可見光近紅外波段輻射傳輸方程

1、大氣效應(yīng)及建模,大氣組成,大氣組成,大氣垂直結(jié)構(gòu),Troposphere(對(duì)流層)Stratosphere(平流層) Mesosphere(中間層) Thermosphere(熱層)大氣廓線？,大氣組成,對(duì)流層鄰近地表的一層。厚度最薄，大氣質(zhì)量80%，水汽90%。低緯：16~18km; 中緯：10~12km;高緯：7~9km.特點(diǎn)：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

2、方向空氣運(yùn)動(dòng)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。,大氣組成,平流層 從對(duì)流層頂?shù)?0~55km。約20%大氣質(zhì)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(dòng)能大。特點(diǎn)：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

3、停止增加。無垂直運(yùn)動(dòng)，穩(wěn)定，導(dǎo)致氣溶膠可以停留很長時(shí)間。,大氣組成,熱層從中間層頂?shù)綆装俟?。特點(diǎn)：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(xué)組成。,中間層從平流層頂?shù)?0~85km。特點(diǎn)：溫度遞減化學(xué)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?？紤]的高度范圍？,大氣組成,Atmospheric ConstituentsPermanent

4、 Gases: 基本比例固定，且沒有空間變化。Nitrogen (N2): 78.084% by volume Oxygen (O2): 20.948% Argon (Ar): 0.934% Carbon dioxide (CO2): 0.033% ?濃度可變,大氣組成,Gases with Variable Concentration: 隨空間及時(shí)間變化明顯。Water vapour (H2O) ：0~4%隨溫度、氣壓

5、有劇烈變化，有很強(qiáng)的時(shí)空變化特性。集中在對(duì)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(duì)濕度）相對(duì)濕度露點(diǎn)與霜點(diǎn)虛溫,大氣組成,Gases with Variable Concentration: Ozone (O3) ：0~12*10-4吸收紫外，導(dǎo)致平流層增溫，有明顯的地區(qū)和季節(jié)性變化。垂直結(jié)構(gòu)也比較復(fù)雜。Sulphur dioxide (SO2) Nitrogen

6、 dioxide (NO2) Ammonia (NH3) Nitric oxide (NO) Hydrogen sulphide (H2S) Nitric acid vapour (HNO3),Nitrous oxide (N2O) Carbon monoxide (CO),大氣組成,Solid and liquid particulates: 氣溶膠、水滴、冰晶，可能會(huì)聚集為云和霾。氣溶膠：大氣中大量懸浮的固體和液體粒子

7、。 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(dòng)：工業(yè)、交通、建筑、農(nóng)業(yè)等氣溶膠大小: 5*10-3~ 0.2mm, 愛根核(Aitken nuclei)； 0.2~ 1mm, 大粒子； >1mm,巨粒子氣溶膠分布: 對(duì)流層內(nèi)：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\

8、PM2.5\TSP？,Main constituents of the earth's atmosphere,,大氣效應(yīng),,大氣中的主要組成物氮（N2）和氧（O2）對(duì)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(duì)小于0.3微米的電磁波具有極強(qiáng)的吸收能力，所以到達(dá)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

9、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,水汽（H2O）是大氣中的重要吸收成分，水汽是一個(gè)不對(duì)稱的陀螺分子形狀。由于正、負(fù)離子的重心不重合，所以水分子是一個(gè)極性分子，具有很強(qiáng)的電偶極矩;水汽的最強(qiáng)和最寬的振轉(zhuǎn)吸收帶為以6.3微米為中心的吸收帶，其次還有兩個(gè)分別以2.74

10、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,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(qiáng)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(jí)，所以一般可以不予考慮。,二氧化碳的吸收,臭氧對(duì)紫外光有強(qiáng)烈的吸收

11、作用致使波長短于0.3微米的太陽輻射無法到達(dá)地面，在0.6微米附近有一個(gè)弱吸收帶；在紅外區(qū)，以9.6微米為中心有一個(gè)較強(qiáng)的吸收帶，其次在4.75微米有一個(gè)較顯著的吸收帶，在14微米附近的吸收帶與CO2的強(qiáng)吸收帶重迭。,臭氧吸收,,,,大氣吸收,,,大氣吸收,經(jīng)過大氣層的太陽輻射,大氣吸收,,大氣效應(yīng),散射,大氣效應(yīng),尺度參數(shù),,aa>0.6 ,大分子散射(Mie散射)a>400,折射和反射,散射,n = 折射指數(shù)N

12、 = 單位體積內(nèi)的粒子個(gè)數(shù),瑞利散射,米散射,1908年，G.Mie對(duì)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(dá)式。（推導(dǎo)從略）,大氣效應(yīng),實(shí)際的大氣透過率受散射與吸收影響。,大氣效應(yīng)建模,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(zhì)中的傳輸方程為：,大氣效應(yīng)建模,大氣效應(yīng)建模,Absorbing ground,大氣的等效反射：,大氣效應(yīng)建模,大氣的透射：,大氣效應(yīng)建模,地表的反射：,大氣