大气水汽含量反演报告31页PPT
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大气水汽含量反演ppt课件
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卫星遥感反演大气水汽
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MODIS数据反演大气水汽
一、MODIS传感器简介
中分辨率成像光谱仪（MODIS）是EOS系列卫星的最主要 的探测仪器，是搭载在TERRA和AQUA卫星上的对地观测传 感器。MODIS是现今新一代“图谱合一”的光学遥感仪器， 它具有36个光谱通道，分布在0.4~14μm的电磁波谱范围内， 地面分辨率为250m、500m、1000m,灰度量化等级为12bit， 图幅宽度为2330KM。在对地观测过程中，每秒可以同时获取 6.1M比特来自海陆表面的信息，每天或两天可以获得一次全 球观测数据。
同时，他们给出如下关系式：
系数α，β与太阳天顶角，卫星天顶角等诸多因 素有关，对于复合型地表，上式中α=0.02， β=0.651。R为相关系数。
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MODIS数据近红外波段反演大气水汽
水汽含量的加权平均 不同的水汽吸收通道对水汽变化有不同的敏感度，
反演结果也不尽相同。第17通道位于水汽弱吸收区， 对湿润地区的水汽反演有利；18通道在干燥环境下 对水汽最敏感；19通道则适用于复合型地表环境。 仅用单一通道反演必然导致结果的不精确。因此， 我们可以对不同通道的水汽反演结果根据其敏感系 数进行加权平均，得到的结果将更接近于真实情况。 在相同的大气条件下，平均水汽可用下式计算：
通道的两个象素间亮温比与辐射传输之间的相关性 来反演大气水：
式中,τ212和τ211分别指第4、5通道辐射传输的平方， σ212和σ211指方差。
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MODIS数据反演大气水汽
回归斜率法： 回归斜率法作为大气水函数，是两个通道亮温变
化之间的比率。在大气干燥的情况下，第4、5通道 几乎具有相同的温度，回归斜率近似等于1；大气湿 度不断增加，对第5通道的影响越发显著，两通道间 的差异也就更大。
卫星遥感反演大气水汽
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MODIS数据反演大气水汽
一、MODIS传感器简介
中分辨率成像光谱仪（MODIS）是EOS系列卫星的最主要 的探测仪器，是搭载在TERRA和AQUA卫星上的对地观测传 感器。MODIS是现今新一代“图谱合一”的光学遥感仪器， 它具有36个光谱通道，分布在0.4~14μm的电磁波谱范围内， 地面分辨率为250m、500m、1000m,灰度量化等级为12bit， 图幅宽度为2330KM。在对地观测过程中，每秒可以同时获取 6.1M比特来自海陆表面的信息，每天或两天可以获得一次全 球观测数据。
同时，他们给出如下关系式：
系数α，β与太阳天顶角，卫星天顶角等诸多因 素有关，对于复合型地表，上式中α=0.02， β=0.651。R为相关系数。
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MODIS数据近红外波段反演大气水汽
水汽含量的加权平均 不同的水汽吸收通道对水汽变化有不同的敏感度，
反演结果也不尽相同。第17通道位于水汽弱吸收区， 对湿润地区的水汽反演有利；18通道在干燥环境下 对水汽最敏感；19通道则适用于复合型地表环境。 仅用单一通道反演必然导致结果的不精确。因此， 我们可以对不同通道的水汽反演结果根据其敏感系 数进行加权平均，得到的结果将更接近于真实情况。 在相同的大气条件下，平均水汽可用下式计算：
通道的两个象素间亮温比与辐射传输之间的相关性 来反演大气水：
式中,τ212和τ211分别指第4、5通道辐射传输的平方， σ212和σ211指方差。
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MODIS数据反演大气水汽
回归斜率法： 回归斜率法作为大气水函数，是两个通道亮温变
化之间的比率。在大气干燥的情况下，第4、5通道 几乎具有相同的温度，回归斜率近似等于1；大气湿 度不断增加，对第5通道的影响越发显著，两通道间 的差异也就更大。
大气水分和降水ppt课件
人工增雨，福州，2003
烧伤病人的治疗通常是取烧伤病人的 健康皮 肤进行 自体移 植，但 对于大 面积烧 伤病人 来讲， 健康皮 肤很有 限，请 同学们 想一想 如何来 治疗该 病人
宁夏 20030406
碘化银 增雨
烧伤病人的治疗通常是取烧伤病人的 健康皮 肤进行 自体移 植，但 对于大 面积烧 ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ病人 来讲， 健康皮 肤很有 限，请 同学们 想一想 如何来 治疗该 病人
3、中纬度多雨带：大陆西岸受西风控制，大陆 东岸受季风影响，降水较多，500 — 1000mm ；
4、高纬度少雨带：气温低，蒸发弱，大气含水 汽少，一般年降水量不到 300 mm 。
哈尔滨
20040427
烧伤病人的治疗通常是取烧伤病人的 健康皮 肤进行 自体移 植，但 对于大 面积烧 伤病人 来讲， 健康皮 肤很有 限，请 同学们 想一想 如何来 治疗该 病人
防雹作业
北京，20040704
★雨量和分级
种类
24小时 降水量
12小时 降水量
目视特征
小雨
＜10.0 mm
＜5.0 mm
Cv = 距平数／平均数×100％
（一）降水的形成
——降水从云中来，但有云未必有降水。形 成降水的关键，是云滴迅速增大到能克服空 气阻力和上升气流的顶托，并在降落过程中 不被蒸发掉。 1、凝结（凝华）增长：指水汽分子凝结（凝 华）在云滴（冰晶）表面上，使云滴（冰晶） 增长的过程。
①过冷水滴蒸发→冰晶凝华增长
★云
——指高悬于空中、由水汽凝结（凝华）而 成的小水滴或小冰晶构成的可见集合体。
◆云的成因：云是气块上升过程绝热冷却降温， 使水汽达到饱和或过饱和发生凝结而成。
烧伤病人的治疗通常是取烧伤病人的 健康皮 肤进行 自体移 植，但 对于大 面积烧 伤病人 来讲， 健康皮 肤很有 限，请 同学们 想一想 如何来 治疗该 病人
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宁夏 20030406
碘化银 增雨
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3、中纬度多雨带：大陆西岸受西风控制，大陆 东岸受季风影响，降水较多，500 — 1000mm ；
4、高纬度少雨带：气温低，蒸发弱，大气含水 汽少，一般年降水量不到 300 mm 。
哈尔滨
20040427
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防雹作业
北京，20040704
★雨量和分级
种类
24小时 降水量
12小时 降水量
目视特征
小雨
＜10.0 mm
＜5.0 mm
Cv = 距平数／平均数×100％
（一）降水的形成
——降水从云中来，但有云未必有降水。形 成降水的关键，是云滴迅速增大到能克服空 气阻力和上升气流的顶托，并在降落过程中 不被蒸发掉。 1、凝结（凝华）增长：指水汽分子凝结（凝 华）在云滴（冰晶）表面上，使云滴（冰晶） 增长的过程。
①过冷水滴蒸发→冰晶凝华增长
★云
——指高悬于空中、由水汽凝结（凝华）而 成的小水滴或小冰晶构成的可见集合体。
◆云的成因：云是气块上升过程绝热冷却降温， 使水汽达到饱和或过饱和发生凝结而成。
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大气的水分和降水ppt课件
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二、蒸发 （一）蒸发及其影响因素 液态水转化为水汽的过程叫蒸发。蒸发过程的
发生，取决于实际水汽压（e）与饱和水汽压 （E）二者对比关系。当e＜E，蒸发进行；e＞ E，蒸发停止，并可能产生凝结；e＝E，处于 动态平衡，即逸出水面的分子数与进入水中的 分子数相等。影响蒸发的因素主要有：
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大气的水分和降水
烧伤病人的治疗通常是取烧伤病人的 健康皮 肤进行 自体移 植，但 对于大 面积烧 伤病人 来讲， 健康皮 肤很有 限，请 同学们 想一想 如何来 治疗该 病人
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水汽达到过饱和状态的途径有二：一是增加空 气中的水汽含量；二是使空气温度降到露点温 度或以下。前者如冷空气移到暖水面上，气温 在短时间内尚未提高，而水面蒸发使空气水汽 含量增加达到饱和状态，因而产生烟雾状凝结 物。后者是水汽凝结的主要途径。辐射、平流、 混合、绝热上升等过程都会使气温降低到露点 以下，使空气达到过饱和状态。
烧伤病人的治疗通常是取烧伤病人的 健康皮 肤进行 自体移 植，但 对于大 面积烧 伤病人 来讲， 健康皮 肤很有 限，请 同学们 想一想 如何来 治疗该 病人
空气中水汽含量与温度高低有密切关系。温度 愈高，空气中容纳水汽的能力愈强。在一定的 温度条件下，一定体积的空气中所容纳的水汽 数量是有一定限度的，因而水汽压也有一个限 度。当水汽含量恰好达到这个限度，叫饱和空 气。饱和空气的水汽压称为饱和水汽压E，或 称最大水汽压。饱和水汽压的大小与温度有关， 温度愈高，饱和水汽压愈大。
气象学第4章 大气中的水分PPT课件
• 4.3 水汽凝结 • 4.3.1 凝结条件 • 4.3.2 凝结物 • 4.3.3 降水
• 4.3.1、凝结条件
• 4.3.1.1 空气的饱和或过饱和
• A 在一定温度下增加空气中的水汽含量，使水汽压增 大；(蒸发面温度明显高于气温。南方秋、冬季节清晨 水面上形成的雾）
• B 在空气中水汽含量不变的情况下，通过空气冷却， 使饱和水汽压减小。
• 意义：露对一些雨水稀少的干旱地区或干热天气条件下的农业生 产有意义，起着一种维护植物生命，缓解旱情的作用，有利于农 药利用，但也会助长植物病原菌，水果表面锈斑，重露可使秸杆 和穗粒湿度增大，影响收割和脱粒。
• 2 雾凇：雾凇是附着于树枝、电线和物体的迎风面上的一种白色 疏松的凝结物。雾滴附着并冻结而形成，常见于寒冷有雾的天气 里。多形成于气温在-2——-20oc
• Td的大小可以直接表示空气中的水汽含量多少。
• t-Td 表示空气的潮湿程度。
• 比湿(q)：单位质量空气中所含的水汽质量称为比湿 （克/克、克/千克）。
q mw md mw
• 公式中 mw、md分别表示单位质量空气中 水汽质量和 干空气质量
• 由气体状态方程( pRdT
) 可导出下列关
系表达式
• 其中E0为00c的饱和水气压 。E0＝6.11。t是
蒸发面温度 a b是经验系数。纯水面上a=7.63 b=241.9,纯冰面上 a=9.5 b=265.5 • 例：一气团温度为21.0c,干绝热上升400米达到 饱和，求该气团的水汽压、和相对湿度。 （2） 蒸发面: • A 冰面 ： E水>E冰
• 2 年变化： • 与温度年变化相似。在陆地上，最大值
出现在7月，最小值出现在1月；海洋上 ，最大值在8月，最小值在2月。
水汽反演
4.２方差比反演算法介绍
基于４、５通道的两个像素间亮温比与辐射传输比之间的相关性来反演大气 柱水汽含量：
其中
和
分别代表４，５通道辐射传输的平方；
和
是方差。
4.３、回归斜率法介绍
• 1994年Goward等人改进了方差比算法。他们在AVHRR4、5通道间 使用了回归斜率作为估算大气水汽的方法，回归斜率作为大气水 汽的函数，代表了两个热通道亮温变化之间的比率。对于干燥条 件，两个通道几乎拥有相同的温度，回归斜率为一。而当空气中 湿度不断增加时，对通道5的影响变得更加显著，并且两个通道 间的差异也变的更大。
式中的r为永汽混合比，单位为： g.kg-1，由此计算气柱水汽总 含量：
• 式中的计算结果W表示对流层垂直气柱（P1～p2)中的水汽总量或 累积水汽量，代表气柱中的水汽凝结后积集在气柱地面上的液态 永的深度。
• 因无线电探空成本较高，相对于地面观测站而言探空站分布稀疏， 并且一般每天仅进行早晚2次探测，不足以分辨水汽的时空变化， 因此不能很好地监测大范围的天气变化(如雷雨和多变天气)。
LSensor ( ) 为传感器所获得的入瞳辐射亮度， • λ为波长； • LSun ( ) 为大气顶层太阳辐射亮度 • T(λ) 为总的大气透过率，是指辐射从太阳到达地表再从地表到达 传感器所经过的大气路径的总的透过率， • ( ) 是指地表的二向反射率， • LPath( ) 是指程辐射。式（1）忽略了光子在地表的上的多次反射， 即假设光子在地表上只反射一次。
2.2 使用微波辐射计探测大气水汽含量
（使用微波辐射计探测大气水汽含量可以分为地基微波辐射计和空基微波 辐 射计探测两种）
2.2.1、地基微波辐射探测原理
• 由于大气总光学厚度τλ，具有一些特性，给反演路径上物质含量 带来很大方便。在晴空和非降雨云时，反演的一般做法是，首先 在薄大气近似条件下引入大气平均辐射温度Tm，利用下列公式将 两段测值Tbλ(λ=1,2分别表示波长0.8cm和1.35cm，下同)转换成大气 的总吸收光学厚度τλ： 再由τλ反演，求得大气的水汽总量Q和云液态水总量L。
大气参数反演之水汽反演
13
计算垂直气柱水汽含量
在0.905微米、0.936微米和0.940微米这三个波段中，大气水 汽具有不同的吸收系数。因此，这三个波段对于水汽具有不 同的敏感性。0.936微米波段是水汽强吸收波段，在干燥条件 下对水汽敏感。0.905微米波段是水汽弱吸收波段，在潮湿条 件下对水汽敏感。0.940微米处于中间状态。在给定大气条件 下，从这三个波段所获取的水汽是不同的，可以对这三个波 段进行加权平均处理来获得最后的水汽含量:
LSensor ( ) LPath ( ) ( ) T ( ) ( ) LSun ( ) LSun ( )
*
（2）
5
水汽反演的原理
总透过率 T ( ) 包含了在太阳-地表-传感器路径上的总的水 汽含量信息。
LSun ( )为已知量。在1 m 附近，可以忽略瑞利散射项，对程辐射
Tobs (0.94m) (0.94m) / (0.865m)
* *
（4）
9
水汽反演的原理
如果地表反射率随波长线性的变化，那么可以再加上一个大气 窗口波段，利用3波段比值来确定水汽吸收波段的透过率，如 式（5）所示：
Tobs (0.94m) * (0.94m) /[C1 * * (0.865m) C2 * * (1.24m)]（5）
AMSU-B的主要应用目的就是反演大气参数，其89和150GHz通道位于 大气窗区，通道183GHz位于水汽吸收线上，利用AMSU的波段特性， AMSU数据被广泛应用于反演陆地上空的大气水汽 （陆地上空）
3
水汽反演的原理
卫星传感器所接收的入瞳辐射亮度的简化形式可以 表示为（Hansen and Travis, 1974; Franer and Kaufman, 1985）：
大气水汽含量反演
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MODIS数据近红外波段反演大气水汽
单通道水汽含量计算： 对于透过率与水汽含量的关系，Kaufman和Gao BoCai利用LOWTRAＮ模拟出两者的关系曲线：
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MODIS数据近红外波段反演大气水汽
同时，他们给出如下关系式：
系数α，β与太阳天顶角，卫星天顶角等诸多因
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MODIS 05大气可降水量产品介绍
MODIS水汽产品包括：5min段产品和日、旬、月
产品。5min 段产品是利用MODIS近红外水汽吸收通
道和附近的窗口通道数据反演得到的水汽产品，输 入MODIS-L1的5min段数据，输出对应5min段大气水 产品。产品的空间分辨率与MODIS-L1产品一致，标 明地理经纬度和质量信息，但不进行投影变换。
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MODIS 05大气可降水量产品介绍
日产品是基于5min段陆上大气水产品，经过轨
道拼图和投影处理，生成等经纬度的大气水日产品。
MODIS日大气水产品包括全球产品和中国区域产品。 全球产品空间分辨率为0.05°×0.05°，格点数为7 200×3 600；中国区域产品空间分辨率保持原分辨 率，为0.01°×0.01°，格点数为7000×5 000，经
热反馈作用。这一作用过程将增加其它温室气体(如 二氧化碳)的温室效应。在温室效应影响下，地表、 大气温度上升，海洋表面就会蒸发更多的水汽。同 时，温度升高导致大气饱和，水汽压、大气可容纳
水汽量增大，这些新增水汽作为温室气体，加剧温
室效应，从而使整层大气变得更热。
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大气水汽含量反演的意义
以 6.3μm 为中心的吸收带；其次还有两个分别以
基于CORS系统反演大气水汽含量
基于CORS系统反演大气水汽含量[摘要]论述了利用CORS系统观测数据反演大气水汽含量的基本原理和方法，分析其反演大气降雨过程。
利用区域CORS站及国内IGS站的观测数据进行解算，反演出的大气水汽含量。
[关键词]天顶对流层延迟加权平均温度大气水汽含量0引言随着连续运行参考站在全国各个地区的建立，为各个地区提供了稳定的GPS 气象观测数据源，GPS技术在气象学中的研究和应用有了更大的突破。
目前把GPS技术应用到天气预报和气侯监测中已经进展到了实际应用阶段。
与水汽辐射计及探空等传统的气象观测技术相比，GPS技术在气象预报和监测中有着分辨率高，易维护等优势。
本文基于探空资料建立了广西区域静力学延迟模型和加权平均温度模型，且对其进行了比较，得出区域模型的可用性。
利用区域CORS站，从中选取了3个基准站不同年积日的观测数据，结合国内3个IGS参考站的观测数据进行了解算与分析得出天顶方向对流层延迟量，通过模型反演出水汽含量，与探空水汽含量进行比较得出其精度可靠。
1GPS反演理论基础及其反演流程GPS反演大气水汽含量，其理论依据是GPS接收机在接受卫星信号时，由于中性大气层的作用，使得信号发生延迟如式1，式中为对流层延迟量；C△t为GPS信号在对流层中的真实传播路径；n 为大气折射系数，其值与大气气温T、压强P及湿度e等因数有关，因此要求解信号传播路径上各处的大气折射系数n，实际上就是要求得各处的气象元素。
常规的利用GPS观测值估计天顶对流层延迟的方法有双差法和非差精密单点定位法[1][2]，其解算精度都较高。
在GPS反演水汽含量的过程中，湿延迟量求解的精度直接关系到反演水汽的精度，而湿延迟量由于随地理纬度、季节及大气状况等因素变化而变化，所以很难用模型来反应和解算。
因此只有通过求解干延迟量来反推出湿延迟量如式2。
式中，△LZW为湿延迟量，△LZtotal为天顶总延迟量，△LZd为干延迟量。
天顶方向静力学延迟量（干延迟量）的求解，在很多文献中已得到验证和使用，这其中包括了经验模型和区域模型，实验证明如果气压测量精确，静力学天顶延迟可预测到亚毫米级，湿天顶延迟能精确到厘米级，其在中纬度表现优于低纬度，而且不依赖于气象资料的模型有着很高的精确度[1]，所以建立区域干延迟模型是很有必要的。
气象学大气水分PPT学习教案
度
相对湿度 的日变
化：
几乎与温 度的变化 相反。
相对湿度的日变化 第19页/共102页
相对湿度的年变化：
一般来说冬季最大，夏季最小； 但在季风气候区，冬季受寒冷大陆冷 空气影响，寒冷干燥；夏季受海洋气流 的影响，炎热湿润，所以相对湿度的变 化与气温相同。
第20页/共102页
第二节 蒸发与蒸腾
一 水面蒸发 二 土壤水分的蒸发
第24页/共102页
2.土壤水分蒸发过程
土壤中水分由多到少的过程大致经历三个阶段： (1) 稳高阶段 在土壤水分较多的阶段，蒸发主要通过
第一种方式进行。
(2) 速降阶段 土壤水分含量迅速降低，只有部分毛 细管起作用，蒸发通过两种方式进行。 (3) 稳低阶段 土壤水分很低，毛细管失去了传导水分 的作用，蒸发只能通过第二种方式进行。
相对湿度随高度的变化则比较复杂。
第16页/共102页
2. 空气湿度的时间变化
（1）水汽压的日、年变化
日变化
海洋型：地面水分充分供应，乱流不强的地区
水汽压与气温变化一致：emax~14:00，emin~日出前
大陆型：地面水分供应不够充分，或乱流较强
的 地 区 ， 水 汽 压 变 化 曲 线 为 双 峰 型 ： emax~9:0010:00，21:00-22:00 emin~日出前，14:00-15:00
气象学大气水分
会计学
1
第一节 空气湿度（air humidity)
一 水的相变 二 空气湿度的表示方法 三 空气湿度的时空变化
第1页/共102页
一、水的相变
水汽是大气中唯一能发生相变 的气体，水的三相为水汽、水、 冰。
水相变化的物理过程 从分子运动学的观点看，水相 变化是各相之间分子交换的过
相对湿度 的日变
化：
几乎与温 度的变化 相反。
相对湿度的日变化 第19页/共102页
相对湿度的年变化：
一般来说冬季最大，夏季最小； 但在季风气候区，冬季受寒冷大陆冷 空气影响，寒冷干燥；夏季受海洋气流 的影响，炎热湿润，所以相对湿度的变 化与气温相同。
第20页/共102页
第二节 蒸发与蒸腾
一 水面蒸发 二 土壤水分的蒸发
第24页/共102页
2.土壤水分蒸发过程
土壤中水分由多到少的过程大致经历三个阶段： (1) 稳高阶段 在土壤水分较多的阶段，蒸发主要通过
第一种方式进行。
(2) 速降阶段 土壤水分含量迅速降低，只有部分毛 细管起作用，蒸发通过两种方式进行。 (3) 稳低阶段 土壤水分很低，毛细管失去了传导水分 的作用，蒸发只能通过第二种方式进行。
相对湿度随高度的变化则比较复杂。
第16页/共102页
2. 空气湿度的时间变化
（1）水汽压的日、年变化
日变化
海洋型：地面水分充分供应，乱流不强的地区
水汽压与气温变化一致：emax~14:00，emin~日出前
大陆型：地面水分供应不够充分，或乱流较强
的 地 区 ， 水 汽 压 变 化 曲 线 为 双 峰 型 ： emax~9:0010:00，21:00-22:00 emin~日出前，14:00-15:00
气象学大气水分
会计学
1
第一节 空气湿度（air humidity)
一 水的相变 二 空气湿度的表示方法 三 空气湿度的时空变化
第1页/共102页
一、水的相变
水汽是大气中唯一能发生相变 的气体，水的三相为水汽、水、 冰。
水相变化的物理过程 从分子运动学的观点看，水相 变化是各相之间分子交换的过
xh2o水蒸气含量
xh2o水蒸气含量
水蒸气含量（XH2O）是指大气中水蒸气的含量，通常以百分比、克/千克或毫米等单位来表示。
水蒸气含量是大气中水汽的密度，它
是大气中水汽的质量与单位体积空气的质量之比。
水蒸气含量受到
温度、压力和相对湿度等因素的影响。
在大气科学和气象学中，水
蒸气含量是一个重要的参数，它对大气的热力学过程、云的形成和
降水等都有重要影响。
水蒸气含量的测量可以通过气象观测站使用的一些仪器来进行，比如干湿球温度计、激光探测器和遥感技术等。
这些方法可以帮助
科学家和气象学家更好地了解大气中水蒸气的分布和变化规律，从
而预测天气、研究气候变化等方面提供重要数据支持。
此外，水蒸气含量也与环境保护和气候变化密切相关。
随着全
球气候变暖，水蒸气含量的增加可能会对地球的能量平衡和气候系
统产生重要影响。
因此，对水蒸气含量的监测和研究对于了解气候
变化趋势以及制定相关的环境政策具有重要意义。
总的来说，水蒸气含量是大气中水蒸气的含量，它对气象、气
候和环境都具有重要影响，因此对其进行全面、准确的监测和研究具有重要意义。