可见光近红外波段辐射传输方程.ppt

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1、大气效应及建模大气效应及建模大气组成大气组成大气组成大气组成大气垂直结构大气垂直结构Troposphere(对流层对流层)Stratosphere(平流层平流层)Mesosphere(中间层中间层)Thermosphere(热层热层)大气廓线？大气廓线？大气组成大气组成对流层对流层邻近地表的一层。厚度最薄，大气质量邻近地表的一层。厚度最薄，大气质量80%，水汽，水汽90%。低纬：低纬：1618km;中纬：中纬：1012km;高纬：高纬：79km.特点：特点：a.温度随高度增加不断下降，平均温度随高度增加不断下降，平均6.5C/km，天气变，天气变化都发生在该层。化都发生在该层。b.垂直方向空气

2、运动激烈。垂直方向空气运动激烈。c.自地面至自地面至2m高的范围为高的范围为贴地层贴地层,昼夜温度变化昼夜温度变化10C。从地面到从地面到12km的为的为行星边界层行星边界层，富含气溶胶粒子，富含气溶胶粒子，气溶胶密度随高度指数衰减。气溶胶密度随高度指数衰减。d.在在行星边界层行星边界层以上，主要为分子散射。以上，主要为分子散射。大气组成大气组成平流层平流层从对流层顶到从对流层顶到5055km。约。约20%大气质量，水汽少，大气质量，水汽少，臭氧臭氧(1040km)丰富，丰富，吸收太阳紫外辐射吸收太阳紫外辐射，气体密度低，分子，气体密度低，分子动能大。动能大。特点：特点：a.2032km,同温

3、层。同温层。b.同温层之上，温度随高度增加而增加，到平流层顶温同温层之上，温度随高度增加而增加，到平流层顶温度停止增加。度停止增加。c.无垂直运动，稳定，导致气溶胶可以停留很长时间。无垂直运动，稳定，导致气溶胶可以停留很长时间。大气组成大气组成热层热层从中间层顶到几百公里。特点：从中间层顶到几百公里。特点：a.密度很低，温度约密度很低，温度约5002000K。b.又称电离层，反射无线电波。又称电离层，反射无线电波。c.没有固定的化学组成。没有固定的化学组成。中间层中间层从平流层顶到从平流层顶到8085km。特点：特点：a.温度递减温度递减b.化学组成非常均匀，压力很低。化学组成非常均匀，压力很

4、低。c.中间层顶的温度通常最低：中间层顶的温度通常最低：-95C-遥感通常考虑的高度范围？遥感通常考虑的高度范围？大气组成大气组成AtmosphericConstituentsPermanentGases:基本比例固定，且没有空间变化。基本比例固定，且没有空间变化。Nitrogen(N2):78.084%byvolumeOxygen(O2):20.948%Argon(Ar):0.934%Carbondioxide(CO2):0.033%浓浓度可变度可变大气组成大气组成GaseswithVariableConcentration:随空间及时间变化明显。随空间及时间变化明显。Watervapour

5、(H2O)：04%随温度、气压有剧烈变化，有很强的时空变化特性。随温度、气压有剧烈变化，有很强的时空变化特性。集中在对流层下半部，随高度增加而急剧递减。集中在对流层下半部，随高度增加而急剧递减。饱和水汽压饱和水汽压混合比与比湿混合比与比湿水汽压水汽压水汽密度（绝对湿度）水汽密度（绝对湿度）相对湿度相对湿度露点与霜点露点与霜点虚温虚温大气组成大气组成GaseswithVariableConcentration:Ozone(O3)：012*10-4吸收紫外，导致平流层增温，有明显的地区和季节性吸收紫外，导致平流层增温，有明显的地区和季节性变化。垂直结构也比较复杂。变化。垂直结构也比较复杂。Sulp

6、hurdioxide(SO2)Nitrogendioxide(NO2)Ammonia(NH3)Nitricoxide(NO)Hydrogensulphide(H2S)Nitricacidvapour(HNO3)Nitrousoxide(N2O)Carbonmonoxide(CO)大气组成大气组成Solidandliquidparticulates:气溶胶、水滴、冰晶，可能会聚集为云和霾。气溶胶、水滴、冰晶，可能会聚集为云和霾。气溶胶：大气中大量悬浮的固体和液体粒子。气溶胶：大气中大量悬浮的固体和液体粒子。典型的有霾典型的有霾(灰尘灰尘)、烟、雾、烟、雾气溶胶来源气溶胶来源:1）自然：火山、沙暴

7、、林火烟灰、各种酸性粒子。）自然：火山、沙暴、林火烟灰、各种酸性粒子。2）人类活动：工业、交通、建筑、农业等）人类活动：工业、交通、建筑、农业等气溶胶大小气溶胶大小:5*10-30.2m mm,爱根核爱根核(Aitkennuclei)；0.21m mm,大粒子；大粒子；1m mm,巨粒子巨粒子气溶胶分布气溶胶分布:对流层内：浓度随高度指数衰减对流层内：浓度随高度指数衰减(由于降水，不能维持很久由于降水，不能维持很久)平流层中：稳定平流层中：稳定PM10PM2.5TSP？Mainconstituentsoftheearthsatmosphere大气效应大气效应大大气气中中的的主主要要组组成成物物

8、氮氮（N2）和和氧氧（O2）对对辐辐射射的的吸吸收收主主要要位位于于紫紫外外波波段段，由由于于大大气气上上层层臭臭氧氧的的存存在在，而而臭臭氧氧对对小小于于0.3微微米米的的电电磁磁波波具具有有极极强强的的吸吸收收能能力力，所所以以到到达达地地面面的的太太阳阳短短波波辐辐射射中中，已已不不存存在在小小于于0.3微微米米的的短短波波辐辐射射了了，因因此此氧氧（O2），氮氮（N2）的的吸收作用也就不重要了。吸收作用也就不重要了。从从可可见见光光到到红红外外到到微微波波波波段段，起起主主要要作作用用的的是是大大气气中中的的一一些些少少量量的的多多变变的的气气体体，它它们们是是臭臭氧氧（O3），水水汽

9、汽（H2O），二二氧氧化化碳碳（CO2），甲甲烷烷（CH4），氮氮氨氨化化物物（N2O），一一氧氧化化碳碳（CO）等等，（以（以60GHZ为中心的微波氧（为中心的微波氧（O2）吸收带除外）。吸收带除外）。大气吸收大气吸收水水汽汽（H2O）是是大大气气中中的的重重要要吸吸收收成成分分，水水汽汽是是一一个个不不对对称称的的陀陀螺螺分分子子形形状状。由由于于正正、负负离离子子的的重重心心不不重重合合，所所以以水水分分子子是一个极性分子，具有很强的电偶极矩是一个极性分子，具有很强的电偶极矩;水水汽汽的的最最强强和和最最宽宽的的振振转转吸吸收收带带为为以以6.3微微米米为为中中心心的的吸吸收收带带，其其

10、次次还还有有两两个个分分别别以以2.74微微米米和和2.66微微米米为为中中心心的的吸吸收收带带，此此处，在近红区还有很多的吸收带，处，在近红区还有很多的吸收带，1.4、0.94等。等。水汽的吸收水汽的吸收0.00.20.40.60.81.00.20.40.60.81.01.21.41.61.82.02.22.42.62.83.03.23.43.63.84.0它它在在红红外外区区的的吸吸收收为为15微微米米为为中中心心，范范围围为为13.516.5微微米米的强吸收带。的强吸收带。其二，为以其二，为以4.3微米微米为中心的吸收带；为中心的吸收带；除除此此之之外外还还有有中中心心在在10.4微微米

11、米,9.4微微米米,5.2微微米米,4.8微微米米,2.7微微米米,2.0微微米米,1.6微微米米及及1.4微微米米的的弱弱吸吸收收带带都都比比窄窄，宽宽度度约约为为0.1微微米米量级，所以一般可以不予考虑。量级，所以一般可以不予考虑。二氧化碳的吸收二氧化碳的吸收臭臭氧氧对对紫紫外外光光有有强强烈烈的的吸吸收收作作用用致致使使波波长长短短于于0.3微微米米的的太太阳阳辐辐射射无无法法到到达达地地面面，在在0.6微微米米附附近近有有一一个个弱弱吸收带；吸收带；在在红红外外区区，以以9.6微微米米为为中中心心有有一一个个较较强强的的吸吸收收带带，其其次次在在4.75微微米米有有一一个个较较显显著著

12、的的吸吸收收带带，在在14微微米米附附近近的吸收带与的吸收带与CO2的强吸收带重迭。的强吸收带重迭。臭氧吸收臭氧吸收大气吸收大气吸收大大气气吸吸收收经过大气层的太阳辐射经过大气层的太阳辐射大气吸收大气吸收大气效应大气效应散射散射大气效应大气效应尺度参数aa0.6,大分子散射(Mie散射)a400,折射和反射散射散射n=折射指数N=单位体积内的粒子个数瑞利散射瑞利散射米散射米散射1908年，G.Mie对电磁波通过球开粒子的麦克斯韦方程组求解，得出球形粒子散射与吸收的表达式。（推导从略）大气效应大气效应实际的大气透过率受散射与吸收影响。实际的大气透过率受散射与吸收影响。大气效应建模大气效应建模因此

13、，考虑散射源函数后，辐射传输方程可以展因此，考虑散射源函数后，辐射传输方程可以展因此，考虑散射源函数后，辐射传输方程可以展因此，考虑散射源函数后，辐射传输方程可以展开为：开为：开为：开为：回忆平面平行介质中的传输方程为：回忆平面平行介质中的传输方程为：回忆平面平行介质中的传输方程为：回忆平面平行介质中的传输方程为：大气效应建模大气效应建模大气效应建模大气效应建模Absorbingground大气的等效反射：大气效应建模大气效应建模EiEt大气的透射：大气效应建模大气效应建模地表的反射：大气效应建模大气效应建模 vErE0大气的透射：大气效应建模大气效应建模表观反射率：大气效应建模大气效应建模groundatmosphere albedo=Satm大气与地表间的散射大气效应建模大气效应建模考虑多次散射后的表观反射率考虑多次散射后的表观反射率：大气效应建模大气效应建模