宇宙空间的长波辐射，约为长波辐射的85。配合。配合024微米的测量，可估算地球微米的测量，

36、可估算地球大气系统的辐射收支。大气系统的辐射收支。0.475-0.575蓝、绿蓝、绿地表、地下水特征，干燥、岩石、土壤地表、地下水特征，干燥、岩石、土壤0.58-0.68黄、红黄、红白天云分布，植物生长、水污染、地形等白天云分布，植物生长、水污染、地形等0.6-0.7橙橙透射水体，水混浊度海洋泥沙流大河悬浮陆地冰川沙漠地植物生长透射水体，水混浊度海洋泥沙流大河悬浮陆地冰川沙漠地植物生长0.7-0.8红红该波段对水体和湿地反映较清楚，故用于研究植被和土壤湿度。水体在该波段对该波段对水体和湿地反映较清楚，故用于研究植被和土壤湿度。水体在该波段对辐射有强烈吸收，反照率甚低，在图片上呈黑色，对于潮湿的

37、地表具有较深的色辐射有强烈吸收，反照率甚低，在图片上呈黑色，对于潮湿的地表具有较深的色调。调。0.725-1.10近红外近红外白天云分布，水陆边界，水体分布，土壤湿度，植物生长白天云分布，水陆边界，水体分布，土壤湿度，植物生长3.4-4.2短波红外短波红外十分透明对温度灵敏，测量海面测温，云分布；白天由于太阳辐射干扰，测量的十分透明对温度灵敏，测量海面测温，云分布；白天由于太阳辐射干扰，测量的辐射不能直接计算海面温度，须消除太阳辐射干扰后进行海温计算。辐射不能直接计算海面温度，须消除太阳辐射干扰后进行海温计算。5.7-7.1水吸收带水吸收带是水汽强吸收带，可用来计算对流层中上部水汽含量和分布。

38、是水汽强吸收带，可用来计算对流层中上部水汽含量和分布。10.5-12.5大气窗大气窗红外云图，云参数，海面温度和降水红外云图，云参数，海面温度和降水13-15CO2吸收带吸收带大气温度垂直分布大气温度垂直分布大学卫星气象学第三节 卫星云图观测原理卫星云图观测原理 卫星云图是气象卫星最易也是最早进行的观测项目之一。早期卫星云图是气象卫星最易也是最早进行的观测项目之一。早期的气象卫星采用电视摄像机对地球的气象卫星采用电视摄像机对地球-大气系统进行观测，得到的是大气系统进行观测，得到的是电视云图，七十年代以后气象卫星系统，采用了扫描辐射仪，选择电视云图，七十年代以后气象卫星系统，采用了扫描辐射仪，选

39、择多个光谱通道对地球大气系统观测，可得到可见光云图、昼夜的红多个光谱通道对地球大气系统观测，可得到可见光云图、昼夜的红外云图和其它种类的云图。外云图和其它种类的云图。观测仪器应满足的条件是：观测仪器应满足的条件是：选用大气窗区选用大气窗区避开气体吸收和散避开气体吸收和散射的波段；射的波段；仪器通道波长间隔仪器通道波长间隔要有一定宽度，通道尽量选在太阳要有一定宽度，通道尽量选在太阳辐射或地球大气辐射较大的地方以获取更多的能量；辐射或地球大气辐射较大的地方以获取更多的能量；仪器通道选仪器通道选在最能区分所要探测目标物的谱段。在最能区分所要探测目标物的谱段。大学卫星气象学通道：通道：0.520.73

40、0.520.73 m大气窗大气窗 在大气窗区在大气窗区 (日日）=(s(s）1 1，太，太阳辐亮度阳辐亮度B B（T T日日)，可看做常数，可看做常数，因此因此卫星观测到的辐射卫星观测到的辐射L L(s(s）与物体反照率）与物体反照率r rss和太阳天顶角和太阳天顶角日日有关有关。在一定的太阳天顶角在一定的太阳天顶角日下，日下，物体反照率物体反照率r rss越大，卫星观测到的辐射越大，卫星观测到的辐射L L(s(s）就越大，在云图上色调就越亮；）就越大，在云图上色调就越亮；而而r rss越小，越小，L L(s(s）就越小，）就越小，卫星云图色调就越暗。（辐射大用白色表示；辐射小用黑色表示）卫星

41、云图色调就越暗。（辐射大用白色表示；辐射小用黑色表示）在反照率在反照率r rss相同的条件下，太阳天顶角相同的条件下，太阳天顶角日日越大，卫星观测到的辐射越大，卫星观测到的辐射L L(s(s）就越大，卫星云图的色调就越亮；）就越大，卫星云图的色调就越亮；日日越小，越小，L L(s(s）就越小，）就越小，卫星云图的色调就越暗。卫星云图的色调就越暗。1 1、可见光云图观测原理、可见光云图观测原理SSSSTBL大学卫星气象学 从可见光云图上的色调可以估计反照率的大小，从而来区分各从可见光云图上的色调可以估计反照率的大小，从而来区分各种物体。云与地表间的反照率差异很大，所以在可见光云图上很容种物体。云

42、与地表间的反照率差异很大，所以在可见光云图上很容易将云和地表区别开。易将云和地表区别开。在可见光云图上，各点相对于太阳高度角不同，即使是反照率在可见光云图上，各点相对于太阳高度角不同，即使是反照率相同的物体，其色调也不一样。太阳天顶角对色调的作用是以余弦相同的物体，其色调也不一样。太阳天顶角对色调的作用是以余弦函数形式出现的。天顶角越小卫星接收的辐射就越大。函数形式出现的。天顶角越小卫星接收的辐射就越大。物体反照率随波长而变，物体反照率随波长而变，所以同一物体在不同波段可见光云图所以同一物体在不同波段可见光云图上的色调也不同，根据这种色调差异，能更有效地区别各种物体。上的色调也不同，根据这种色

43、调差异，能更有效地区别各种物体。大学卫星气象学大学卫星气象学2、红外云图观测原理、红外云图观测原理卫星云图在红外波段选用卫星云图在红外波段选用通道有通道有3.55-3.933.55-3.93微米和微米和10.5-12.510.5-12.5微米。微米。把前者称短波红外云图，而把后者称长波红外云图。把前者称短波红外云图，而把后者称长波红外云图。（1）长波红外云图长波红外云图:卫星在卫星在10.5-12.510.5-12.5微米红外波段接收的辐射是微米红外波段接收的辐射是地面和云面发射的长波红外辐射，太阳辐射完全忽略。略去大气辐地面和云面发射的长波红外辐射，太阳辐射完全忽略。略去大气辐射和地面云面对

44、向下大气辐射的反射辐射，得到卫星在这一波段观射和地面云面对向下大气辐射的反射辐射，得到卫星在这一波段观测到地气系统发射的辐射为测到地气系统发射的辐射为:式中式中ss是表面比辐射率在红外是表面比辐射率在红外10.5-12.510.5-12.5微米波段，微米波段，ss 1 1，且对大气窗区且对大气窗区(s s)1)1，所以上式又进一步简化为，所以上式又进一步简化为:可见，可见，在一定条件下，卫星在在一定条件下，卫星在10.5-12.510.5-12.5微米通道接收的辐射仅与微米通道接收的辐射仅与物体的温度有关。物体的温度有关。TBLSS大学卫星气象学 被测物体温度越高，卫星接收的辐射越大，温度越低

45、，辐射越被测物体温度越高，卫星接收的辐射越大，温度越低，辐射越小。将这种辐射转换成图象，辐射大温度高用黑色表示，辐射小温小。将这种辐射转换成图象，辐射大温度高用黑色表示，辐射小温度低用白色表示。即为一张黑白色红外云图。度低用白色表示。即为一张黑白色红外云图。由于大气温度随高度递减的，所以根据色调深浅能判断云的种由于大气温度随高度递减的，所以根据色调深浅能判断云的种类。高云类。高云(卷云卷云)一般呈白色，而低云呈暗色。把地一般呈白色，而低云呈暗色。把地(云云)面看成是黑面看成是黑体，实际上并非如此，因此由卫星测得的辐射推算的表面温度比实体，实际上并非如此，因此由卫星测得的辐射推算的表面温度比实际

46、的低，由此求出的云顶高度偏高。实际测到的辐射低于表面温度际的低，由此求出的云顶高度偏高。实际测到的辐射低于表面温度的黑体辐射，计算出的云顶高度比实际的低的黑体辐射，计算出的云顶高度比实际的低1 1公里。公里。所以严格地说，所以严格地说，红外云图是一张物体的亮度温度分布图，而不红外云图是一张物体的亮度温度分布图，而不是实际的温度分布图。是实际的温度分布图。大学卫星气象学（2）短波红外云图）短波红外云图 由于由于3.55-3.933.55-3.93微米大气窗通道位于太阳辐射光谱曲线与地微米大气窗通道位于太阳辐射光谱曲线与地球大气辐射光谱曲线相交重迭处，所以在白天这一通道测得的辐射球大气辐射光谱曲线

47、相交重迭处，所以在白天这一通道测得的辐射不仅包含有地面云面自身发射的辐射，而且含有地面云面反射的太不仅包含有地面云面自身发射的辐射，而且含有地面云面反射的太阳辐射，因此阳辐射，因此 L(L(s s)=L)=Lr r(反射太阳辐射反射太阳辐射)+L)+L(物体发射辐射物体发射辐射)通常在把这一通道测到的辐射转换成图象时，其辐射大转换通常在把这一通道测到的辐射转换成图象时，其辐射大转换成黑色，辐射小转换成白色。在短波红外云图上，由于在白天包含成黑色，辐射小转换成白色。在短波红外云图上，由于在白天包含有上述两种辐射，使得物象间色调的相对变化显得十分复杂，给图有上述两种辐射，使得物象间色调的相对变化显

48、得十分复杂，给图象的识别带来了困难。象的识别带来了困难。大学卫星气象学短波红外云图的测温精度较长波红外云图高。短波红外云图的测温精度较长波红外云图高。根据普朗根据普朗克公式，测温误差克公式，测温误差T，与辐射误差的关系为波长越短，与辐射误差的关系为波长越短其其T越小。越小。短波红外通道的大气衰减小。短波红外通道的大气衰减小。在这一波段，大气透过率在这一波段，大气透过率近似为近似为0.90，其大气辐射与地面辐射之比为，其大气辐射与地面辐射之比为10，另外，另外这一波段吸收气体主要是一些混合比近于常定的这一波段吸收气体主要是一些混合比近于常定的CO2，N2和和N2O气体，所以大气透过率随季节、地理

49、位置变化气体，所以大气透过率随季节、地理位置变化较小，这对提高测温精度有利。较小，这对提高测温精度有利。短波红外通道在白天有太阳辐射污染。短波红外通道在白天有太阳辐射污染。尽管能精确测量尽管能精确测量表面温度，但白天太阳辐射污染，给测温造成困难。表面温度，但白天太阳辐射污染，给测温造成困难。大学卫星气象学日日日日）（）（）cos()(sssT BrL大学卫星气象学 到达卫星的辐射第一项是地面到达卫星的辐射第一项是地面(云面云面)发出的，第二项是大气发出的，第二项是大气中水汽发出的辐射，到达卫星的辐射与水汽透过率的垂直梯度有中水汽发出的辐射，到达卫星的辐射与水汽透过率的垂直梯度有关。如果地面和低

50、云的高度低于关。如果地面和低云的高度低于800hPa800hPa的高度，则因水汽吸收，的高度，则因水汽吸收，地面和低云的辐射就不能到达卫星，表面辐射可以忽略，这时卫地面和低云的辐射就不能到达卫星，表面辐射可以忽略，这时卫星接收的辐射完全是由大气水汽发出的，卫星在水汽通道测量的星接收的辐射完全是由大气水汽发出的，卫星在水汽通道测量的辐射决定于水汽含量，水汽含量愈大，则透过率愈小，卫星接收辐射决定于水汽含量，水汽含量愈大，则透过率愈小，卫星接收的辐射越小。因此根据卫星测量辐射可以推算大气中水汽分布。的辐射越小。因此根据卫星测量辐射可以推算大气中水汽分布。通道：通道：5.77.35.77.3 m水水