可見光近紅外波段輻射傳輸方程

可見光近紅外波段輻射傳輸方程第1頁，共32頁，2023年，2月20日，星期三大氣組成

第2頁，共32頁，2023年，2月20日，星期三大氣組成大氣垂直結構Troposphere(對流層)Stratosphere(平流層)Mesosphere(中間層)

Thermosphere(熱層)大氣廓線？第3頁，共32頁，2023年，2月20日，星期三大氣組成對流層鄰近地表的一層。厚度最薄，大氣質量80%，水汽90%。低緯：16~18km;中緯：10~12km;高緯：7~9km.特點：溫度隨高度增加不斷下降，平均6.5oC/km，天氣變化都發(fā)生在該層。垂直方向空氣運動激烈。自地面至2m高的范圍為貼地層,晝夜溫度變化10oC。從地面到1~2km的為行星邊界層，富含氣溶膠粒子，氣溶膠密度隨高度指數(shù)衰減。在行星邊界層以上，主要為分子散射。第4頁，共32頁，2023年，2月20日，星期三大氣組成平流層從對流層頂?shù)?0~55km。約20%大氣質量，水汽少，臭氧(10~40km)豐富，吸收太陽紫外輻射，氣體密度低，分子動能大。特點：20~32km,同溫層。同溫層之上，溫度隨高度增加而增加，到平流層頂溫度停止增加。無垂直運動，穩(wěn)定，導致氣溶膠可以停留很長時間。第5頁，共32頁，2023年，2月20日，星期三大氣組成熱層從中間層頂?shù)綆装俟铩Ｌ攸c：密度很低，溫度約500~2000K。又稱電離層，反射無線電波。沒有固定的化學組成。中間層從平流層頂?shù)?0~85km。特點：溫度遞減化學組成非常均勻，壓力很低。中間層頂?shù)臏囟韧ǔＷ畹停?95oC---遙感通常考慮的高度范圍？第6頁，共32頁，2023年，2月20日，星期三大氣組成AtmosphericConstituentsPermanentGases:基本比例固定，且沒有空間變化。Nitrogen(N2):78.084%byvolumeOxygen(O2):20.948%Argon(Ar):0.934%Carbondioxide(CO2):0.033%濃度可變第7頁，共32頁，2023年，2月20日，星期三大氣組成GaseswithVariableConcentration:隨空間及時間變化明顯。Watervapour(H2O)：0~4%隨溫度、氣壓有劇烈變化，有很強的時空變化特性。集中在對流層下半部，隨高度增加而急劇遞減。

飽和水汽壓 混合比與比濕 水汽壓 水汽密度（絕對濕度） 相對濕度 露點與霜點 虛溫第8頁，共32頁，2023年，2月20日，星期三大氣組成GaseswithVariableConcentration:Ozone(O3)：0~12*10-4吸收紫外，導致平流層增溫，有明顯的地區(qū)和季節(jié)性變化。垂直結構也比較復雜。Sulphurdioxide(SO2)Nitrogendioxide(NO2)Ammonia(NH3)Nitricoxide(NO)Hydrogensulphide(H2S)Nitricacidvapour(HNO3)Nitrousoxide(N2O)Carbonmonoxide(CO)第9頁，共32頁，2023年，2月20日，星期三大氣組成Solidandliquidparticulates:氣溶膠、水滴、冰晶，可能會聚集為云和霾。氣溶膠：大氣中大量懸浮的固體和液體粒子。典型的有霾(灰塵)、煙、霧氣溶膠來源:1）自然：火山、沙暴、林火煙灰、各種酸性粒子。2）人類活動：工業(yè)、交通、建筑、農業(yè)等氣溶膠大小:5*10-3~0.2mm,愛根核(Aitkennuclei)；

0.2~1mm,大粒子；

>1mm,巨粒子氣溶膠分布:對流層內：濃度隨高度指數(shù)衰減(由于降水，不能維持很久)平流層中：穩(wěn)定PM10\PM2.5\TSP？第10頁，共32頁，2023年，2月20日，星期三Mainconstituentsoftheearth'satmosphere第11頁，共32頁，2023年，2月20日，星期三大氣效應第12頁，共32頁，2023年，2月20日，星期三 大氣中的主要組成物氮（N2）和氧（O2）對輻射的吸收主要位于紫外波段，由于大氣上層臭氧的存在，而臭氧對小于0.3微米的電磁波具有極強的吸收能力，所以到達地面的太陽短波輻射中，已不存在小于0.3微米的短波輻射了，因此氧（O2），氮（N2）的吸收作用也就不重要了。

從可見光到紅外到微波波段，起主要作用的是大氣中的一些少量的多變的氣體，它們是臭氧（O3），水汽（H2O），二氧化碳（CO2），甲烷（CH4），氮氨化物（N2O），一氧化碳（CO）等，（以60GHZ為中心的微波氧（O2）吸收帶除外）。

大氣吸收 第13頁，共32頁，2023年，2月20日，星期三

水汽（H2O）是大氣中的重要吸收成分，水汽是一個不對稱的陀螺分子形狀。由于正、負離子的重心不重合，所以水分子是一個極性分子，具有很強的電偶極矩;

水汽的最強和最寬的振轉吸收帶為以6.3微米為中心的吸收帶，其次還有兩個分別以2.74微米和2.66微米為中心的吸收帶，此處，在近紅區(qū)還有很多的吸收帶，1.4、0.94等。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第14頁，共32頁，2023年，2月20日，星期三 它在紅外區(qū)的吸收為15微米為中心，范圍為13.5—16.5微米的強吸收帶。 其二，為以4.3微米為中心的吸收帶； 除此之外還有中心在10.4微米,9.4微米,5.2微米,4.8微米,2.7微米,2.0微米,1.6微米及1.4微米的弱吸收帶都比窄，寬度約為0.1微米量級，所以一般可以不予考慮。

二氧化碳的吸收第15頁，共32頁，2023年，2月20日，星期三 臭氧對紫外光有強烈的吸收作用致使波長短于0.3微米的太陽輻射無法到達地面，在0.6微米附近有一個弱吸收帶；

在紅外區(qū)，以9.6微米為中心有一個較強的吸收帶，其次在4.75微米有一個較顯著的吸收帶，在14微米附近的吸收帶與CO2的強吸收帶重迭。

臭氧吸收第16頁，共32頁，2023年，2月20日，星期三大氣吸收 第17頁，共32頁，2023年，2月20日，星期三大氣吸收 第18頁，共32頁，2023年，2月20日，星期三

經過大氣層的太陽輻射大氣吸收 第19頁，共32頁，2023年，2月20日，星期三大氣效應散射第20頁，共32頁，2023年，2月20日，星期三大氣效應尺度參數(shù)a<0.6,小分子散射(Rayleigh散射)400>a>0.6,大分子散射(Mie散射)a>400,折射和反射散射第21頁，共32頁，2023年，2月20日，星期三n=折射指數(shù)N=單位體積內的粒子個數(shù)瑞利散射第22頁，共32頁，2023年，2月20日，星期三米散射1908年，G.Mie對電磁波通過球開粒子的麥克斯韋方程組求解，得出球形粒子散射與吸收的表達式。（推導從略）第23頁，共32頁，2023年，2月20日，星期三大氣效應實際的大氣透過率受散射與吸收影響。第24頁，共32頁，2023年，2月20日，星期三大氣效應建模第25頁，共32頁，2023年，2月20日，星期三因此，考慮散射源函數(shù)后，輻射傳輸方程可以展開為：回憶平面平行介質中的傳輸方程為：第26頁，共32頁，2023年，2月20日，星期三大氣效應建模第27頁，共32頁，2023年，2月20日，星期三大氣效應建模Absorbingground大氣的等效反射：第28頁，共32頁，2023