兰州大学《卫星气象学》第3章-气象卫星遥感大气的基本原理-1分解

射率φλ
I(λ，T)＝ φλ B(λ，T)
15
其中，I(λ，T)是普朗克函数，由下式表示:
B(λ,T)=C1/λ5[exp(C2/λT)–1] 其中C1和C2是常数。C2=C1h/k,h是普朗克常数，k玻尔兹曼常数， 发射性质与特定波长有关，并随表面温度的变化而变化。在许多遥 感观测中用8至14μm谱段，发射率一般可考虑为常数(即绝大部分 物质可作为灰体)。象雪和植被这样的物质，它们的发射和吸收明 显与波长有关。
8
波长(m) 6000K(近似太阳)和288K(近似地球)的黑体发射辐射光谱
9
由图看出： (1)理论上，任何温度的绝对黑体都发射波长0～ m的辐射，但温度不同，辐射能力不同，辐射能集 中的波段也不同。例如温度为6000K的物体总辐射能 力比288K大得多。而且6000K温度的物体的辐射能量 主要集中在0.17～4m波段内，而288K温度的物体的 辐射能量主要集中在3.3～80m波段内。 (2)每一温度下，黑体辐射都有一辐射最强的波长， 称为这个温度下发射的辐射峰值，并用max表示，即 光谱曲线的极大值。物体温度越高，其辐射峰值所对 应的波长max越短。
热辐射或温度辐射，这是由于它的产生和大小与温度有关。
(6)微波：这是比红外线波长还要长的电磁波，波长从1毫米到
30厘米，大于30厘米为无线电波。
在气象卫星遥感测量中，主要采用可见光，红外和微波波段，
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
是渐变的，可根据使用目的而分，例如把0.38~3.0微米称为反射波
10
3.斯蒂芬—波尔兹曼(Stefan—Boltzmann)定律 1879年斯蒂芬由实验发现，物体的发射能力是随温度、波长
而改变的。由下图可见，随着温度的升高，黑体对各波长的发射 能力都相应地增强。因而物体发射的总能量(即曲线与横坐标之间 包围的面积)也会显著增大。据研究，绝对黑体的积分辐射能力与 其绝对温度的四次方成正比。1884年波尔兹曼用热力学理论证明 了这一点。在全部波长范围内对普朗克公式进行积分就可以得到 斯蒂芬—波尔兹曼公式。

春 15：00
i90 进动方向从西向东
（3）近极地太阳同步卫星轨道 的实现 利用卫星轨道在地球扁率 夏
作用下的进动去抵消卫星轨道 15：00
球地 轨 道
太阳
卫星轨道
冬
15：00
平面随地球绕太阳运行时引起
的转动，即可实现近极地太阳 同步卫星轨道。
秋 15：00
图2-10 太阳同步轨道
3、太阳同步轨道的优缺点
一.近极地轨道气象卫星的发展
1、美国的地球静止轨道气象卫星 发射近极地轨道气象卫星的国家有：美国、苏联、中
国和日本。 世界上第一颗气象卫星，美国泰罗斯-1（TIROS），
仪器越来越先进，精度越来越高。
遥感的概念
在一定距离之外，不直接接触被测 物体和有关物理现象，通过探测器接收 来自被测目标物发射或反射的电磁辐射 信息，并对其处理、分类和识别的一种 技术。
遥感探测的设备 ➢ 传感器，运载工具
遥感探测的内容 ➢ 遥感信息获取手段的研究； ➢ 各类物体的辐射波谱特性及
传输规律的研究； ➢遥感信息的处理与分析判读
技术的研究。
遥感探测的分类：
➢ 按工作方式分为：被动遥感和 主动遥感；
➢ 按波段分为：紫外遥感、可见 光遥感、红外遥感和微波遥感；
➢ 按对象分为：大气遥感、海洋 遥感、农业遥感和地质地理遥感等。
第二节 气象卫星遥感观测的特点
在空间固定轨道上运行 全球和大范围的观测 使用新的探测技术 受益面广
1、什么是地球同步卫星轨道
N
H=35860Km
S 图2-11 地球同步卫星轨道
2、地球同步卫星轨道的实现
①卫星运行方向与地球自转方向相同； ② 轨道倾角i=0，地球赤道平面与卫星轨道平面重合；

分子呈电中性，但因空间构型的不同，正 负电荷中心可能重合，也可能不重合。前 者称为非极性分子，后者称为极性分子。 极性分子可以通过转动跃迁与电磁波相互 作用。
大气成分的转动吸收
• 单原子气体，例如氩气及其他惰性气体，他们的转动惯量为0，因 此没有转动跃迁。 • 氮气，同样没有电偶极矩和磁偶极矩，因此没有转动吸收光谱。 • 氧气，虽然没有电偶极矩，但是不同于其他双原子气体，有一个 恒存在的磁偶极矩，因此在60Ghz和118Ghz有两个转动吸收带。 • 二氧化碳和甲烷，没有电偶极矩和磁偶极矩，因此在非激发态下 没有纯的转动跃迁。但是当有振动运动破坏了其分子对称性时， 会产生一个震荡的偶极子，在非常短波长处有振动-转动跃迁。 • 其他大多数气体，都有恒存在的偶极矩，造成了主要的转动吸收 带。
2.多普勒增宽 (Doppler broadening) 3.自然增宽(natural broadening) 他们的相对重要性取决于局地环 境情况。
实际上，从未观测到单色发射辐射！
背景介绍
• 比尔定律复习
线型的基本描述
• 谱线位置
–吸收线处于电磁波谱上 的位置。
• 谱线强度
–吸收线相应的总吸收的 电磁能量。
压致增宽与多普勒增宽
沃伊特(Voigt)廓线
这一线型就称 为沃伊特廓线
为了简化沃伊特廓线的表征方式，我们令
则有：
式中的沃伊特定义为：
线型增宽总结
1. 自然增宽 洛仑兹线型
→有限的辐射生命期 （均匀增宽：对所有分 2. 碰撞/压致增宽 子的影响是相同的） →由于碰撞，在某一量子态的有限的生命期
一个双原子分子的两个电子能态的势能曲线示意图
离解能级
能 量 激发态 振动能级

1.05
0.001
2.5
31000
0.78
0.06
1.1
320
2.6
1500000
0.79
1.75
1.15
2300
2.7
2200000
0.8
3.6
1.2
1.6
2.8
800000
0.81
33
1.25
0.018
2.9
65000
0.82
135
1.3
290
3
24000
0.83
66
1.35
20000
3.1
23000
• 它是在大气温度变化范围内唯一可以发生相变 的成分。由于水的三态都善于吸收和放射红外 辐射，因而对地面和空气的温度变化也有一定 的影响。
大气遥感
水汽的吸收系数
(m) kl,w (m-1) (m) kl,w (m-1) (m) kl,w (m-1)
0.691.6源自0.9327001.85
220000
0.84
15.5
1.4
110000
3.2
10000
0.85
0.3
1.45
15000
3.3
12000
0.86
0.001
1.5
1500
3.4
1950
0.87
0.001
1.55
0.17
3.5
360
0.88
0.26
1.6
0.001
3.6
310
0.89
6.3
1.65
1
3.7
250
0.9
210