衛(wèi)星氣象學(xué)課件：第3章 衛(wèi)星遙感輻射基礎(chǔ)

1、第三章 衛(wèi)星遙感輻射基礎(chǔ),本章主要內(nèi)容： 1. 輻射的基本知識(shí) 2.大氣輻射傳輸方程衛(wèi)星探測(cè)大氣的理論基礎(chǔ) 3.氣象衛(wèi)星遙感的基本原理 掌握重點(diǎn)： 輻射的基本概念、黑體輻射定律和大氣窗區(qū),氣象衛(wèi)星遙感地球大氣的溫度、濕度、云雨演變等氣象要素是通過探測(cè)地球大氣系統(tǒng)發(fā)射或反射的電磁波而實(shí)現(xiàn)的，因此，電磁輻射是氣象衛(wèi)星遙感的基礎(chǔ)。,1、電磁波譜和輻射度量 2、輻射基本定律 3、大氣的選擇吸收性,第一節(jié) 輻射的基本知識(shí),1、電磁波譜和輻射度量 輻射：以電磁波的形式傳輸能量的現(xiàn)象以及傳輸?shù)哪芰勘旧斫凶鲚椛洹?輻射是能量傳輸?shù)囊环N重要機(jī)制，不需要通過任何介質(zhì)進(jìn)行傳輸。 電磁波：不斷做周期變化的電磁場(chǎng)在空間

2、中傳輸，電磁波的傳輸方向分別垂直于電場(chǎng)強(qiáng)度矢量和磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量的方向。 電磁波性質(zhì)一般以波長(zhǎng),頻率f或波數(shù)來(lái)表示 （P53）,3.1 輻射的基本知識(shí),一、電磁波譜 按波長(zhǎng)和頻率排列的電磁波叫做電磁波譜。 電磁波的頻率很寬，不同頻率電磁波有不同的性質(zhì)和用途，對(duì)氣象衛(wèi)星有用的是可見光、紅外和微波波段。,電磁波譜（波長(zhǎng)單位為m）,（1）、電磁波段的劃分,r 射線： 波長(zhǎng)10-11 10-4nm，生成：放射性元素蛻變，特征：幾 兆電子伏特。 x 射線： 波長(zhǎng)10-5 0.0045m，生成：原子內(nèi)部的電子從激 發(fā)態(tài) 恢復(fù)到穩(wěn)態(tài)，特征：波長(zhǎng)短，頻率高能穿透密 度很大的 物質(zhì)。 紫外線：波長(zhǎng)10-50.35

3、 m，生成：原子和分子內(nèi)部的電子狀態(tài) 改變，特征：頻率較高，各種物質(zhì)對(duì)短的紫外線有吸收。 可見光：波長(zhǎng)0.35 0.76 m，生成：原子內(nèi)部的電子狀態(tài)，特征： 對(duì)人眼有特殊的刺激。 紅外線：波長(zhǎng)0.76 1000 m，生成：分子、原子的振動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)，特 征：與溫度有關(guān)。 微 波：波長(zhǎng)：1mm 30cm。大于30厘米的波稱無(wú)線電波。,電磁波段除了以上按照波長(zhǎng)的劃分， 電磁波譜段可以按使用目的劃分 或按吸收物質(zhì)劃分，如將水汽吸收譜段稱為水汽帶，二氧化碳吸收譜段稱為二氧化碳吸收帶。（圖3.8）,（2）、電磁波參數(shù),參數(shù)： 波長(zhǎng) 波數(shù)（1厘米長(zhǎng)度內(nèi)含有的波數(shù)） f 頻率 c 光速=31010厘米/秒。 c

4、 =f 波在真空中的速度。 n= /n波在介質(zhì)的波長(zhǎng)。 V=f n 波在介質(zhì)中的速度。 n=（r/r）1/2介質(zhì)折射指數(shù)。r 介電常數(shù), r導(dǎo)磁率。 關(guān)系： f=c f=C/ =c/f =1/ =f/c 單位：1千兆赫（GHz ）= 103兆赫（MHz ） = 106千赫（KHz ） = 109赫（Hz ） 1米(m)=102厘米（cm）=103毫米（mm）=106微米（m） =109納米（nm）,從量子的觀點(diǎn)看，電磁輻射可以看作是一粒一粒以光速c運(yùn)動(dòng)的粒子流，這些粒子稱為光量子，每一光量子具有的能量為 E 能量，h 普朗克常數(shù)。電磁輻射看成是粒子，就一定有質(zhì)量m和動(dòng)量p。 m=Q/c2=hf

5、/c2 p=mc=h/= hf/c 電磁輻射既有波動(dòng)特性，也有粒子特性。,（3）、電磁波的量子特性,按量子理論，電磁輻射的發(fā)射或吸收是由于物質(zhì)內(nèi)原子或分子的能量狀態(tài)發(fā)生改變引起的。即： *物質(zhì)中原子的狀態(tài)由高能級(jí)Ej躍遷到低能級(jí)Ei-發(fā)射輻射； *物質(zhì)中原子的狀態(tài)由低能級(jí)Ei躍遷到高能級(jí)Ej-吸收輻射； 則發(fā)射或吸收輻射時(shí)光量子的頻率為 電磁輻射既有波動(dòng)特性，也有粒子特性 波長(zhǎng)較長(zhǎng)的可見光、紅外線波動(dòng)性明顯； 波長(zhǎng)較短的射線、射線粒子性表現(xiàn)明顯。 電磁輻射在空間傳播時(shí)表現(xiàn)出波動(dòng)特性； 電磁輻射的吸收和發(fā)射時(shí)，顯示出粒子的性質(zhì)。,例：以一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)電子組成的H2為例：,關(guān)于原子振子的能量有兩個(gè)

6、性質(zhì)： 1） 原子振子的能量形式不是隨意的，而是只能具有下列形式： 其中n只能是整數(shù)，說(shuō)明能量是不連續(xù)的，而是分等級(jí)的。 2） 振子不能連續(xù)地輻射能量，只能以階躍或量子形式輻射能量，輻射的能量是： 一般 因?yàn)樵踊蚍肿拥哪軕B(tài)之間的能量差是一定的，要產(chǎn)生能量的躍遷必須有選擇性（對(duì)f）。,在電磁波與氣體分子或原子相互作用時(shí)，把分子或原子激發(fā)到較高能級(jí)，在激發(fā)過程中波的全部或部分能量傳遞給分子或原子；反之，則以電磁波形式放射出能量。由于氣體分子的能級(jí)是確定的，而且是不連續(xù)的，所以電磁波與分子的相互作用只能出現(xiàn)在特定的頻率下，這種現(xiàn)象沿波數(shù)的分布就構(gòu)成了譜線。 氣體分子能態(tài)躍遷的基本形態(tài)有： 不同軌道

7、的電子躍遷構(gòu)成電子能級(jí)； 分子不同的振動(dòng)模式構(gòu)成振動(dòng)能級(jí)； 分子繞不同軸轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)； 轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)是最低能級(jí)，中間為振動(dòng)能級(jí)，最高為電子能級(jí)。即：,即分子動(dòng)能由電子繞原子核運(yùn)動(dòng)的能量、原子在平衡位置上的振動(dòng)能量、分子轉(zhuǎn)動(dòng)能量組成。 （變化量或能級(jí)的變化） 從 可以得到分子吸收或發(fā)射光量子時(shí)，能級(jí)發(fā)生變化所對(duì)應(yīng)的波數(shù)： 這樣可以從能級(jí)變化大小來(lái)估計(jì)中心波數(shù)的位置，也可以判斷電子能級(jí)、振動(dòng)能級(jí)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)所在的波段：,躍遷能級(jí)與波段的聯(lián)系,分子在振動(dòng)能級(jí)躍遷的同時(shí)可能產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)的躍遷，這時(shí)吸收線的中心波數(shù)為： 由于 ，因而轉(zhuǎn)動(dòng)躍遷表現(xiàn)在譜線上是振動(dòng)吸收線附近產(chǎn)生一系列吸收線，組成一個(gè)吸收帶，這種

8、譜線的精細(xì)結(jié)構(gòu)只有在高分辨率條件下才能看出來(lái)。,二、基本輻射量（P55） 1、輻射能Q: 物體發(fā)射電磁波輻射所具有的全部能量。 單位：焦耳（J） 2、輻射通量： 指單位時(shí)間通過某一表面的輻射能輻射能傳遞的速率。 單位：焦耳/秒（J/S）,3、輻射通量密度F：通過單位面積的輻射通量。 單位:焦耳/米2.秒（J.m-2.s-1） F=/A 或 F= /A 對(duì)于一個(gè)被照射的表面或發(fā)射的表面，還可以使用以下定義： a)輻照度（E）：投影到一表面上的輻射通量密度。 b) 出射度：輻射體表面發(fā)射出的輻射通量密度。 4、輻射強(qiáng)度I：對(duì)于點(diǎn)輻射源在某一方向上單位立體角內(nèi)的輻射通量。單位:瓦/球面度（W/Sr）

9、 如果點(diǎn)源是各向同性的，則輻射強(qiáng)度：,5、 輻射率或輻射亮度： 一個(gè)面輻射源在單位時(shí)間內(nèi)通過垂直面元的法線方向上單位面積、單位立體角的輻射能，即：,在多數(shù)情況下，輻射傳播方向與面元的法線方向不一致，若它們之間夾角為，則該方向的輻射亮度寫成： 其中： ， 立體角 。 如果面元輻射率與方向無(wú)關(guān)，則稱是各向同性的，這樣的源稱為朗伯源。 立體角（solid angle）: 由一錐面圍成的立體空間，立體角用以錐頂點(diǎn)為中心，半徑為1的球面被錐面所截得球面來(lái)表示，其單位為立體弧度（Sr）。另一種定義：面積為d的球狀表面所張的立體角等于該面積除以球半徑的平方：,一個(gè)錐面所圍成的空間部分稱為“立體角”。 立體角

10、是以錐的頂點(diǎn)為心，半徑為1的球面被錐面所截得的面積來(lái)度量的，度量單位稱為“立體弧度”，“球面度”。 在平面上，定義一段弧微分S與其矢量半徑r的比值為其對(duì)應(yīng)的圓心角，記作：=ds/r；所以整個(gè)圓周對(duì)應(yīng)的圓心角就是2；類似，定義立體角為曲面上面積微元ds與其矢量半徑的二次方的比值為此面微元對(duì)應(yīng)的立體角，記作：=ds/r2； 由此可得，閉合曲面的立體角都是4,三、輻射的吸收、反射和透射 設(shè)Q為入射到介質(zhì)的總輻射能量，Qa是介質(zhì)對(duì)輻射能的吸收，Qt是透過介質(zhì)的輻射能量，Qr為被介質(zhì)反射的輻射能量，則有關(guān)系： 定義： 則a+r+t=1。實(shí)際上，a，t，r都與波長(zhǎng)有關(guān)，是波長(zhǎng)的函數(shù)，那么考慮到入射輻射的光

11、譜分布，a，t，r 可以分別寫為：,（a）不同種類作物和裸地的反照率 （b）作物覆蓋率和生物量對(duì)反照率的影響,作物在生長(zhǎng)和衰老期間光譜變化,清水的吸收系數(shù),從可見光到中紅外小麥葉子的反射光譜,2、輻射基本定律 首先了解（P62） 輻射體和輻射平衡的幾個(gè)基本概念 根據(jù)物體的吸收或發(fā)射能力，將物體（輻射體）分為三類： 黑體 灰體 選擇性輻射體,輻射基本概念 1 黑體：在任何溫度下，對(duì)任意方向和任意波長(zhǎng)的輻射的吸收率或發(fā)射率都等于1。 2 灰體：如果物體的吸收率與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)，且為小于1的常數(shù)，即a()=常數(shù)1，則這種物體稱為灰體。 3 選擇性灰體：物體的吸收率（或發(fā)射率）隨波長(zhǎng)而變，即a=a()，則這

12、種物體稱為選擇性輻射體。（自然界絕大多數(shù)物體是選擇性輻射體）。如果在某些波長(zhǎng)范圍內(nèi)，吸收率隨波長(zhǎng)變化很小，則可近似看成灰體。如果在某些波長(zhǎng)范圍內(nèi)，吸收率近似于1，則可把物體在這波段內(nèi)看成黑體。,4 發(fā)射率：輻射體的輻射通量密度M與具有同一溫度的黑體的輻射通量密度M的比值，即 5 輻射平衡和局地?zé)崃ζ胶? 輻射平衡：指一個(gè)物體在某一溫度從外界得到的輻射能量正好等于本身熱輻射而失去的能量，使物體溫度保持不變的輻射過程。也稱平衡熱輻射 局地?zé)崃ζ胶猓涸O(shè)想大氣中存在這樣的狀態(tài)，氣體的每一個(gè)體積元量猶如處在熱力平衡狀態(tài)中（對(duì)這個(gè)體積溫度而言）。這樣的平衡稱局地?zé)崃ζ胶狻?實(shí)際大氣中，50KM以下可認(rèn)為處

13、在局地?zé)崃ζ胶狻?輻射基本定律 1 基爾霍夫（Kirchhoff）定律 在同樣的溫度下，各種不同物體對(duì)相同波長(zhǎng)的單色輻出度與單色吸收比之比值相等，并等于該溫度下黑體對(duì)同一波長(zhǎng)的單色輻出度： M,T/ a,T = M(,T)(黑體） 意義: 1、一物體在一定溫度下發(fā)射某一波長(zhǎng)的輻射，則該物體在同一溫度下吸收這種波長(zhǎng)的輻射。 2、一個(gè)良好的吸收體，在同一溫度下、相同波長(zhǎng)處，也一定是一個(gè)良好的發(fā)射體；反之亦然。,黑體：吸收能力和發(fā)射能力均為最大，對(duì)所有波長(zhǎng)有 a=1 灰體：對(duì)所有波長(zhǎng) a=1 選擇性黑體：對(duì)某些波長(zhǎng) a= = 1,2 普朗克（Planck）定律（黑體輻射方程） 表示黑體輻射強(qiáng)度與波長(zhǎng)

14、及溫度T的關(guān)系，其數(shù)學(xué)關(guān)系式為普朗克從理論上推導(dǎo)出來(lái)：,普朗克函數(shù)將發(fā)射的單色強(qiáng)度與物質(zhì)的溫度和頻率聯(lián)系起來(lái)；黑體的輻射強(qiáng)度隨溫度的升高而增大，但最大輻射強(qiáng)度的波長(zhǎng)卻又隨溫度的升高而減小。,由普朗克定律可以得出： 1. 溫度越高，黑體的全輻射能力越大； 2. 溫度越高，最大單色（或分譜）的輻射能力對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)越小 3. 太陽(yáng)近似于6000K的黑體，最大輻射波長(zhǎng)為0.474us，在0.15-4us的范圍，輻射能占太陽(yáng)全部輻射能量的99% 4. 地球近似于300K的黑體，最大輻射波長(zhǎng)為10us，在3-80us的范圍，輻射能占地球全部輻射能量的99%； 5. 對(duì)流層頂近似于200K的黑體，最大輻射波長(zhǎng)

15、為14.5us，在4-120us的范圍，輻射能占對(duì)流層頂全部輻射能量的99%,3 斯蒂芬玻爾茲曼定律 對(duì)于普朗克公式，對(duì)整個(gè)波長(zhǎng)范圍積分，得黑體總輻射強(qiáng)度： 由于黑體輻射是各向同性的，得黑體發(fā)射的通量密度： 斯蒂芬玻爾茲曼常數(shù)：5.6710-8 Wm-2.K-4。 物理含義：黑體的全波長(zhǎng)輻射本領(lǐng)與溫度的四次方成正比。 由玻爾茲曼公式根據(jù)輻射通量密度推算的溫度叫等效黑體溫度TBB或亮度溫度，衛(wèi)星云圖的不同亮度等級(jí)表示不同的亮度溫度,4 Wien定律： 物體溫度越高，發(fā)出最大能量的波長(zhǎng)越偏向短波。求輻射率最大時(shí)的波長(zhǎng)位置，即普朗克函數(shù)對(duì)波長(zhǎng)微分等于零 得 對(duì)太陽(yáng)，T=6000K， ； 對(duì)地球，T=

16、300K， ； 這一定律解釋了很多物理現(xiàn)象，如電阻絲加熱過程從紅光到白光的過程。, 從0.01到10cm與各個(gè)發(fā)射溫度對(duì)應(yīng)的黑體輻射能 斜直線表示最大能量的位置（即維恩定律）,每一條曲線都有一個(gè)極大值，隨著溫度的升高，黑體輻射能迅速增大，并且曲線的極大值逐漸向短波方向移動(dòng),5. 輻射體的溫度： 從黑體輻射定律知道，物體的輻射量與溫度有關(guān)。對(duì)于一定的溫度，就有一定的輻射光譜分布；反之，對(duì)于一定的輻射光譜分布，可以求取物體的溫度。但是實(shí)際物體并非都是黑體，在實(shí)際應(yīng)用中，須考慮輻射率的影響，為方便定義幾種不同的溫度： 有效溫度（Te）：如果溫度為T的物體的出射度為M(T)，又設(shè)想M(Te)為黑體發(fā)出

17、的，即：M(T)=M(Te)，則黑體的溫度Te稱為該物體的有效溫度,根據(jù)斯蒂芬-波爾茲曼定律得： Te = M(T)/1/4 由于物體的比輻射率小于1，所以 T Te,色溫度（Tc）：如果物體的輻射光譜分布與溫度為Tc的黑體的輻射光譜分布相一致，則Tc稱為該物體的色溫度,亮度溫度（Tb）：在給定波長(zhǎng)處，如果物體的輻射亮度L（T）與溫度為Tb的黑體輻射亮度相等，即L（T）=B（Tb）則稱Tb為該物體的亮度溫度。根據(jù)普朗克公式,亮度溫度（Tb）又稱等效黑體溫度或輻射溫度。由于 B（T） L（T） =B（Tb），所以Tb T。,可得,第二節(jié) 衛(wèi)星探測(cè)大氣的理論基礎(chǔ),一、太陽(yáng)和地-氣輻射系統(tǒng) 二、輻射

18、在大氣中的傳輸,一、太陽(yáng)和地-氣系統(tǒng)輻射,1、太陽(yáng)輻射,太陽(yáng)： 6000K火球，直徑139.14萬(wàn)公里，是地球的104倍；日地平均距離d0=1.495 108公里。 太陽(yáng)輻射用太陽(yáng)常數(shù)、太陽(yáng)光譜(在大氣頂處、在地面處）來(lái)描述。 太陽(yáng)常數(shù)：到達(dá)地球大氣頂?shù)奶?yáng)輻射通量密度s0=1353瓦/米2，估計(jì)誤差為21瓦/米2。由太陽(yáng)常數(shù)可以計(jì)算單位時(shí)間內(nèi)太陽(yáng)輻射的總能量為,一、太陽(yáng)和地-氣系統(tǒng)輻射,1、太陽(yáng)輻射,能量平衡：到達(dá)地球大氣頂?shù)奶?yáng)輻射通過大氣時(shí)，大約 35% 被地球、大氣、云層反射 17% 被大氣吸收 47% 到達(dá)地面、被地表吸收, 太陽(yáng)光譜： 太陽(yáng)輻射能主要集中在0.3-3.0微米， 輻射

19、最大值位于0.47微米,色溫度Tc 。 1/4能量在波長(zhǎng)0.47微米的譜段內(nèi)， 46%的能量在0.400.76的可見光波段。 假設(shè)太陽(yáng)是理想的黑體，則可由斯蒂芬-波爾茲曼定律和維恩位移公式計(jì)算出太陽(yáng)的有效溫度Te:, 太陽(yáng)吸收光譜（如圖）：該光譜與5900K的黑體輻射光譜有明顯差異，存在許多由大氣中的臭氧、氧、水汽、二氧化碳及塵埃等物質(zhì)選擇性吸收作用造成的吸收線和吸收帶。,1、O3吸收：主要位于紫外光0.2 -0.3m 0.29m；0.32-0.36m；可見光0.6和4.75m。 2、O2吸收：紫外、可見光。 3、H2O吸收：0.7m；0.70.8m 4、CO2吸收：3.5 m,1. 地面土壤

20、粒子結(jié)構(gòu)、土壤水分對(duì)反照率的影響 2、植被、冰雪、水體的反照率 3、反照率隨波長(zhǎng)的變化,圖3-4 三種不同含水量 砂土的光譜反射曲線,圖3-5 葉子反射率、水 吸收率的反相關(guān)系,不同覆蓋物的反照率隨波長(zhǎng)的變化,地面及其覆蓋物對(duì)太陽(yáng)輻射的反射：,（a）不同種類作物和裸地的反照率 （b）作物覆蓋率和生物量對(duì)反照率的影響,作物在生長(zhǎng)和衰老期間光譜變化,清水的吸收系數(shù),從可見光到中紅外小麥葉子的反射光譜,0.4-0.7微米不同葉綠素濃度的海水返照率,0.51.0微米波段天然清水和混水的反照率,0.52.5微米不同土壤濕度下含沙壤土的反射率,0.42.6微米小麥葉子在不同生長(zhǎng)期的反射率,假設(shè)單層云層的反

21、照率和透過率都是50%。考慮二次反射后從第一層反射的能量占原來(lái)入射能量的62.5%。因而多層云的反照率較高。,圖3-7 多層云對(duì)太陽(yáng)輻射的反射,反射、透射、吸收%,反射,透過,吸收,云 厚 （米）,透過率（）,高層云 層云,圖云層反照率、吸收率和透過率的關(guān)系,（）,（）,云層的反照率,2、地球-大氣系統(tǒng)輻射光譜 地球大氣系統(tǒng)發(fā)出的輻射主要是紅外輻射。 對(duì)于 2.5m的紅外波段，物體近似黑體，比輻射率近似等于1，由黑體定律計(jì)算地球大氣系統(tǒng)平均溫度。 如果到達(dá)地球并被其吸收的太陽(yáng)輻射為 （1-rS） R2s0 rS行星平均反照率，R地球半徑，s0太陽(yáng)常數(shù)。地球大氣吸收這些輻射后全部轉(zhuǎn)化為紅外輻射向

22、外空發(fā)射，其出射度為 由斯蒂芬-波爾茲曼定律（M=T4），rS =0.28，s0=1353瓦米-2， =5.6710-8瓦米-4 開-4代入，得,接近實(shí)際大氣的平均溫度，可以把地球-大氣系統(tǒng)近似看作平均溫度為256 K的黑體。 地球大氣系統(tǒng)發(fā)出的輻射能的95%集中在4120 m的波段，最大輻射波長(zhǎng)約在10 m附近。在35 m與太陽(yáng)輻射光譜有重疊。,大氣對(duì)地球-大氣輻射的吸收 地球-大氣輻射在大氣中傳輸時(shí)，受大氣吸收和散射的影響。但當(dāng)3 m時(shí)，雷利散射很小，可忽略。所以造成地球-大氣輻射能衰減的主要原因是大氣氣體的吸收。,表3-1 大氣氣體的吸收譜帶,太陽(yáng)或地球-大氣的輻射在大氣中傳輸時(shí)被大氣中

23、的,3、大氣窗和大氣吸收帶,某種氣體所吸收。吸收隨波長(zhǎng)變化很大，在一些波段吸收很強(qiáng)，在另一些波段吸收很弱或沒有吸收。對(duì)輻射吸收很強(qiáng)的波段就稱為該氣體的吸收帶；吸收很弱或沒有吸收的波段稱為大氣窗（因?yàn)檫@些波段的輻射可以象光通過窗戶那樣透過大氣）。,表3-2 大氣窗區(qū)各波段,輻射與大氣和地表之間的相互作用表現(xiàn)為輻射的發(fā)射、吸收和反射，這為衛(wèi)星遙感地表和大氣提供了大量的信息。例如衛(wèi)星在大氣窗區(qū)波段可以測(cè)量地面、云層反射或發(fā)射的輻射，從而可以得到地表、云面的反射特性或溫度分布；衛(wèi)星在吸收帶測(cè)量，可以得到大氣溫度和成分。 根據(jù)測(cè)量的目的，衛(wèi)星選擇不同的波長(zhǎng)間隔進(jìn)行測(cè)量，這種波長(zhǎng)間隔稱做通道。為更多地獲取

24、地面、云層和大氣信息，目前衛(wèi)星測(cè)量使用的通道很多。,4、 大氣窗和大氣吸收帶在遙感中的應(yīng)用,表3-3 衛(wèi)星測(cè)量使用的波段,二、輻射在大氣中的傳輸與衛(wèi)星接收到的輻射,圖3-11 衛(wèi)星上接收的輻射,輻射在介質(zhì)中的傳輸 在紅外波段，散射輻射很小、忽略。 （1）小氣柱吸收的輻射,圖3-9 小氣柱介質(zhì)輻射,1、紅外輻射在大氣中的傳輸,dL1因介質(zhì)吸收引起輻射的改變量，k（z）質(zhì)量吸收系數(shù)，（z）吸收介質(zhì)的密度。 常稱 (z)=k（z）（z） 為體積吸收系數(shù)。 a(z)= (z)dz 為吸收率。,（2）小氣柱發(fā)射的輻射 dL2因介質(zhì)發(fā)射引起輻射的改變量，j（z）介質(zhì)的質(zhì)量發(fā)射率。在局地地?zé)崃ζ胶鈼l件下j

25、=kB（T）,所以，輻射的總增量為 故 B（T）普朗克輻射，T小氣柱溫度。,分層平行大氣中的輻射傳輸,式中dL（z，）是天頂角為方向上dz氣層內(nèi)輻射的改變量，使用氣象上習(xí)慣的P坐標(biāo)，根據(jù)靜力方程 Z干空氣密度，g重力加速度， （z）z高度空氣密度,q（p）空氣混合比,不難看出此式一階線性常微分方程。,*(-1),*(-1),紅外輻射在大氣中的傳輸方程的物理意義（衛(wèi)星接收到的輻射）： 在紅外波段到達(dá)衛(wèi)星的輻射L（ ）由兩部分組成： （1）地面輻射項(xiàng)： 表示從地面發(fā)射的輻射 透過大氣層進(jìn)入空間的輻射。 （2）大氣輻射項(xiàng)： 表示從地面到大 氣頂整層氣體發(fā)出并能進(jìn)入空間的輻射。,-衛(wèi)星在紅外波段接收地-氣系統(tǒng)發(fā)射輻射的表達(dá)式，即紅外輻射在大氣中的傳輸方程。,P126方程(3.341)，衛(wèi)星遙感探測(cè)大氣溫度的基本方程,若用窗區(qū)探測(cè)，,則有：,即：先由所測(cè)得的輻射用普朗克公式算出等價(jià)黑體溫度，再經(jīng)大氣削弱訂正可求得表面溫度Ts,若用CO2吸收帶探測(cè)， 由于 ，,方程右側(cè)第一項(xiàng)為零，則有：,第一類Fredholm積分方程。垂直溫度的反演問題十分復(fù)雜,dp,L(）=L(P0,)(P0,),2、地面和云面反射的大氣向下的紅外輻射