環(huán)境遙感技術(shù)及應用(田靜毅)大氣遙感課件.ppt

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1、大氣遙感大氣圈是全球變化中最活躍的部分，物理氣候系統(tǒng)和生物化學循環(huán)系統(tǒng)中許多相互影響、作用和交換的過程都要通過大氣圈來完成。如全球的能量循環(huán)和水循環(huán)、碳循環(huán)等均離不開這一圈層。因此，利用對地觀測衛(wèi)星監(jiān)測大氣要素（溫、壓、濕、風）的垂直分布及其時間演變、大氣中一些溫室氣體的含量及其變化、對輻射具有顯著作用的云和氣溶膠的含量及其變化等是十分重要和有意義的工作。應該說，對地觀測衛(wèi)星從誕生到現(xiàn)在的40多年，地球科學和航天科技這兩個領(lǐng)域的專家一直在致力于這一問題的解決，到目前為止已經(jīng)取得了巨大的進展，得到了許多有價值的成果，但離

2、問題的最終解決尚需時日。（1）大氣溫度和濕度探測（2）衛(wèi)星云跡風探測(3)臭氧監(jiān)測(4)大氣氣溶膠監(jiān)測大氣氣溶膠監(jiān)測氣溶膠是大氣中十分重要的成分，在很多生物地球化學循環(huán)中具有重要作用。它的光學厚度分布直接影響著大氣系統(tǒng)的輻射收支；它的粒徑和性質(zhì)與成云的效率和大氣水循環(huán)直接相關(guān)；大顆粒氣溶膠則是衡量空氣質(zhì)量，關(guān)系人類健康的重要因素，極端情況下沙塵或沙塵暴爆發(fā)則會對人類活動帶來多方面影響。衛(wèi)星遙感監(jiān)測氣溶膠和沙塵粒子的基本原理是它們對太陽可見光和近紅外波段的反射和散射。由于不同粒徑大小的氣溶膠粒子的光學特性有差異，這樣利用

3、星載遙感探測器得到的不同波段的輻射就有可能反演得到相應粒子氣溶膠的光學厚度。氣溶膠散射光學厚度是氣溶膠粒子各個特征參數(shù)的綜合效應，集中體現(xiàn)了大氣氣溶膠的狀況。我國的科學家研制的基于暗目標的遙感圖像大氣氣溶膠光學厚度獲取方法，可用于遙感圖像氣溶膠光學厚度的實時獲取，該方法結(jié)果與地面測量結(jié)果較一致，說明該方法是可行的?；鹕奖l(fā)、森林或草場火災、工業(yè)廢氣等產(chǎn)生的煙塵和火柱，可直接在遙感圖像上確定位置和范圍，并根據(jù)它們的運動、發(fā)展規(guī)律進行預測、預報。比如從北京地區(qū)的TM影像和SPOT影像觀測到石景山電廠煙囪排入大氣的煙塵，就是

4、很好的例子。此外，這些污染會形成落塵，在低空飄浮，可以通過探測植物的受害程度來間接分析，或在降雪后探測雪層的光譜變化和污粒含量?？梢酝ㄟ^可見光圖像、紅外圖像等來判斷。利用氣象衛(wèi)星可見光和近紅外譜段的測量，在海洋上的晴空區(qū)可以估計出大氣氣溶膠的含量，對陸地上氣溶膠含量的估算的研究在進行中。①沙塵暴監(jiān)測沙塵暴是利用氣象衛(wèi)星能有效監(jiān)測的陸地上空氣溶膠含量的一種特殊情況。因為沙塵暴爆發(fā)之后，懸浮在大氣中不同粒徑的沙塵粒子已經(jīng)足夠多，使衛(wèi)星遙感探測器監(jiān)測到的輻射均來自沙塵本身。即可見光和近紅外通道測得的沙塵對太陽光的反射和散射輻

5、射，紅外波段測得的則是沙塵頂部的發(fā)射輻射。通過對某一地區(qū)（如中國西北地區(qū)）云、沙塵和地表在AVHRR各通道的統(tǒng)計分析，一些低云與沙塵頂部的亮溫很相近，但二者在反射率上卻有顯著差別；西北地區(qū)裸露的地表與沙塵在可見光通道的反射率上很相近，但二者在紅外通道和亮溫上又有明顯差別。根據(jù)這些特點，可以對可見光、近紅外和紅外通道進行單通道增強，然后進行三通道的R、G、B合成，在合成的圖像上可以很容易地將沙塵、低云和地表區(qū)分開來。目前，廣泛采用的利用遙感衛(wèi)星圖像監(jiān)測沙塵的方法均建立在這一思路之上。圖就是按此方法制作出來的一幅3通道真彩

6、圖色合成圖，該圖為風云一號衛(wèi)星2002年4月7日上午監(jiān)測的沙塵暴圖像，圖中顯示東北地區(qū)大部、內(nèi)蒙古中東部、河北北部出現(xiàn)大范圍沙塵暴。②海洋上空的氣溶膠監(jiān)測氣溶膠主要是由兩種過程產(chǎn)生的。一是地球表面的物質(zhì)（如土壤顆粒、海鹽粒子、生物燃燒后的微粒和工業(yè)的廢棄塵粒等）通過物理和化學過程進入、并分布于大氣中；二是大氣中的化學反應，凝聚等過程形成的粒子。這些粒子的直徑在10-2~100μm之間，衛(wèi)星可見光通道探測得到的氣溶膠粒子對可見光的多次散射輻射值是衛(wèi)星遙感氣溶膠的基礎。但是，其散射值的大小與粒子的大小、粒子濃度和譜分布有關(guān)

7、。下墊面的反射輻射有一部分可以透過氣溶膠到達外空。因此，在晴空大氣條件下，衛(wèi)星上探測到的可見光輻射由下墊面反射的太陽輻射透過氣溶膠部分與氣溶膠多次散射返回太空的部分組成。這樣，衛(wèi)星遙感氣溶膠的難度要比監(jiān)測沙塵暴和沙塵的難度大得多。因為，首先必須從衛(wèi)星遙感的可見光輻射值中區(qū)分出哪些來自下墊面反射，多少是氣溶膠的多次散射值。為什么在利用衛(wèi)星遙感手段監(jiān)測氣溶膠的工作中首先得到解決的是海洋上空的氣溶膠遙感，就是因為海洋表面的反射率小于10%，且海表十分均勻。這樣帶來了基本不需要扣除下墊面背景輻射的影響問題，即海洋上空衛(wèi)星遙感的

8、可見光輻射值就是大氣中氣溶膠的多次散射輻射值。海洋上空遙感氣溶膠常用方法是查找表法。依據(jù)MODIS或AVHRR的觀測光譜通道，利用包含有大氣分子和氣溶膠粒子多次散射、地表對陽光反射的角分布和光偏振的輻射傳輸模式，針對11種氣溶膠模式，計算在15個天頂觀測角（即在天頂角115o~88o的范圍內(nèi)，每間隔6o取一個計算角），15個方位角