[科普中国]-大气遥感

定义

大气遥感，是指仪器不直接同某处大气接触，在一定距离以外测定某处大气的成分、运动状态和气象要素值的探测方法和技术。气象雷达和气象卫星等都属于大气遥感的范畴。研究领域不仅包括大气的物理化学等特征，还包括地表特性的相关内容。

原理大气不仅本身能够发射各种频率的流体力学波和电磁波，而且,当这些波在大气中传播时,会发生折射、散射、吸收、频散等经典物理或量子物理效应。由于这些作用，当大气成分的浓度、气温、气压、气流、云雾和降水等大气状态改变时，波信号的频谱、相位、振幅和偏振度等物理特征就发生各种特定的变化，从而储存了丰富的大气信息，向远处传送。这样的波称为大气信号。研制能够发射、接收、分析并显示各种大气信号物理特征的实验设备，建立从大气信号物理特征中提取大气信息的理论和方法，即反演理论，是大气遥感研究的基本任务。为此，必须应用红外、微波、激光、声学和电子计算机等一系列的新技术成果，揭示大气信号在大气中形成和传播的物理机制和规律，区别不同大气状态下的大气信号特征，确立描述大气信号物理特征与大气成分浓度、运动状态和气象要素等空间分布之间定量关系的大气遥感方程。这些理论既涉及力学和电磁学等物理学问题，又和大气动力学、大气湍流、大气光学、大气辐射学、云和降水物理学和大气电学等大气物理学问题有密切的联系。1

种类大气遥感分为被动式大气遥感和主动式大气遥感两大类。

被动式大气遥感

被动式大气遥感 它是利用大气本身发射的辐射或其他自然辐射源发射的辐射同大气相互作用的物理效应，进行大气探测的方法和技术。这些辐射源是：

① 星光以及太阳的紫外、可见光和红外辐射信号。

② 锋面、台风、冰雹云、龙卷等天气系统中大气运动和雷电等所激发的重力波、次声波和声波（见大气声学）辐射信号，其频率范围为10-4～104赫。

③ 大气本身发射的热辐射信号，主要是大气中二氧化碳在4.3微米和1.5微米吸收带的红外辐射；水汽在6.3微米和大于18微米吸收带的红外辐射，以及在0.164厘米和1.35厘米吸收带的微波辐射;臭氧在9.6微米吸收带的红外辐射和氧在0.5厘米吸收带的微波辐射等。

④ 大气中闪电过程以及云中带电水滴运动、碰并、破碎和冰晶化（见云和降水微物理学）过程所激发的无线电波信号，其频率范围为100～109赫。 被动式大气遥感探测系统主要由信号接收、分析和结果显示等 3部分所组成。由于这种遥感不需要信号发射设备，探测系统的体积、重量和功耗都大为减小。被动式大气遥感技术从60年代开始即用于气象卫星探测，获得了大气温度、水汽、臭氧、云和降水、雷电、地-气系统辐射收支等全球观测资料。但是，被动式大气遥感系统探测器所接收到的，是探测器视野内整层大气的大气信号的积分总效应，要从中足够精确地反演出某层大气成分或气象要素铅直分布（廓线）的精细结构还很困难。比较成功的方法有2种：一种是频谱法,即观测分析大气信号的频谱，以反演大气成分和气象要素廓线；另一种是扫角法，即观测大气信号某一物理特征在沿探测器不同方位视野上的分布，以反演大气成分和气象要素的廓线。1

主动式大气遥感

主动式大气遥感，是由人采用多种手段向大气发射各种频率的高功率的波信号，然后接收、分析并显示被大气反射回来的回波信号，从中提取大气成分和气象要素的信息的方法和技术。主动式大气遥感有声雷达、气象激光雷达、微波气象雷达和甚高频和超高频多普勒雷达等。这些雷达都能发射很窄的脉冲信号。激光气象雷达发射的光脉冲宽度只有10纳秒左右，利用它探测大气，空间分辨率可高达 1米左右。此外，雷达脉冲信号发射的重复频率，已经高达104赫以上,应用信号检测理论和技术，可以有效地提高探测精度和距离。在量子无线电物理和技术发展以后，雷达能够发射频率十分单一、稳定且时空相干性非常好的波信号。由此产生的大气信号回波的多普勒频谱结构非常精细，从中可以精确地分析出风、湍流、温度等气象信息。这些都是主动式大气遥感的突出优点，但由于增加了高功率的信号发射设备，探测系统的体积、重量和功耗比被动式大气遥感要增加几十倍以上，因此较多地应用于地面大气探测和飞机探测。它可提供从几公里到几百公里范围内大气的温度、湿度、气压、风、云和降水、雷电、大气水平和斜视能见度、大气湍流、大气微量气体的成分等分布的探测资料，是研究中小尺度天气系统结构和环境监测的有效手段。随着空间实验室、航天飞机等空间技术的发展，主动式大气遥感应用于空间大气探测的现实性也愈来愈大。1

根据探测位置的不同可以分为星载大气遥感和地基大气遥感

星载大气遥感

星载大气遥感是指利用卫星搭载的大气红外超光谱探测器来获得大气数据。气象卫星分为两类，一种是极轨气象卫星，另一种是静止气象卫星。前者分辨率较高，但是对于特定地区的扫描周期较长，这样的卫星每天在固定时间内经过同一地区2次，因而每隔12小时就可获得一份全球的气象资料，好在有6颗在同时运转，就成了每两小时更新一次；而后者则是分辨率较低，但覆盖区域广，因而5颗这样的卫星就可形成覆盖全球中、低纬度地区的观测网，每一小时就可以更新一次。

气象卫星分为两个系列:极轨气象卫星 主要目的和静止气象卫星。极轨气象卫星大气探测的主要目的是获取全球均匀分布的大气温度、湿度、大气成分（如臭氧、气溶胶、甲烷等）的三维结构的定量遥感产品，为全球数值天气预报和气候预测模式提供初始信息；静止气象卫星大气探测的主要目的是获取高频次区域大气温度、湿度及大气成分的三维定量遥感产品，为区域中小尺度天气预报模式以及短期和短时天气预报提供热力厂和动力厂（温度、湿度、辐射值）、空间四维变化信息，进而达到改进区域中小尺度天气预报、台风、暴雨等重大灾害性天气预报准确率的目的。2

缺点：低空位置的精度由于云层，气溶胶及其它地表气体温度的影响而降低

地基大气遥感

顾名思义，地基大气遥感就是讲红外超光谱探测器放置于地面来获得大气数据。从地面测量向下的辐射相对于卫星，可以避免高空气体物质也会随温度，压力不同辐射红外光对探测器测量精度的影响，从而可以给出极好的行星边界层数据，结合卫星及地基光谱仪测量可以提供完整，准确的气候信息。

应用应用一：气溶胶的监测当前气溶胶光学厚度监测的方法主要有地基遥感和卫星遥感。

地基遥感的方法有很多，以多波段光度计遥感最为普遍，国际项目AERONET (AerosolRoboticNETwork)在世界各地的500多个站点布置了多波段太阳光度计,在我国目前也有30个站点，进行长期不间断观测气溶胶的详细光学特性。其观测数据可通过卫星传送至网上发布，信息全球共享。AERONET网络的建立不但可以获得全球尺度范围内的气溶胶光学特性的分布信息，同时也为卫星遥感气溶胶提供地面多通道遥感的对比资料。

在地基多波段光度计遥感中，使用最多的是法国CIMEL公司研制的多波段自动跟踪太阳辐射计CE-318，其波段设置如下表所示。一般利用其中的1020nm、870nm和440nm通道进行定标和气溶胶光学厚度反演。

地面遥感气溶胶可以得到较为准确的气溶胶信息，但是目前这种方法只能在有限的区域进行，不能用来监测大范围气溶胶光学特性。卫星遥感技术的出现与发展，使人们能从宇宙空间观测全球。这种技术具有视域广、及时、连续的特点，可以迅速地查明环境污染状况，为预防和治理环境污染提供及时、可靠的依据。

卫星遥感气溶胶的研究始于七十年代中期，目前能够用于气溶胶探测的传感器很多。使用卫星数据探测气溶胶，利用最早的数据是AVHRR数据，另外一种较早的用来获取气溶胶性质的传感器是TOMS，1997年，NASA和OrbImage发射了SeaWiFS传感器，能够用来获得洋面上的气溶胶数据。1999年NASA发射了Terra卫星后，人类在气溶胶的遥感监测能力方面得到了很大的提高。Terra携带了两种针对气溶胶探测的传感器，MODIS和MISR。

我国的卫星传感器也得到了迅速的发展，1988年9月7日，我国成功地发射风云一号A卫星(FY-1A),1997年6月10日，成功发射风云2号A气象卫星( FY-2A);1999年10月14日，成功发射中巴地球资源一号卫星(CBERS--1);2002年5月，我国成功地发射海洋一号卫星(HY-1)。我国逐步形成了气象卫星、海洋卫星以及资源卫星三大遥感卫星系列，在我国气溶胶的监测方面发挥着重要作用。此外，即将于2008年7月份发射的环境与减灾卫星携带的高光谱传感器和宽覆盖多波段传感器，也将大大提高我国卫星遥感气溶胶的能力。

由于卫星传感器获得辐射值是大气和地表的综合信息，复杂的地表类型和气溶胶类型使气溶胶光学厚度反演面临多种困难，各类气溶胶光学厚度反演方法都是根据地表类型和气溶胶组成的差异从不同的角度实现气溶胶光学厚度的反演。3

应用二：基于气象卫星的沙尘暴遥感监测沙尘暴指由于强风将地面大量沙尘吹起，使空气很混浊，水平能见度小于1km的天气现象。沙尘天气包括：沙尘暴、浮尘、扬沙和尘卷4种天气现象，国内所指沙尘暴天气只包括前3种。强风、沙尘源物质和不稳定气流以及植被覆盖度和土壤干湿程度是沙尘暴形成的重要条件

以2002年春季（3-5月）北方监测的沙尘暴为例

2002年度中国气象局国家卫星气象中心在沙尘暴监测中主要使用了我国极轨气象卫星风云一号D（FY-1D）卫星和美国极轨气象卫星（NOAA）AVHRR的2、3、4通道计算后得到的沙尘范围。3

应用三：基于气象卫星的雾监测2007年3月14日清晨我国京津冀地区、渤海湾、辽东半岛东南部及其近海海域出现大雾天气，华北大部地区多为轻雾或霾的天气。3

应用四：臭氧层监测利用卫星反演大气温湿度廓线的主要原理是由美国科学家King和Kaplan提出的。在King的开创性论文中,他指出角辐亮度分布是作为光学厚度函数的普朗克强度分布的拉普拉斯变换,并且说明了由卫星强度扫描测量结果导出温度廓线的可行性。Kaplan通过大气红外热辐射的光谱分布指出由于不同波长发射辐射的平均自由程不同,在光谱带翼区的观测可以感知深部大气,而在带中心的观测仅能感知顶层附近的大气,从而证实了温度场的垂直分辨率可由大气发射的谱分布导出,这一理论成为目前广泛应用的星载大气探测仪数据处理和温湿度、臭氧廓线反演的基础。在此工作基础上,美国人在七十年代设计了滤光片式红外大气探测仪,在当时称之为高分辨率红外辐射探测器HIRS（HighResolutionInfraredRadiation Sounder）。作为卫星大气探测的核心仪器,HIRS同微波探测器MSU（Microwave Sounding Unit）和平流层探测器SSU(Stratospheric Sounding Unit)共同组成了泰罗斯业务垂直探测系统-TOVS并于1978年开始在第三代极轨业务卫星NOAA系列上使用,率先实现了对大气温、湿廓线定量遥感的重大突破。

自70年代末期,中科院大气物理所、国家卫星气象中心就先后开始了美国NOAA卫星

地面数据接收系统的研制工作。

应用实例

马霞麟、张凤英利用NOAA卫星高分辨率红外大气探测器（HIRS/2）9.7um通道辐射率值进行了臭氧总含量物理反演的计算试验,获得了反演精度优于3%的满意结果。3

研究历史大气遥感研究开始于20世纪20年代，应用吸收光谱定量分析理论和实验技术，在地面观测透过大气层的太阳紫外和近红外光谱的辐射信号，推算出大气层内臭氧和水汽的总含量。到40年代中期，用于军事侦察的微波雷达发现了来自云雨的回波信号。进一步研究表明，回波强度和降水强度密切相关。由此气象雷达获得迅速发展，成为探测降水、监测台风和风暴等灾害性天气的有效手段。1

20世纪60年代以后，红外、微波、激光、声学和电子计算机等新技术蓬勃发展，对大气信号的认识遍及声波、紫外、可见光、红外、微波、无线电波等波段，形成了声波大气遥感、光学大气遥感、激光大气遥感、红外大气遥感、微波大气遥感等各个分支。大气遥感发展成为大气科学的新兴学科分支。4被广泛应用于气象卫星、空间实验室、飞机和地面气象观测，成为气象观测中具有广阔发展前景的重要领域。1

参考书目

V.E.Derr,ed.,Remote Sensing of the Troposphere，U.S.Government Printing Office，Washingtoh，D.C.，1972.