大氣遙感

原理 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、氣溫、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。

簡史 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。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。大氣遙感被廣泛應用於氣象衛星、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。

種類 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厘米和1.35厘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厘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衛星探測，獲得了大氣溫度、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。

主動式大氣遙感 它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，空間解析度可高達 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、溫度等氣象信息。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溫度、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。隨著空間實驗室、太空梭等空間技術的發展，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。

參考書目

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