大气辐射与遥感-第一章
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4 3 21 0 例如： AVHRR : 10 bit, MODIS : 12 bit
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128
32 8 4 2 1 64 16
遥感探测平台
地基
（光谱仪）
机载
（气球 风筝 飞机）
空基
（火箭、卫星、飞船）
Figure 1 | Remote sensing of the climate system. Remote sensing is carried out by sensors aboard different platforms, including plane, boat and Argo floats. Ground-based instruments are also used, for example, sun spectral radiometers measure solar radiation. However, satellite remote sensing is capable of providing more frequent and repetitive coverage over a large area than other observation means . Figure courtesy of R. He, Hainan University (Cited from Yang, 2013, NCC)
• 非绝热过程 (diabatic)
气块通过分子传导、对流、乱流、相变 (蒸发、凝结 、融解、冻结、升华、凝华)、辐射等作用而与外界发生 热交换的过程。
热传导
需要有较大的温度梯度，在空气中很缓慢
对流（感热） 非绝热过程
由运动的空气团（流体）携带热量进行输送
相变（潜热）
伴随着云雨形成，是间歇性的，仅在局地热 力、微物理过程中考虑
传感器的特性
• 四个主要分辨率: 1) 光谱 2) 空间 3) 时间 4) 辐射测量
像素点（Pixel）
70 79 80 88 93 90 90 96 87 79 81 53 77 82 79 86 90 91 90 93 81 75 41 45 69 86 93 90 97 89 97 88 78 64 38 44 87 90 10 88 79 90 97 85 84 59 32 65 90 95 84 79 82 93 94 85 77 45 40 84 91 85 75 76 85 97 81 84 72 41 56 83 87 77 70 78 92 88 86 86 75 43 51 77 79 67 74 84 91 85 82 79 58 39 59 74 61 70 80 87 85 78 78 75 56 44 72 71 72 72
早期的航空摄影 - 气球
1860 – James Black took photograph from a balloon over Boston (365m high)
早期的航空摄影 - 风筝
1882 – an English meteorologist Archibald took first aerial photograph from a kite Late 1880s - Arthur Batut took kite aerial photographs over Labruguiere, France
环流 运动
大气、海洋中的所有运动：从海洋环流→Hadley环流→副热带气旋→热 带气旋→龙卷风，可以被看作一台巨大、复杂的机器上的一个个齿轮， 运动一级级传递下来。
§ 1.1.4 地球能量收支
342 Wm-2
思考题
根据上页PPT中地气系统能量收支示意图，忽略大 气中其他的物理过程，仅仅考虑由于大气（包括云）对 太阳辐射的直接吸收作用所造成的加热，计算大气的加 热率（K／day）。 已知条件有：全球平均的大气层顶的入射太阳辐射 大约342 W m－2，重力加速度g为9.81 m s-2，海平面平均 气压P0为1.013×105 Pa，比热容cp为1004 J kg-1 K-1
• 像素: 构成影像 的基本单元
• 像素点的值:由传 感器记录的每个 像素点位置上的 电磁能量
光谱分辨率
光谱分辨率是指光谱特征峰分 辨和分离的能力。用仪器达到
光谱响应最大值的50%时的波 长宽度表示（FWHM）。
成像的波段范围，分得愈细， 波段愈多，光谱分辨率就愈高。 ①多光谱成像技术，10~20个 通道。光谱分辨率为λ/Δλ≈10； ②高光谱成像技术，100~400 个通道的探测能力，一般光谱 分辨率可达λ/Δλ≈100。 ③超高光谱成像，1000左右，
《A First Course in Atmospheric Radiation》, Grant W. Petty, Sundog Publishing, Madison, Wisconsin
《大气物理学》第二篇，盛裴轩、毛节泰等著，北京大学 出版社
《大气辐射学》，石广玉著，中国科学院研究生院 《大气辐射学基础》，尹宏著，气象出版社
《大气辐射与遥感》这门课的目标和任务是
通过这门课程，使学生懂得大气辐射基本概念与
知识，认识辐射传输过程，了解大气辐射在遥感
中的一些基本应用。帮助学生建立基本知识结构
，以便他们能在日后的气候、天气以及遥感学习
研究中知道如何使用相关知识帮助他们分析、思
考与理解问题。
第一章 引言
§ 1.1 大气辐射与天气气候的关系 §1.1.1 太阳辐射 §1.1.2 热红外辐射
IKONOS 4m 4 bands
时间分辨率
• 太阳静止卫星（极轨） 一日两次过境 ,16天覆 盖全球
• 地球静止卫星（静止）每15-30分钟一次
辐射分辨率
辐射分辨率是指传感器能分辨的目标反射或辐射的电磁辐 射强度的最小变化量。
0
8-bit (0 - 255)
9-bit (0 - 511) 10-bit (0 - 1023)
最小距离，即像素 所代表的的地面范 围的大小。
卫星高度
星下点像素
偏离星下点像素
ຫໍສະໝຸດ Baidu
传感器成像能力示例
ALI 30m 9 bands
Hyperion 30m 242 bands
TM 30m 6 bands
ASTER 15m VNIR, 30m SWIR 9 bands
MIVIS 8m 102 bands
卫星传感器（CERES）观测到的地球向外发射的红外热辐射（2008.09）
热红外辐射
太阳辐射
§ 1.1.3 全球热引擎
能量收支的差异，使得地 球也如同一个被加热的引 擎，驱动着大气环流！
§ 1.1.3 全球热引擎
不同纬度带年平均的辐射收支
辐射收 支差异
水平温 度梯度
减弱温 度差异
气压梯 度力
• 1962年在美国密歇根大学召开的第一次国际环境 遥感讨论会上，美国海洋研究局的Eretyn Pruitt首 次提出“Remote Sensing”一次，会后被普遍采用 至今。
• 二次大战中航空侦查促进了航空摄影技术的发展。
早期的航空摄影 - 气球
1858 – Gaspard Tournachon “Nadar” used balloon to photograph Bievre, France (80m high)
§1.1.3 全球热引擎
§1.1.4 地球能量收支 § 1.2 大气辐射与遥感的关系
§ 1.1 大气辐射与天气气候的关系
大气运动基本方程组
运动方程
连续方程 状态方程 热力学能量方程
水汽质量守恒方程
• 绝热过程 (adiabatic)
是指任一气体与外界无热量交换时的状态变化过程。 在自由大气中，一天左右的时间尺度上来说，假设大 气的热力过程是绝热的 (Q=0) 是可以成立的。
早期的航空摄影 - 鸽子
Oblique aerial photograph of a European castle obtained from a camera mounted on a carrier pigeon. The pigeon’s wings are visible (copyright Deutsches Museum, Munich, Germany).
早期的航空摄影 - 风筝
1906 – George Lawrence photographed San Francisco in ruins shortly after the great earthquake and fire
早期的航空摄影 - 鸽子
1903 – Carrier pigeon
主动遥感与被动遥感
• 主动遥感：传感器主动发射一定的电磁波能量，
并接受目标的后向散射信号。（例如：雷达） • 被动遥感：传感器不向目标物发射电磁波，仅被 动的接受目标物自身发射和对自然辐射的反射能 量。（例如：卫星）
卫星遥感 示意图
被动式
主动式
大气遥感发展的小历史
遥感的起源
• 照相机、气球、飞机构成初期遥感技术系统。
评分标准
出勤率 课后作业 期终考试 10% 20% 70%
• 考试范围：讲义与参考书目中的关键内容 • 作业要求：独立完成、按时提交
课程大纲
第一章 第二章 第三章 引言 大气辐射基础知识 大气气体吸收
第四章
第五章 第六章 第七章 第八章
大气粒子的散射
大气中红外辐射传输 行星大气辐射传输 大气辐射在遥感中的应用 大气辐射与气候
辐射
在大气中持续一直存在的，且传输能量的空 间距离非常大，非局地过程
§1.1.1 太阳辐射
这张照片是由火星探路者（Mars Pathfinder）拍摄的火星日落。 阳光透过云层照射在地球上
§1.1.1 太阳辐射
地球所接收的、并驱动地球上大气和海洋运动的所有能量均来自太阳！
§ 1.1.2 热红外辐射
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： 葛觐铭
2015·春季
个人信息
• 地址：兰州大学 观云楼 2102 • 邮件：gejm@lzu.edu.cn • 主页：http://climate.lzu.edu.cn/staff/gejm/
阅读书目推荐
《大气辐射导论》（第2版），廖国男著，气象出版社
§ 1.2 大气辐射与遥感的关系
辐射：任何物体，只要温度大于绝对零度，都 以电磁波形式向四周放射能量，同时也接收来自四周 的电磁波。这是由物质的本性决定的，是由物质本身 的电子、原子、分子运动产生的，一般把这种电磁波 能量本身称为辐射能，简称为辐射；而把这种能量传 播方式称为辐射。
遥感：在远离目标或者非接触目标的条件下， 通过对电磁波敏感的传感器探测目标物，获取其反射 、辐射和散射的电磁波信息，进行处理、分析与应用 的一门科学与技术。
地基遥感 (SACOL)
MFRSR 净辐射表 散射辐射表
短波 辐射观测平台
长波
地基遥感 (SACOL)
微波辐射计 太阳光度计
全天空成像仪
激光雷达 云雷达
课后作业
1. 完成思考题
2. 简述大气辐射对天气气候的影响
光谱分辨率一般在λ/Δλ≧1000。
中国区域云图（风云静止星）
可见光通道 红外通道 水汽通道
尽管电磁辐射与环境之间的相互作用方式繁多、复杂，但是几乎所有的大气变 量都可以直接或者间接的反演得到，只要我们有设计适宜的仪器和反演算法。
空间分辨率
空间分辨率：指遥 感影像上能够识别
FOV IFOV
的两个相邻地物的
早期的航空摄影 - 飞机、卫星
• CORONA是第一代太空照片侦察卫星 • 1960年 - 推出星载MetSats • 1960年至1972年科罗纳间谍卫星计划
全球卫星观测系统
卫星遥感系统
实际应用
遥感的应用
林业：清查森林资源、监测森林火灾和病虫害。
农业：作物估产、作物长势及病虫害预报。
水文与海洋：水资源调查、水资源动态研究、冰雪监控、海洋渔业。 国土资源：国土资源调查、规划和政府决策。 气象：天气预报、气候预报、全球气候演变研究 环境监测：水污染、海洋油污染、大气污染、固体垃圾等及其预报。 测绘：航空摄影测量测绘地形图、编制各种类型的专题地图和影像地图。 城市：城市综合调查、规划及发展。 考古：遗址调查、预报。 地理信息系统：基础数据、更新数据。
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32 8 4 2 1 64 16
遥感探测平台
地基
（光谱仪）
机载
（气球 风筝 飞机）
空基
（火箭、卫星、飞船）
Figure 1 | Remote sensing of the climate system. Remote sensing is carried out by sensors aboard different platforms, including plane, boat and Argo floats. Ground-based instruments are also used, for example, sun spectral radiometers measure solar radiation. However, satellite remote sensing is capable of providing more frequent and repetitive coverage over a large area than other observation means . Figure courtesy of R. He, Hainan University (Cited from Yang, 2013, NCC)
• 非绝热过程 (diabatic)
气块通过分子传导、对流、乱流、相变 (蒸发、凝结 、融解、冻结、升华、凝华)、辐射等作用而与外界发生 热交换的过程。
热传导
需要有较大的温度梯度，在空气中很缓慢
对流（感热） 非绝热过程
由运动的空气团（流体）携带热量进行输送
相变（潜热）
伴随着云雨形成，是间歇性的，仅在局地热 力、微物理过程中考虑
传感器的特性
• 四个主要分辨率: 1) 光谱 2) 空间 3) 时间 4) 辐射测量
像素点（Pixel）
70 79 80 88 93 90 90 96 87 79 81 53 77 82 79 86 90 91 90 93 81 75 41 45 69 86 93 90 97 89 97 88 78 64 38 44 87 90 10 88 79 90 97 85 84 59 32 65 90 95 84 79 82 93 94 85 77 45 40 84 91 85 75 76 85 97 81 84 72 41 56 83 87 77 70 78 92 88 86 86 75 43 51 77 79 67 74 84 91 85 82 79 58 39 59 74 61 70 80 87 85 78 78 75 56 44 72 71 72 72
早期的航空摄影 - 气球
1860 – James Black took photograph from a balloon over Boston (365m high)
早期的航空摄影 - 风筝
1882 – an English meteorologist Archibald took first aerial photograph from a kite Late 1880s - Arthur Batut took kite aerial photographs over Labruguiere, France
环流 运动
大气、海洋中的所有运动：从海洋环流→Hadley环流→副热带气旋→热 带气旋→龙卷风，可以被看作一台巨大、复杂的机器上的一个个齿轮， 运动一级级传递下来。
§ 1.1.4 地球能量收支
342 Wm-2
思考题
根据上页PPT中地气系统能量收支示意图，忽略大 气中其他的物理过程，仅仅考虑由于大气（包括云）对 太阳辐射的直接吸收作用所造成的加热，计算大气的加 热率（K／day）。 已知条件有：全球平均的大气层顶的入射太阳辐射 大约342 W m－2，重力加速度g为9.81 m s-2，海平面平均 气压P0为1.013×105 Pa，比热容cp为1004 J kg-1 K-1
• 像素: 构成影像 的基本单元
• 像素点的值:由传 感器记录的每个 像素点位置上的 电磁能量
光谱分辨率
光谱分辨率是指光谱特征峰分 辨和分离的能力。用仪器达到
光谱响应最大值的50%时的波 长宽度表示（FWHM）。
成像的波段范围，分得愈细， 波段愈多，光谱分辨率就愈高。 ①多光谱成像技术，10~20个 通道。光谱分辨率为λ/Δλ≈10； ②高光谱成像技术，100~400 个通道的探测能力，一般光谱 分辨率可达λ/Δλ≈100。 ③超高光谱成像，1000左右，
《A First Course in Atmospheric Radiation》, Grant W. Petty, Sundog Publishing, Madison, Wisconsin
《大气物理学》第二篇，盛裴轩、毛节泰等著，北京大学 出版社
《大气辐射学》，石广玉著，中国科学院研究生院 《大气辐射学基础》，尹宏著，气象出版社
《大气辐射与遥感》这门课的目标和任务是
通过这门课程，使学生懂得大气辐射基本概念与
知识，认识辐射传输过程，了解大气辐射在遥感
中的一些基本应用。帮助学生建立基本知识结构
，以便他们能在日后的气候、天气以及遥感学习
研究中知道如何使用相关知识帮助他们分析、思
考与理解问题。
第一章 引言
§ 1.1 大气辐射与天气气候的关系 §1.1.1 太阳辐射 §1.1.2 热红外辐射
IKONOS 4m 4 bands
时间分辨率
• 太阳静止卫星（极轨） 一日两次过境 ,16天覆 盖全球
• 地球静止卫星（静止）每15-30分钟一次
辐射分辨率
辐射分辨率是指传感器能分辨的目标反射或辐射的电磁辐 射强度的最小变化量。
0
8-bit (0 - 255)
9-bit (0 - 511) 10-bit (0 - 1023)
最小距离，即像素 所代表的的地面范 围的大小。
卫星高度
星下点像素
偏离星下点像素
ຫໍສະໝຸດ Baidu
传感器成像能力示例
ALI 30m 9 bands
Hyperion 30m 242 bands
TM 30m 6 bands
ASTER 15m VNIR, 30m SWIR 9 bands
MIVIS 8m 102 bands
卫星传感器（CERES）观测到的地球向外发射的红外热辐射（2008.09）
热红外辐射
太阳辐射
§ 1.1.3 全球热引擎
能量收支的差异，使得地 球也如同一个被加热的引 擎，驱动着大气环流！
§ 1.1.3 全球热引擎
不同纬度带年平均的辐射收支
辐射收 支差异
水平温 度梯度
减弱温 度差异
气压梯 度力
• 1962年在美国密歇根大学召开的第一次国际环境 遥感讨论会上，美国海洋研究局的Eretyn Pruitt首 次提出“Remote Sensing”一次，会后被普遍采用 至今。
• 二次大战中航空侦查促进了航空摄影技术的发展。
早期的航空摄影 - 气球
1858 – Gaspard Tournachon “Nadar” used balloon to photograph Bievre, France (80m high)
§1.1.3 全球热引擎
§1.1.4 地球能量收支 § 1.2 大气辐射与遥感的关系
§ 1.1 大气辐射与天气气候的关系
大气运动基本方程组
运动方程
连续方程 状态方程 热力学能量方程
水汽质量守恒方程
• 绝热过程 (adiabatic)
是指任一气体与外界无热量交换时的状态变化过程。 在自由大气中，一天左右的时间尺度上来说，假设大 气的热力过程是绝热的 (Q=0) 是可以成立的。
早期的航空摄影 - 鸽子
Oblique aerial photograph of a European castle obtained from a camera mounted on a carrier pigeon. The pigeon’s wings are visible (copyright Deutsches Museum, Munich, Germany).
早期的航空摄影 - 风筝
1906 – George Lawrence photographed San Francisco in ruins shortly after the great earthquake and fire
早期的航空摄影 - 鸽子
1903 – Carrier pigeon
主动遥感与被动遥感
• 主动遥感：传感器主动发射一定的电磁波能量，
并接受目标的后向散射信号。（例如：雷达） • 被动遥感：传感器不向目标物发射电磁波，仅被 动的接受目标物自身发射和对自然辐射的反射能 量。（例如：卫星）
卫星遥感 示意图
被动式
主动式
大气遥感发展的小历史
遥感的起源
• 照相机、气球、飞机构成初期遥感技术系统。
评分标准
出勤率 课后作业 期终考试 10% 20% 70%
• 考试范围：讲义与参考书目中的关键内容 • 作业要求：独立完成、按时提交
课程大纲
第一章 第二章 第三章 引言 大气辐射基础知识 大气气体吸收
第四章
第五章 第六章 第七章 第八章
大气粒子的散射
大气中红外辐射传输 行星大气辐射传输 大气辐射在遥感中的应用 大气辐射与气候
辐射
在大气中持续一直存在的，且传输能量的空 间距离非常大，非局地过程
§1.1.1 太阳辐射
这张照片是由火星探路者（Mars Pathfinder）拍摄的火星日落。 阳光透过云层照射在地球上
§1.1.1 太阳辐射
地球所接收的、并驱动地球上大气和海洋运动的所有能量均来自太阳！
§ 1.1.2 热红外辐射
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： 葛觐铭
2015·春季
个人信息
• 地址：兰州大学 观云楼 2102 • 邮件：gejm@lzu.edu.cn • 主页：http://climate.lzu.edu.cn/staff/gejm/
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《大气辐射导论》（第2版），廖国男著，气象出版社
§ 1.2 大气辐射与遥感的关系
辐射：任何物体，只要温度大于绝对零度，都 以电磁波形式向四周放射能量，同时也接收来自四周 的电磁波。这是由物质的本性决定的，是由物质本身 的电子、原子、分子运动产生的，一般把这种电磁波 能量本身称为辐射能，简称为辐射；而把这种能量传 播方式称为辐射。
遥感：在远离目标或者非接触目标的条件下， 通过对电磁波敏感的传感器探测目标物，获取其反射 、辐射和散射的电磁波信息，进行处理、分析与应用 的一门科学与技术。
地基遥感 (SACOL)
MFRSR 净辐射表 散射辐射表
短波 辐射观测平台
长波
地基遥感 (SACOL)
微波辐射计 太阳光度计
全天空成像仪
激光雷达 云雷达
课后作业
1. 完成思考题
2. 简述大气辐射对天气气候的影响
光谱分辨率一般在λ/Δλ≧1000。
中国区域云图（风云静止星）
可见光通道 红外通道 水汽通道
尽管电磁辐射与环境之间的相互作用方式繁多、复杂，但是几乎所有的大气变 量都可以直接或者间接的反演得到，只要我们有设计适宜的仪器和反演算法。
空间分辨率
空间分辨率：指遥 感影像上能够识别
FOV IFOV
的两个相邻地物的
早期的航空摄影 - 飞机、卫星
• CORONA是第一代太空照片侦察卫星 • 1960年 - 推出星载MetSats • 1960年至1972年科罗纳间谍卫星计划
全球卫星观测系统
卫星遥感系统
实际应用
遥感的应用
林业：清查森林资源、监测森林火灾和病虫害。
农业：作物估产、作物长势及病虫害预报。
水文与海洋：水资源调查、水资源动态研究、冰雪监控、海洋渔业。 国土资源：国土资源调查、规划和政府决策。 气象：天气预报、气候预报、全球气候演变研究 环境监测：水污染、海洋油污染、大气污染、固体垃圾等及其预报。 测绘：航空摄影测量测绘地形图、编制各种类型的专题地图和影像地图。 城市：城市综合调查、规划及发展。 考古：遗址调查、预报。 地理信息系统：基础数据、更新数据。