大氣遙感

大氣遙感，是指儀器不直接同某處大氣接觸，在一定距離以外測定某處大氣的成分、運動狀態和氣象要素值的探測方法和技術。氣象雷達和氣象衞星等都屬於大氣遙感的範疇。研究領域不僅包括大氣的物理化學等特徵，還包括地表特性的相關內容。

大氣不僅本身能夠發射各種頻率的流體力學波和電磁波，而且，當這些波在大氣中傳播時,會發生折射、散射、吸收、頻散等經典物理或量子物理效應。由於這些作用，當大氣成分的濃度、氣温、氣壓、氣流、雲霧和降水等大氣狀態改變時，波信號的頻譜、相位、振幅和偏振度等物理特徵就發生各種特定的變化，從而儲存了豐富的大氣信息，向遠處傳送。這樣的波稱為大氣信號。

研製能夠發射、接收、分析並顯示各種大氣信號物理特徵的實驗設備，建立從大氣信號物理特徵中提取大氣信息的理論和方法，即反演理論，是大氣遙感研究的基本任務。為此，必須應用紅外、微波、激光、聲學和電子計算機等一系列的新技術成果，揭示大氣信號在大氣中形成和傳播的物理機制和規律，區別不同大氣狀態下的大氣信號特徵，確立描述大氣信號物理特徵與大氣成分濃度、運動狀態和氣象要素等空間分佈之間定量關係的大氣遙感方程。

這些理論既涉及力學和電磁學等物理學問題，又和大氣動力學、大氣湍流、大氣光學、大氣輻射學、雲和降水物理學和大氣電學等大氣物理學問題有密切的聯繫。 ^[1] 

大氣遙感分為被動式大氣遙感和主動式大氣遙感兩大類。

被動式大氣遙感 　它是利用大氣本身發射的輻射或其他自然輻射源發射的輻射同大氣相互作用的物理效應，進行大氣探測的方法和技術。這些輻射源是：

① 星光以及太陽的紫外、可見光和紅外輻射信號。

② 鋒面、颱風、冰雹雲、龍捲等天氣系統中大氣運動和雷電等所激發的重力波、次聲波和聲波（見大氣聲學）輻射信號，其頻率範圍為10-4～104赫。

③ 大氣本身發射的熱輻射信號，主要是大氣中二氧化碳在4.3微米和1.5微米吸收帶的紅外輻射；水汽在6.3微米和大於18微米吸收帶的紅外輻射，以及在0.164釐米和1.35釐米吸收帶的微波輻射;臭氧在9.6微米吸收帶的紅外輻射和氧在0.5釐米吸收帶的微波輻射等。

④ 大氣中閃電過程以及雲中帶電水滴運動、碰並、破碎和冰晶化（見雲和降水微物理學）過程所激發的無線電波信號，其頻率範圍為100～109赫。 　被動式大氣遙感探測系統主要由信號接收、分析和結果顯示等 3部分所組成。由於這種遙感不需要信號發射設備，探測系統的體積、重量和功耗都大為減小。被動式大氣遙感技術從60年代開始即用於氣象衞星探測，獲得了大氣温度、水汽、臭氧、雲和降水、雷電、地-氣系統輻射收支等全球觀測資料。但是，被動式大氣遙感系統探測器所接收到的，是探測器視野內整層大氣的大氣信號的積分總效應，要從中足夠精確地反演出某層大氣成分或氣象要素鉛直分佈（廓線）的精細結構還很困難。比較成功的方法有2種：一種是頻譜法,即觀測分析大氣信號的頻譜，以反演大氣成分和氣象要素廓線；另一種是掃角法，即觀測大氣信號某一物理特徵在沿探測器不同方位視野上的分佈，以反演大氣成分和氣象要素的廓線。 ^[1] 

主動式大氣遙感，是由人採用多種手段向大氣發射各種頻率的高功率的波信號，然後接收、分析並顯示被大氣反射回來的回波信號，從中提取大氣成分和氣象要素的信息的方法和技術。主動式大氣遙感有聲雷達、氣象激光雷達、微波氣象雷達和甚高頻和超高頻多普勒雷達等。這些雷達都能發射很窄的脈衝信號。激光氣象雷達發射的光脈衝寬度只有10納秒左右，利用它探測大氣，空間分辨率可高達 1米左右。此外，雷達脈衝信號發射的重複頻率，已經高達104赫以上,應用信號檢測理論和技術，可以有效地提高探測精度和距離。

在量子無線電物理和技術發展以後，雷達能夠發射頻率十分單一、穩定且時空相干性非常好的波信號。由此產生的大氣信號回波的多普勒頻譜結構非常精細，從中可以精確地分析出風、湍流、温度等氣象信息。這些都是主動式大氣遙感的突出優點，但由於增加了高功率的信號發射設備，探測系統的體積、重量和功耗比被動式大氣遙感要增加幾十倍以上，因此較多地應用於地面大氣探測和飛機探測。它可提供從幾公里到幾百公里範圍內大氣的温度、濕度、氣壓、風、雲和降水、雷電、大氣水平和斜視能見度、大氣湍流、大氣微量氣體的成分等分佈的探測資料，是研究中小尺度天氣系統結構和環境監測的有效手段。隨着空間實驗室、航天飛機等空間技術的發展，主動式大氣遙感應用於空間大氣探測的現實性也愈來愈大。 ^[1] 

根據探測位置的不同可以分為星載大氣遙感和地基大氣遙感。

星載大氣遙感是指利用衞星搭載的大氣紅外超光譜探測器來獲得大氣數據。氣象衞星分為兩類，一種是極軌氣象衞星，另一種是靜止氣象衞星。前者分辨率較高，但是對於特定地區的掃描週期較長，這樣的衞星每天在固定時間內經過同一地區2次，因而每隔12小時就可獲得一份全球的氣象資料，好在有6顆在同時運轉，就成了每兩小時更新一次；而後者則是分辨率較低，但覆蓋區域廣，因而5顆這樣的衞星就可形成覆蓋全球中、低緯度地區的觀測網，每一小時就可以更新一次。

氣象衞星分為兩個系列:極軌氣象衞星 主要目的和靜止氣象衞星。極軌氣象衞星大氣探測的主要目的是獲取全球均勻分佈的大氣温度、濕度、大氣成分（如臭氧、氣溶膠、甲烷等）的三維結構的定量遙感產品，為全球數值天氣預報和氣候預測模式提供初始信息；靜止氣象衞星大氣探測的主要目的是獲取高頻次區域大氣温度、濕度及大氣成分的三維定量遙感產品，為區域中小尺度天氣預報模式以及短期和短時天氣預報提供熱力廠和動力廠（温度、濕度、輻射值）、空間四維變化信息，進而達到改進區域中小尺度天氣預報、颱風、暴雨等重大災害性天氣預報準確率的目的。 ^[2] 

缺點：低空位置的精度由於雲層，氣溶膠及其它地表氣體温度的影響而降低

顧名思義，地基大氣遙感就是講紅外超光譜探測器放置於地面來獲得大氣數據。從地面測量向下的輻射相對於衞星，可以避免高空氣體物質也會隨温度，壓力不同輻射紅外光對探測器測量精度的影響，從而可以給出極好的行星邊界層數據，結合衞星及地基光譜儀測量可以提供完整，準確的氣候信息。

當前氣溶膠光學厚度監測的方法主要有地基遙感和衞星遙感。

地基遙感的方法有很多，以多波段光度計遙感最為普遍，國際項目AERONET (AerosolRoboticNETwork)在世界各地的500多個站點佈置了多波段太陽光度計,在我國也有30個站點，進行長期不間斷觀測氣溶膠的詳細光學特性。其觀測數據可通過衞星傳送至網上發佈，信息全球共享。AERONET網絡的建立不但可以獲得全球尺度範圍內的氣溶膠光學特性的分佈信息，同時也為衞星遙感氣溶膠提供地面多通道遙感的對比資料。

在地基多波段光度計遙感中，使用最多的是法國CIMEL公司研製的多波段自動跟蹤太陽輻射計CE-318，其波段設置如下表所示。一般利用其中的1020nm、870nm和440nm通道進行定標和氣溶膠光學厚度反演。

地面遙感氣溶膠可以得到較為準確的氣溶膠信息，但是這種方法只能在有限的區域進行，不能用來監測大範圍氣溶膠光學特性。衞星遙感技術的出現與發展，使人們能從宇宙空間觀測全球。這種技術具有視域廣、及時、連續的特點，可以迅速地查明環境污染狀況，為預防和治理環境污染提供及時、可靠的依據。

衞星遙感氣溶膠的研究始於七十年代中期，能夠用於氣溶膠探測的傳感器很多。使用衞星數據探測氣溶膠，利用最早的數據是AVHRR數據，另外一種較早的用來獲取氣溶膠性質的傳感器是TOMS，1997年，NASA和OrbImage發射了SeaWiFS傳感器，能夠用來獲得洋麪上的氣溶膠數據。1999年NASA發射了Terra衞星後，人類在氣溶膠的遙感監測能力方面得到了很大的提高。Terra攜帶了兩種針對氣溶膠探測的傳感器，MODIS和MISR。

我國的衞星傳感器也得到了迅速的發展，1988年9月7日，我國成功地發射風雲一號A衞星(FY-1A),1997年6月10日，成功發射風雲2號A氣象衞星( FY-2A);1999年10月14日，成功發射中巴地球資源一號衞星(CBERS--1);2002年5月，我國成功地發射海洋一號衞星(HY-1)。我國逐步形成了氣象衞星、海洋衞星以及資源衞星三大遙感衞星系列，在我國氣溶膠的監測方面發揮着重要作用。此外，即將於2008年7月份發射的環境與減災衞星攜帶的高光譜傳感器和寬覆蓋多波段傳感器，也將大大提高我國衞星遙感氣溶膠的能力。

由於衞星傳感器獲得輻射值是大氣和地表的綜合信息，複雜的地表類型和氣溶膠類型使氣溶膠光學厚度反演面臨多種困難，各類氣溶膠光學厚度反演方法都是根據地表類型和氣溶膠組成的差異從不同的角度實現氣溶膠光學厚度的反演。 ^[3] 

沙塵暴指由於強風將地面大量沙塵吹起，使空氣很混濁，水平能見度小於1km的天氣現象。沙塵天氣包括：沙塵暴、浮塵、揚沙和塵卷4種天氣現象，國內所指沙塵暴天氣只包括前3種。強風、沙塵源物質和不穩定氣流以及植被覆蓋度和土壤乾濕程度是沙塵暴形成的重要條件

以2002年春季（3-5月）北方監測的沙塵暴為例

2002年度中國氣象局國家衞星氣象中心在沙塵暴監測中主要使用了我國極軌氣象衞星風雲一號D（FY-1D）衞星和美國極軌氣象衞星（NOAA）AVHRR的2、3、4通道計算後得到的沙塵範圍。 ^[3] 

2007年3月14日清晨我國京津冀地區、渤海灣、遼東半島東南部及其近海海域出現大霧天氣，華北大部地區多為輕霧或霾的天氣。 ^[3] 

利用衞星反演大氣温濕度廓線的主要原理是由美國科學家King和Kaplan提出的。在King的開創性論文中，他指出角輻亮度分佈是作為光學厚度函數的普朗克強度分佈的拉普拉斯變換,並且説明了由衞星強度掃描測量結果導出温度廓線的可行性。Kaplan通過大氣紅外熱輻射的光譜分佈指出由於不同波長髮射輻射的平均自由程不同，在光譜帶翼區的觀測可以感知深部大氣，而在帶中心的觀測僅能感知頂層附近的大氣，從而證實了温度場的垂直分辨率可由大氣發射的譜分佈導出，這一理論成為廣泛應用的星載大氣探測儀數據處理和温濕度、臭氧廓線反演的基礎。

在此工作基礎上，美國人在七十年代設計了濾光片式紅外大氣探測儀，在當時稱之為高分辨率紅外輻射探測器HIRS（HighResolutionInfraredRadiation Sounder）。作為衞星大氣探測的核心儀器,HIRS同微波探測器MSU（Microwave Sounding Unit）和平流層探測器SSU(Stratospheric Sounding Unit)共同組成了泰羅斯業務垂直探測系統-TOVS並於1978年開始在第三代極軌業務衞星NOAA系列上使用,率先實現了對大氣温、濕廓線定量遙感的重大突破。

自70年代末期,中科院大氣物理所、國家衞星氣象中心就先後開始了美國NOAA衞星

地面數據接收系統的研製工作。

馬霞麟、張鳳英利用NOAA衞星高分辨率紅外大氣探測器（HIRS/2）9.7um通道輻射率值進行了臭氧總含量物理反演的計算試驗,獲得了反演精度優於3%的滿意結果。 ^[3] 

大氣遙感研究開始於20世紀20年代，應用吸收光譜定量分析理論和實驗技術，在地面觀測透過大氣層的太陽紫外和近紅外光譜的輻射信號，推算出大氣層內臭氧和水汽的總含量。到40年代中期，用於軍事偵察的微波雷達發現了來自雲雨的回波信號。進一步研究表明，回波強度和降水強度密切相關。由此氣象雷達獲得迅速發展，成為探測降水、監測颱風和風暴等災害性天氣的有效手段。 ^[1] 

20世紀60年代以後，紅外、微波、激光、聲學和電子計算機等新技術蓬勃發展，對大氣信號的認識遍及聲波、紫外、可見光、紅外、微波、無線電波等波段，形成了聲波大氣遙感、光學大氣遙感、激光大氣遙感、紅外大氣遙感、微波大氣遙感等各個分支。大氣遙感發展成為大氣科學的新興學科分支。 ^[4]  被廣泛應用於氣象衞星、空間實驗室、飛機和地面氣象觀測，成為氣象觀測中具有廣闊發展前景的重要領域。 ^[1] 

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