大氣中的熱紅外輻射傳輸課件

第五章大氣中的熱紅外

輻射傳輸熱紅外遙感

所有的物質(zhì)，只要其溫度超過絕對零度，就會不斷發(fā)射紅外能量。常溫的地表物體發(fā)射的紅外能量主要在大于3微米的中遠(yuǎn)紅外區(qū)，是熱輻射。熱紅外輻射不僅與物質(zhì)的表面狀態(tài)有關(guān)，而且是物質(zhì)內(nèi)部組成和溫度的函數(shù)。在大氣傳輸過程中，它能通過3-5微米和8-14微米兩個窗口。

熱紅外遙感就是利用星載或機(jī)載傳感器收集，記錄地物的這種熱紅外信息，并利用這種熱紅外信息來識別地物和反演地表參數(shù)和溫度、濕度和熱慣量等。關(guān)于熱輻射空間所有的物體都通過輻射方式交換著能量，如果沒有其它方式的能量交換，則一物體熱狀態(tài)的變化就決定于放射與吸收輻射能量的差值。當(dāng)物體的輻射能量等于吸收的外來輻射能量，這時該物體處于熱平衡狀態(tài)，因而我們可以用一函數(shù)溫度來描寫它。熱力學(xué)定律可以用于研究平衡輻射的吸收與放射的規(guī)律。一般來說，物體的輻射能量收支并不相等，物體處于非輻射平衡狀態(tài)。但是如果輻射熱交換過程相當(dāng)?shù)穆灾挛矬w中的內(nèi)能的分布來得及變化均勻，并繼續(xù)處于熱平衡狀態(tài)，那這時的輻射可視為具有準(zhǔn)平衡性質(zhì)。此時，物體的溫度是在變化的，但每一給定的瞬時，物體的狀態(tài)都可以看作是平衡的，仍可用一定的溫度來描述它。地球大氣中的輻射過程，一般認(rèn)為在地面以上至60km的大氣仍可視為處于局地輻射平衡狀態(tài)。地表與大氣耦合面能量交換過程復(fù)雜，一般在幾個微米的表層內(nèi)，處于非熱平衡狀態(tài)。傳

感

器衛(wèi)星/計(jì)劃波段數(shù)光譜范圍()空間分辨率(水平/垂直)視

場(度)瞬時視角mrad用

途AIRS大氣紅外探測儀EOS(美國)2300;63.74-15.413.5km-1km49.51.1大氣溫度濕度ASTER高級空間熱輻射熱反射探測器EOS(美國)148-1290m/無

21urad陸地表面,水和云ATSR縱向掃描輻射儀ERS-1(歐空局)2(MWR)3.7,11.012.01km×1km

1km×1km云,海面溫度AVHRR甚高分辨率輻射儀NOAA-11(美國)50.58-12.41.1km星下點(diǎn)/無

1.4海面溫度植被,氣溶膠CERES云和地球輻射能系統(tǒng)EOS(美國)30.3-12.021km星下點(diǎn)/無7824地球輻射平衡HiRDLA高分辨率臨界動態(tài)分辨儀EOS(美國)216.0-18.010km/1km

1km×10km大氣溫度水分及化學(xué)GLI全球成像儀ADEOSII(日本)34可見光,近紅外,熱紅外1km

碳循環(huán)HIRS/21高分辨率紅外輻射探測儀NOAA-11(美國)200.69-14.9520.4m/無

大氣溫度濕度ILAS改進(jìn)型臨邊大氣光譜儀ADEOS(日本)30.753-11.7713km/2km

大氣IR-MSS紅外多光譜掃描儀CBERS(中國/巴西)40.5-12.578m,156m/無8.78

中等分辨率制圖ISTOK-1紅外光譜輻射儀系統(tǒng)PRIRODA-1(俄羅斯)640.4-16.00.75-3km/無

大氣輻射LISS-3線形成像自掃描傳感器3型IRS-1C/1D(印度)40.52-17.523.5m/無

陸地和水資源管理現(xiàn)在及將來地球觀測計(jì)劃紅外傳感器概覽(星載部分)

現(xiàn)在及將來地球觀測計(jì)劃紅外傳感器概覽(星載部分)

MODIS中等高分辨率成像光譜輻射儀EOS（美國）360.4-14.5250m,500m,1km/無

250,5001000m地球物理過程大氣海洋陸地SCARAB輻射收支掃描儀POEM/ENVISAT-1(歐)40.2-50.060km/無10048×48全球輻射收支SR掃描輻射儀FY-2中國30.55-12.05.73km/無

160urad氣象SROM海洋監(jiān)測光譜輻射儀ALMAZ-IB(中/俄)110.405-12.5600m星下點(diǎn)/無

海洋葉綠素生物生產(chǎn)率TMG溫室氣體干涉監(jiān)測儀ADEOS(日本)

0.33-14.010km/2-6km

10溫室氣體制圖VIRS可見光紅外光掃描儀TRMM(美國,日本)53.75,10.812.02km/無

云輻射VISSR可見光紅外光旋轉(zhuǎn)式輻射掃描儀GMS(日本)20.5-0.7510.5-12.51.25-2.5km/無

地球制圖云覆蓋VISSR可見光紅外光自旋輻射掃描儀METEOSAT(歐空局)30.5-12.52.5×2.5km5×5km/無180.14

地球大氣觀測主要的航空成像紅外光譜儀傳

感

器國

別波段數(shù)波段范圍()工作期間視

場(度)瞬時視場mrad用

途AMSS航空多光譜掃描儀澳大利亞68.5-12.0始于1985年922.1×3.1環(huán)境監(jiān)測ASTER模擬儀器美國208-12始于1991年65或1042或5.0云,陸地測量CIS中國成像光譜儀中國123.53-3.9410.5-12.5始于1993年801.2×1.2陸地表面觀測DAIS-7915數(shù)值式航空成像光譜儀

美國163.0-5.08.7-12.7始于1993年64-783.3,2.5或5.0陸地海洋生態(tài)環(huán)境監(jiān)測DAIS-16115數(shù)值式航空成像光譜儀

美國6123.0-5.08.0-12.0始于1994年783陸地海洋生態(tài)環(huán)境監(jiān)測GER-63通道掃描儀美國68.0-12.5始于1986年903.3,2.5或5.0環(huán)境監(jiān)測地質(zhì)研究ISM紅外成像光譜儀法國641.6-3.2始于1991年40可選1.2×11地質(zhì)云雪植被MASMODIS航空模擬儀器美國500.547-14.521始于1992年85.922.5地球物理大氣海洋陸地表面MIVI多光譜紅外及可見光光譜儀美國108.2-12.7始于1993年702.0地質(zhì)和環(huán)境研究MUSIS多光譜紅外照相機(jī)美國90902.5-7.06.0-14.5始于1989年1.30.5化學(xué)蒸發(fā)光譜特征SMIFTS空間可調(diào)成像傅立葉變換光譜儀美國1001.0-5.2始于1993年0.70.77陸地表面觀測·熱紅外遙感是一種重要的對地觀測手段

地表溫度與海面溫度·熱紅外遙感在環(huán)境動態(tài)監(jiān)測中具有宏觀、動態(tài)的優(yōu)點(diǎn)，如農(nóng)作物旱情遙感監(jiān)測、全球環(huán)境變化和中長期天氣預(yù)報(bào)研究；·熱紅外遙感信息機(jī)理研究是遙感定量化的關(guān)鍵環(huán)節(jié)·與海面溫度相比，陸面溫度由于地表的復(fù)雜性面臨更多的困難。 遙感反演大氣水汽、溫度廓線大氣熱紅外輻射的性質(zhì)大氣的長波輻射性質(zhì)很復(fù)雜，不僅與吸收物質(zhì)(水汽，CO2與O2)分布有關(guān)，而且與大氣溫度、壓力有關(guān)。水汽（H2O）在6.3微米有一個較強(qiáng)的吸收帶，二氧化碳(CO2)分別在4.3微米和15微米有較強(qiáng)的吸收帶，O3在9.6微米處一個窄的吸收帶，所以能稱之為窗區(qū)的只有3.5—4.0微米，8—9.5微米和10.5—12.5微米三個波段。

水汽紅外區(qū)吸收帶很強(qiáng)，又占有較寬的波段，是最主要的吸收物質(zhì)，即使在大氣窗區(qū)也仍然有不可忽略的弱吸收作用，如果對海面溫度的測量精度要求在±0.5℃以內(nèi)，則修正大氣效應(yīng)便成為SST的主要問題。大氣在14微米以上，可以看成是近于黑體。地面14微米以上的遠(yuǎn)紅外輻射，不能透過大氣傳向空間。熱紅外光譜和溫室效應(yīng)地氣系統(tǒng)維持輻射平衡狀態(tài)，吸收太陽輻射的同時，也向太空發(fā)射輻射，地氣系統(tǒng)發(fā)射的輻射稱為熱紅外輻射。由能量守恒原理，令表示地氣系統(tǒng)的全球反照率，則由斯蒂芬-玻爾茲曼發(fā)射定律，我們得到平衡方程：S·ae2(1)=Te4·4ae2

ae是地球半徑；S是太陽常數(shù)，代表在大氣頂獲得的能量；Te代表地氣系統(tǒng)的平衡溫度。

于是有：Te

=[S(1)/4

]1/4約為255K根據(jù)第1章的普朗克定律和維恩位移定律可知，由地球和大氣發(fā)射的輻亮度小于太陽輻射的強(qiáng)度，而地球輻射場的峰值強(qiáng)度的波長大于太陽輻射峰值強(qiáng)度的波長。地氣系統(tǒng)發(fā)射的能量也稱為熱紅外輻射或地球輻射。大氣中各種氣體能夠捕獲熱紅外輻射是大氣的特性，所以稱為大氣效應(yīng)，也稱為溫室效應(yīng)。大氣長波輻射傳輸?shù)奶攸c(diǎn)通常假定局地?zé)崞胶獾臒o散射平面平行大氣；各種氣體成份在長波波段有很多吸收帶；長波波段分子散射截面很小，可以忽略空氣分子Rayleigh散射截面與波長四次方成反比，地氣熱輻射98%在4~120微米范圍沙塵、云降水粒子在長波區(qū)散射明顯小于吸收作用，近似時可不考慮散射作用一般氣溶膠對長波輻射傳輸影響??；沙塵粒子尺度和數(shù)密度較大，云滴、雨滴的尺度更大，其對長波輻射的散射和吸收需要考慮大氣頂沒有長波向下輻射源（邊界條件）；地面對長波輻射的吸收有兩個特點(diǎn)：吸收率幾乎不隨波長變化；吸收率接近黑體海洋0.96雪0.995石灰石0.91砂土 0.89麥地0.93草地0.84黃土0.85黑土0.87大氣長波輻射傳輸?shù)奶攸c(diǎn)無散射大氣LW輻射傳輸方程輻射傳輸?shù)钠毡榉匠炭紤]局域問題時，大氣處于熱力學(xué)平衡狀態(tài)，同時是平面平行結(jié)構(gòu)。按波數(shù)域表達(dá)為向上和向下強(qiáng)度的解為無散射大氣LW輻射傳輸方程通過大氣中某一水平面的長波輻射通量密度應(yīng)當(dāng)由該面上的輻射亮度對半球空間積分求得，即：

一般說，大氣中是的函數(shù)，但是與無關(guān)，所以有

若只考慮經(jīng)過氣層的吸收削弱時，方向輻射亮度的變化為：

上式中為氣層中吸收物質(zhì)的訂正光學(xué)質(zhì)量，不隨z而變。

在大氣中任一高度ｚ處，向上和向下的輻射為L↑,L↓,輻射通量密度為F↑，F(xiàn)↓。 高度坐標(biāo)定義地面為0，ｚ向上增加；對應(yīng)的訂正光學(xué)質(zhì)量為u，ｚ減少，ｕ增加。自ｚ至大氣上界的光學(xué)質(zhì)量為，↓的符號表示產(chǎn)生向下輻射的光學(xué)質(zhì)量，表示整層向上輻射的光學(xué)質(zhì)量。 先考慮ｚ高度以上氣層向下的輻射。對于光學(xué)質(zhì)量為du的氣層元，自方向，射入此氣層的輻射要經(jīng)過光學(xué)質(zhì)量的吸收。此微分層對于的吸收率為：上式是同時考慮氣層的吸收削弱和放射增強(qiáng)的長波輻射亮度傳輸方程。同樣，對于向上輻射也有

或者寫為

這種形式的傳輸方程又稱為Schwarzchild方程。這個傳輸方程是一個一階線性微分方程。給出邊條件就可得解。下面分別對于L↑及L↓給出邊界條件。(1)在大氣上界處，由于宇宙空間沒有長波輻射投入，故有：時，，。(2)在地面上，地表熱紅外輻射可以根據(jù)地表發(fā)射率和地表溫度根據(jù)普朗克定律計(jì)算得到。如果把地表近似為黑體，溫度為，則有：時，。將上述邊條件代入傳輸方程的解中，就可得出在ｚ高度上的及：

表示大氣的下行