大气遥感

[拼音]：daqi yaogan

[外文]：remote sensing of atmosphere

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。

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。

简史

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。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。

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

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。

主动式大气遥感

它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。

参考书目

Remote Sensing of the Troposphere，