卫星气象学：第3章 气象卫星遥感大气的基本原理

1、第三章 气象卫星遥感大气的基本原理,本章主要内容,第一节 辐射基础 第二节 太阳、地球-大气系统辐射 第三节 辐射在大气中的传输与卫星接收到的辐射,第一节 辐射基础,一、辐射的基本知识 二、电磁波谱 三、辐射场基本物理量 四、辐射的物理规律 五、地球大气与辐射的相互作用 六、大气、地面对辐射的散射和反射,一、辐射的基本知识,自然界一切物体都时刻不停地以电磁波的形式向四周传递能量，同时也接收外界投射来的电磁波，这种能量传递的方式称为辐射。 以这种方式传递的能量，称为辐射能。 以横波形式在空间传播，速度即光速。,二、电磁波谱, = c, E = h v = h c / l,E = Energy (

2、joules, or j), h = Plancks constant = 6.63 x 10-34 j -s, v = frequency (1/s or s-1) c = speed of light in a vacuum (m / s), l = wavelength (m),Electromagnetic radiation is characterized by its frequency , wavelength , wave number or photon energy,1、电磁波段的划分,不同波长的电磁波有不同的物理特性，因此可以用波长来区分辐射，并给以不同的名称，称之为电

3、磁波谱。,例如：紫外线：uv-C(0.150-0.28) uv-B(0.28-0.315), uv-A(0.315-0.4), unit: um 红外线：近红外(0.7-2.5)，远红外(2.5-1000)；微波：1mm到1m波段。,Most significant spectral regions associated with radiative energy transfer in atmosphere lie between ultraviolet light and microwaves.,r 射线： 波长10-11 -10-4nm，产生：放射性元素蜕变； 特征：具有很高的能量，几兆

4、电子伏特。 x 射线： 波长10-5 -0.0045m，产生：原子内部的电子从激发态恢复到稳态； 特征：波长短，频率高能穿透密度很大的物质。 紫外线：波长10-5-0.35 m，产生：原子和分子内部的电子状态改变； 特征：频率较高，各种物质对短的紫外线有吸收。 可见光：波长0.35 -0.76 m，产生：原子内部的电子状态； 特征： 对人眼有特殊的刺激。 红外线：波长0.76 -1000 m，产生：分子、原子的振动转动； 特 征：与温度有关。 微 波：波长：1mm 1m。大于30厘米的波称无线电波。 产生：内部分子的转动引起的。,2、电磁波各参数的关系和使用单位,参数： 波长 波数（单位长度内

5、含有的波数，波长的倒数） f 频率 c 光速=3108米/秒。 c =f 波在真空中的速度。 n= /n波在介质的波长。 V=f n 波在介质中的速度。 n=（r/r）1/2介质折射指数。r 介电常数, r导磁率。 关系： f=c f=C/ =c/f =1/ =f/c 单位： 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纳米（nm）,c = speed of light in a vacuum = 3.0 108 m/sl = wavelength (m) v = f

6、requency (1/s or s-1),例：波长10 m对应的频率和波数？,3、电磁波的量子特性 从量子的观点看，电磁辐射可以看作是一粒一粒以光速c运动的粒子流，这些粒子称为光量子，每一光量子具有的能量为 Q=hf Q 能量，h 普朗克常数。电磁辐射看成是粒子，就一定有质量m和动量p。 m=Q/c2=hf/c2 p=mc=h/= hf/c 电磁辐射的发射或吸收是由于物质内原子或分子的能量状态发生改变引起的，若物质中原子的状态由高能级EJ跃迁到低能级EI，便发出辐射；若从EI EJ便要吸收辐射。发出或吸收辐射时光量子的频率 f=（ EJ EI）/h 电磁辐射既有波动特性，也有粒子特性。 波长

7、较长的可见、红外线波动性表现明显； 波长较短的r、x射线，其粒子性表现明显。,预备知识 通量的概念 单位时间内通过某一截面的辐射能， 又称辐射功率（0），单位为瓦。 其中波长为的辐射通量与值有关。,平方反比定律：表示辐射能通过空间传播方式的原则，表示光的强度与到光源的距离的平方成反比。,三、辐射场基本物理量,立体角概念：锥体所拦截的球面积与半径r的平方之比，单位为球面度（sr: Steradians）。,Solid angle units are steradians sr. For a sphere of surface area 4r2, the solid angle subtended

8、 by the entire sphere is 4, by a hemisphere is 2, etc.,立体角的计算,辐射场物理量包括： 辐射能； 辐射功率； 辐射强度； 辐射通量密度； 辐亮度，等。,辐射能Q：焦耳、热力学卡（1k=4.1840J）； 辐射功率（或Radiant Flux 辐射通量W）： 单位时间内通过任意表面的辐射能量，单位J/s。,辐射强度I：点辐射源在某方向上单位立体角内传送的辐射通量。,辐射通量密度E (Radiant Flux Density) 单位时间通过单位面积的辐射能，单位为W/m2。 设面元为dA，则E为： 当表示面元接受的F时，又称辐照度（Irrad

9、iance）；表示从物体 表面发射出的E，又称辐出度、辐射度、辐射能（Emittance）。,辐亮度L (Radiance)：单位立体角、单位时间、单位面积所通过的辐射能量，单位为 Wm-2sr-1 .,太阳直接辐射 L 的测量 全自动太阳分光光度计 CE318（法国 CIMEL） Spectral channels: 340, 380, 440, 500, 675, 870, 936, 1020, 1640 nm (alternate channels and polarization exist on many instruments as well) Remarks: used to d

10、erive aerosol properties, and total column water vapor, as part of the AERONET global network (an inhouse modified version for cloud properties has been implemented in recent campaigns),大气辐射场的基本特性,各向同性：辐亮度L与观测方向(q ,)无关； 均匀辐射：L与观测位置(x, y, z) 无关； 定常辐射：L与时间t无关。 平面平行大气：考虑到大气中各种变量在水平方向的变化率远小于垂直方向的变化率，因此经

11、常可假设大气是水平均一的，相应的大气模型在大气辐射学中称为平面平行大气。 可把从各个方向射来的辐亮度在垂直方向的分量累加起来，其计算公式为,净辐射通量密度（或净辐照度） 计算水平面上的辐射通量密度，分别对从上半球 和下半球入射辐射的垂直分量进行积分 则净辐照度为,点辐射源：点源的辐照度（或辐射通量密度）将随r 2减小。,辐射源,平行辐射：光源足够远，辐射传输方向相互平行；在不考虑吸收散射等因素时，平行光的辐射通量密度应当是常数，如太阳辐射。 平行辐射所张的立体角为零，只需要知道平行辐射的方向和辐射通量密度即可。 例如，地面接收的太阳辐射通量密度,面辐射源：特点是它可以向2立体角中发射辐射能。对

12、平面平行大气，水平方向的辐射分量都是相同的，它们对局地能量平衡不起作用。因此只关心垂直方向的辐射通量密度。,余弦辐射体或Lambert光源 辐射强度不随方向变化的面辐射源 如黑体、太阳、陆地表面 因此，对于朗伯体辐出度与辐亮度之间的关系为：,Q0 = Qa + Qr + Qt 吸收率A = Qa / Q0 反射率R = Qr / Q0 透过率 = Qt / Q0 A + R + = 1,1、吸收率、反射率和透射率,对单色辐射，称为单色吸收率、反射率和透射率，分别记为Al , Rl , l 。 各种物体对不同波长的辐射具有不同的吸收率与放射率，构成了该物体的吸收光谱或辐射光谱。 反照率：反射辐射

13、通量与入射辐射通量之比。,四、辐射的物理规律,绝对黑体：所有波长吸收率均为1，A = 1。 单色黑体：某一波长吸收率为1，Al = 1 。 灰 体 ：吸收率不随波长变化，但小于1。,1859年，德国物理学家Kirchhoff辐射定律指出物体在已知温度下，对辐射能之放射率或吸收率与物体表面之性质有关。而黑色物质对辐射能具有较大的吸收能力。如果一个物体在任何温度下能吸收任何频率的辐射能，那么这个物体便称为黑体。事实上，完全黑体并不存在，研究黑体辐射时，常以人工制成一完全黑体讨论之。如图所示，当外界辐射能经由小孔射于空腔时，此辐射能经过多次反射后，几乎无机会再由小孔出现，故可视为辐射能被空腔所完全吸

14、收，而称之以完全黑体。若加热此物体至某一温度，观察由小孔辐射出之光谱其光谱与在同一温度之黑体所吸收辐射者，完全相同。, Emissivity(发射率,比辐射率,）：指辐射体的出射度M与同一温度下黑体的出射度M的比值。 =M/M 0,1之间。 由于辐射体发射的辐射随波长而变，所以发射率也是波长的函数，写为()。对于12 波长间隔的发射率为 n：辐射表面法线方向的发射率 ：与辐射表面法线成角方向的发射率,辐射体的温度 从黑体辐射定律知道，物体的辐射量都与温度有关。对于一定的温度，就有一定的辐射光谱分布；反过来，对于一定的辐射光谱分布，可以求取物体的温度。但是，实际物体并非都是黑体，在实际应用中，须

15、考虑辐射率的影响，为方便定义几种不同的温度。 有效温度（Te）: 如果温度为T的物体的出射度为M(T) ，又设想M(T)为温度为Te的黑体发出的，即M(Te)= M(T)，则黑体的温度Te 称为该物体的有效温度。 根据斯蒂芬-波尔兹曼定律得 Te = M(T)/1/4 由于物体的发射率小于1，所以T Te。,色温度（Tc）: 如果物体的辐射光谱分布与温度为Tc的黑体的辐射光谱分布相同,则称Tc为该物体的色温度。 亮度温度（Tb）: 在给定波长处，如果物体的辐射亮度L（T）与温度为Tb的黑体辐射亮度相等，即L（T）=B（Tb）则称Tb为该物体的亮度温度。根据普朗克公式,亮度温度（Tb）又称等效黑

16、体温度或辐射温度。 由于B（T） L（T） =B（Tb），所以Tb T。,可得,2、平衡辐射的基本规律,辐射平衡状态（或平衡热辐射） 吸收和发射辐射能量相等：1）物质热状况保持不变，可用一确定温度表示；2）各向同性。 局地辐射平衡状态 如果辐射热交换的过程相当缓慢，物体中内能的分布来不及变化均匀，这时物体的温度虽然在变化，但每一给定瞬间，物体的状态可以看作是平衡的，仍可用一定的温度来描述。 地球大气中的辐射过程，一般认为地面至50公里以下的大气处于局地辐射平衡状态，因此可以应用平衡辐射的规律来解诀平流层以下的大气辐射学的问题。,基尔霍夫定律,在辐射平衡条件下，任何物体的单色辐射通量密度FT与吸

17、收系数AT成正比关系，二者比值只是波长和温度的函数，与物体性质无关。任何物体的辐出度和它的吸收率之比都等于同一温度下黑体的辐出度FB。,若定义比辐射率 , T为物体的放射能力F , T和黑体的辐射能力FB (l , T )之比，则基尔霍夫定律可以写成 意义：将物体的吸收能力和放射能力联系起来；将各种物质的吸收、放射能力与黑体的吸收放射能力联系起来。,Gustav Robert Kirchhoff (1824-1887) 德国物理学家 1859: Kirchhoffs Law 光谱学、电学 发现了铯和铷,对于绝对黑体物质，单色辐射通量密度与发射物质的温度和辐射波长或频率的关系： 物理意义： 黑体

18、辐射与物质组成无关； 黑体辐射强度随温度增高而增大（Stefan-Boltzmann定律）； 最大强度的波长随温度增高而减小（Wien位移定律）。,普朗克定律,普朗克函数(黑体分光辐亮度),Max Planck (1858-1947) 德国物理学家 1901: Plancks Law 1918: Nobel Prize Quantum theory, 黑体-其辐射通量密度可用普朗克定律表示 h是普朗克常数，等于6.626210-27尔格/秒 k是波尔兹曼常数，等于k=1.3806 10-16尔格/度 c是光速。 若用c1= 2c2h, c2=hc/k, 上式可写为,（wcm-2m-1）,黑体,

19、斯蒂芬波尔兹曼定律,黑体的积分辐射通量密度与温度的4次方成正比 由温度可以求出绝对黑体的积分辐射通量密度；反之，也可由积分辐射通量密度反求其温度，这就是用辐射方法测量物体温度的基础。 将太阳视作绝对黑体而计算出的温度称为太阳的有效温度，约为5777K，与太阳表面的实际温度略有差异。如果不是绝对黑体，计算出的温度就会偏低。,Joseph Stefan (1835-1893) 奥地利物理学家、诗人 1884: Stefan-Boltzmann law 热学、电磁学 1904: Nobel Prize,Ludwig Boltzmann (1844-1906) 奥地利物理学家 1884: Stefan

20、-Boltzmann law 理论推导、统计力学,维恩位移定律,黑体辐射最大单色通量密度与它的温度成反比。 例如对6000 K黑体，l max = 0.42 m（蓝色光） 由辐射最强的波长也可以确定绝对黑体的温度，光谱方法测定物体温度的基础。 由维恩位移定律求出的温度称为色温。,Planck function,Wiens Law,Stefan-Boltzman law,BLACKBODY RADIATION,T = temperature (K)s = Stefan Boltzman constant,太阳辐射的能量集中在0.1m至4.0m之间 地球大气辐射的能量主要集中在4m至120m之间

21、太阳辐射为短波辐射，称地-气辐射为长波辐射。 短波辐射和长波辐射以4m分界。,3、太阳辐射和地球辐射,大气运动的能量来源于太阳辐射，地面和大气中的辐射过程从大尺度开始控制了地球大气系统的能量平衡，从而决定了地球气候的基本特征。 大气辐射学：研究辐射能在地球-大气系统内传输和转换的规律及其应用，属大气物理学的一个重要分支；是天气学、气候学、动力气象学、应用气象学、大气化学和大气遥感等学科的理论基础之一。,五、地球大气与辐射的相互作用,FAQ 1.1, Figure 1. Estimate of the Earths annual and global mean energy balance. S

22、ource: IPCC_AR4_Kiehl and Trenberth (1997).,学习、研究的意义,辐射能是地面和大气的基本能量来源，辐射是地气系统与宇宙空间能量交换的唯一方式。 辐射传输规律是大气遥感的理论基础。 数值天气预报中需要定量化考察大气辐射过程。 气候问题辐射强迫。,重点： 吸收光谱 散射特征 布格定律 相关物理量,1、大气吸收的物理过程,吸收: 投射到介质上面的辐射能中的一部分被转变为物质本身的内能或其它形式的能量。 介质：大气中有各种气体成分及气溶胶粒子 大气成分对辐射具有选择吸收的特性，是由分子和原子结构及其所处运动状态决定的。,吸收系数,单个粒子的吸收截面ab 粒子所

23、吸收的辐射通量相当于面积ab从入射辐射场中所截获的辐射通量。 体积吸收系数：单位体积中各粒子吸收截面之和（kab=Nab）。 质量吸收系数：单位质量中各粒子吸收截面之和；单位质量的吸收物质（1cm2气柱中）吸收了原辐射能的份数。 加宽作用使得吸收带中谱线互相重叠，在每一波数处的吸收系数 实际多使用一波数间隔内的平均值。,选择性吸收 太阳短波辐射：H2O、O2、O3 地气长波辐射：H2O、CO2、O3 气体吸收对大气辐射平衡的重要性取决于： 吸收线的强度 吸收气体的含量及其空间分布。,2、大气吸收光谱,H2O 吸收约20%的太阳能量 几乎覆盖长波辐射整个波段 吸收作用主要在对流层，特别是对流层下

24、层。 液态水：吸收带与气态对应，波段向长波方向移动。,大气吸收光谱（H2O）,大于12m转动带,6.3m振动带,O2主要在小于0.25m的紫外区： 舒曼-龙格吸收带0.125-0.2m，赫兹堡带0.24-0.26m。 因小于0.25m的太阳辐射能量不到0.2%， 而且O2在可见光波段的吸收带较弱， 所以对太阳辐射的削弱不大。 O3 强吸收带在紫外区： 哈特来带最强0.22-0.30m；哈金斯带较弱0.32-0.36m；可见光区：查普斯带较弱。 臭氧层吸收太阳辐射的2%平流层温度高的原因。 红外区：4.7m、9.6m 、14.1m较强吸收带。,大气吸收光谱（ O2 和O3 ）,CO2吸收主要分布

25、在大于2m的红外区：较强中心为 2.7m、4.3m 和15m（最重要）。,大气吸收光谱（ CO2等）,紫外波段：O2、O3把0.29m以下的紫外辐射几乎全部吸收。 可见光波段：只有非常少量的吸收。 红外波段：主要是水汽的吸收，其次是CO2和CH4。 14m以外的辐射不能透过大气传向外空。,大气窗或大气光谱窗：812m大气的吸收很弱。 大气窗区对地气系统的辐射平衡有十分重要的意义：地表的温度约300K，与这个温度相对应的黑体辐射能量主要集中在10m这一范围，通过窗区，地面发出的长波辐射可顺利地被发送到宇宙空间。,大气吸收光谱（大气窗）,3、辐射能在介质中的传输,布格-朗伯-比尔（Bouguer-

26、Lambert-Beer）定律,上述的指数削弱规律可适用于任何原因引起的辐射衰减。对于由散射和吸收引起的衰减，可写为,式中kex,= ksc,+ kab,，称为衰减系数。布格朗伯定律是下面研究太阳直接辐射削弱的基础，非常重要。,物质对光吸收的定量关系很早就受到了科学家的注意并进行了研究。皮埃尔布格（Pierre Bouguer）和约翰海因里希朗伯（Johann Heinrich Lambert）分别在1729年和1760年阐明了物质对光的吸收程度和吸收介质厚度之间的关系；1852年奥古斯特比尔（August Bier）又提出光的吸收程度和吸光物质浓度也具有类似关系，两者结合起来就得到有关光吸收

27、的基本定律布格朗伯比尔定律，简称比尔朗伯定律。,Pierre Bouguer,Johann Heinrich Lambert,August Bier,4. 辐射传输的有关物理量,（1）光学厚度：沿辐射传输路径，单位截面上所有吸收和散射物质产生的总削弱。,对于某一波长，光学厚度为,整层大气光学厚度,则布格-朗伯可写为,（2）光学质量：辐射束沿传输路径在单位截面上所通过的吸收或散射气体的质量，称为光学质量（optical mass），常以u表示。 日光垂直入射时，利用均质大气的概念，可将海平面以上整层大气的光学质量写为,(3)单色透射率和单色吸收率 辐射通过一段大气路径后，辐射通量密度之比 常将整

28、层大气在垂直方向的透过率称为透明系数,透射率函数 光谱间隔内的平均透过率,1、大气散射 辐射在大气中传输时，与分子、尘粒、雾滴和雨滴等粒子相互作用，导致辐射向各个方向传播，这就是散射。散射是大气辐射衰减的重要原因之一。散射特征与粒子大小、形状和介电特征有关。 记kS为质量散射系数，=kS为容积散射系数，则辐射通过一路径l后其辐射为,六、大气、地面对辐射的散射和反射,各向同性、均匀表面的反射特性,图3-2 反射示意图,2、地面目标物（包含云）对辐射的反射,如图，从I方向（ 记为， ）、立体角d 内入射到dA面上的辐照度为 L(I ) d L (I)是入射辐射率。 向I方向（记为，）反射产生的辐射

29、率贡献为 dL( I)=r(I, I) L(I ) d 称r (I,I)为反射率。 r(I, I ) =,反照率 定义,所以,由此得到反射率与反照率之间的关系为,对于朗伯面，反射为各向同性（漫反射），L与方向无关。即,非均匀表面的反射特性 物体表面对电磁波的反射有三种形式： 镜面反射(mirror reflection) 反射能量集中在一个方向，反射角=入射角 漫反射(diffuse reflection) 整个表面都均匀地向各向反射入射光称为漫反射 方向反射(directional reflection) 介于漫反射和镜面反射之间，各向都有反射， 但各向反射强度不均一。,实际上多数自然表面对

30、辐射的波长而言都是粗糙表面。当目标物的表面足够粗糙，以致于它对太阳短波辐射的反射辐射亮度在以目标物的中心的2空间中呈常数，即反射辐射亮度不随观测角度而变，我们称该物体为漫反射体，亦称朗伯体。漫反射又称朗伯(Lambert)反射，也称各向同性反射。,第二节 太阳、地球-大气系统辐射,一、太阳辐射 二、地球-大气系统辐射光谱和大气吸收带 三、大气窗和大气吸收带 四、大气窗和大气吸收带在遥感中的应用,重点： 太阳辐射光谱 太阳常数 大气上界辐射能分布 太阳辐射在地气系统中的传输,大犬座VY（VYCMa ，全名称为VY Canis Majoris）是一颗位于大犬座的红色的特超巨星，距离地球5000光年

31、，视星等7.95。据推测，其质量约为3040倍太阳质量，直径约有18002100倍太阳直径，超越土星轨道，是目前已知的恒星中最大的。大犬座VY不仅巨大，光度也有太阳的50万倍之多(绝对星等约-9.6），但由于星际尘埃阻挡，所以用肉眼是见不到它的。因此也被归为特超巨星。大犬座VY处於恒星演化阶段的末期，正以庞大的速率喷出大量的气体。未来也许会引发超新星爆炸。,1、太阳和太阳辐射,太阳： 6000K火球，直径139.14万公里，是地球的104倍；日地平均距离d0=1.495 108公里。 太阳辐射用太阳常数、太阳光谱(在大气顶处、在地面处）来描述。 粗略估计，太阳向地球输送的热能大约是250亿亿卡

32、/分钟，相当于燃烧4亿吨烟煤所产生的能量。 地球从月球等其它天体所得的辐射能，仅为太阳的亿分之一； 来自宇宙的辐射能也仅为太阳辐射能的20亿分之一； 从地球内部传到地面的热量，全年才为5.4卡/平方厘米，仅为来自太阳辐射能的万分之一。 地球和大气最主要的能量来源是太阳辐射。 要了解大气各层以及地面取得的太阳辐射能的规律，需要首先知道作为辐射源的太阳进入大气的辐射能谱分布以及地球和大气的吸收特性。,一、太阳辐射,太阳光谱(solar spectrum) ：由极为宽阔的连续谱以及数以万计的夫琅和费吸收线和发射线组成。 T = 5777 K 99.9% 的能量集中在IR、VIS和UV。 地面观测波段

33、约为0.2952.5微米。 作用：可以探测太阳大气特征和现象的产生机制与演变规律，可以认证谱线和确认元素的丰度，研究地球气候等。,2、大气外界太阳光谱及太阳常数,太阳辐射谱的观测，关心3个问题： 大气外界太阳辐射的谱分布、总谱能量或太阳常数和太阳辐射随时间的变化。 观测简史 在20世纪初即已开始，地面测量； 50年代利用火箭观测了太阳的紫外辐射； 60年代利用飞机和高空气球对太阳辐射谱作了仔细的观测研究； 70年代又利用火箭和卫星以及新的主动腔体辐射表观测了太阳辐射的总谱能量。,美国斯密逊天体物理观象台 The Smithsonian Astrophysical Observatory (SA

34、O),观测简史 目前，在高山上进行的长期测量，仍是测算大气外界太阳辐射光谱的主要手段。借助高空观测弥补紫外和红外波段的测量。,太阳辐射谱标准 NASA标准：70年代初，美宇航局用飞机测量，给出大气上界太阳辐射谱分布，辐照度(即太阳常数)为1353 Wm-2 。 WRC标准：瑞士达佛斯的世界辐射中心给出的大气上界太阳谱分布，辐照度(即太阳常数)为1367 Wm-2 。 WMO仪器与观测方法委员会1981年10月决定采用WRC标准。,太阳常数：在大气上界日地平均距离处，通过与太阳光线垂直的单位面积上的太阳辐射总辐射通量密度(包括所有波长)。,Average Solar Radiation on a

35、 Sphere,太阳常数：太阳积分辐射通量密度。 1981年，WMO推荐的太阳常数最佳值为：13677Wm-2。,S0表示：大气上界，与日光垂直平面上的太阳积分辐照度。式中d为日地距离，dm=(d0/d)2为日地距离订正因数，也称为地球轨道偏心率订正因子。,Solanki and Fligge 1998,太阳常数的变化, 太阳光谱： 太阳辐射能主要集中在0.3-3.0微米， 辐射最大值位于0.47微米,色温度Tc 。 1/4能量在波长0.47微米的谱段内， 46%的能量在0.400.76的可见光波段。 假设太阳是理想的黑体，则可由斯蒂芬-波尔兹曼定律和维恩位移公式计算出太阳的有效温度Te:,根

36、据R、d0和s 的数值，得出太阳的有效温度Te = 5777 K。 太阳的颜色温度Tc可根据维恩定律，由太阳光谱中的最强波长lmax=0.48mm计算得到，,例题5.2 计算太阳的有效温度和颜色温度。 太阳的有效温度Te可由太阳常数,利用斯蒂芬 波尔兹曼定律得到。因为以日核为中心，以太阳半径R和日地平均距离d0为半径的两个球面上通过的太阳辐射能量应该相等，,Te 与Tc 值不一致，说明太阳并非严格的绝对黑体。,1. 地面土壤粒子结构、土壤水分对反照率的影响 2、植被、冰雪、水体的反射率 3、反射率随波长的变化,图3-4 三种不同含水量 砂土的光谱反射曲线,图3-5 叶子反射率、水 吸收率的反相

37、关系,不同覆盖物的反射率随波长的变化,地面及其覆盖物对太阳辐射的反射,（a）不同种类作物和裸地的反射率 （b）作物覆盖率和生物量对反射率的影响,作物在生长和衰老期间光谱变化,清水的吸收系数,从可见光到中红外小麦叶子的反射光谱,0.4-0.7微米不同叶绿素浓度的海水反射率,0.51.0微米波段天然清水和混水的反射率,0.52.5微米不同土壤湿度下含沙壤土的反射率,0.42.6微米小麦叶子在不同生长期的反射率,假设单层云层的反照率和透过率都是50%。考虑二次反射后从第一层反射的能量占原来入射能量的62.5%。因而多层云的反照率较高。,图3-7 多层云对太阳辐射的反射,反射、透射、吸收%,反射,透过

38、,吸收,云 厚 (m),透过率（）,高层云 层云,图云层反射率、吸收率和透过率的关系,（）,（）,云层的反照率,在地球大气系统对太阳辐射的吸收中, 大气的吸收只占20%，地球表面吸收了约50%。,3、 地面对太阳辐射的反射和吸收,地面反照率,应用：植被指数（NDVI） 在NOAA气象卫星上利用二个通道，分别测量可见光通道（例如0.580.68m）和近红外通道（如0.71.1m）波段的地面反照率： 当植被生长茂盛，植被指数值就较大。,云的反照率既依赖于云的厚度、相态和含水量等云的宏微观特性，而且和太阳高度角和下垫面反照率有关。,云的反照率,地球-大气系统的反照率称为行星反照率，它表示射入地球的太

39、阳辐射被大气、云及地面反射回宇宙空间的总百分数。 地区行星反照率 全球行星反照率 目前认为全球的行星反照率数值可取0.30。 地球表面的反照率 云反照率 大气的后向散射作用。, 行星反照率,1、地球-大气系统辐射光谱 地球大气系统发出的辐射主要是红外辐射。对于 2.5m的红外波段，物体近似黑体，比辐射率近似等于1，由黑体定律计算地球大气系统平均温度。 如果到达地球并被其吸收的太阳辐射为 （1-rS） R2s0 rS行星平均反照率，R地球半径，s0太阳常数。地球大气吸收这些辐射后全部转化为红外辐射向外空发射，其出射度为,二、地球-大气系统辐射光谱和大气吸收带,接近实际大气的平均温度。 通常把地球

40、-大气系统近似看作平均温度为256K的黑体。,由斯蒂芬-波尔兹曼定律（M=T4），rS =0.28，s0=1353瓦米-2， =5.6710-8瓦米-4 开-4代入，得,地球-大气系统发出的辐射 1. 95%集中在4120 m的波段， 2. 最大辐射波长约在15 m附近， 3. 在35 m处与太阳辐射光谱有重叠。,2、大气对地球-大气辐射的吸收 地球-大气辐射在大气中传输时，受大气吸收和散射的影响。但当3 m时，雷利散射很小，可忽略。所以造成地球-大气辐射能衰减的主要原因是大气气体的吸收。,表3-1 大气气体的吸收谱带,太阳或地球-大气的辐射在大气中传输时被大气中的某种气体所吸收。吸收随波长变

41、化很大，在一些波段吸收很强，在另一些波段吸收很弱或没有吸收。对辐射吸收很强的波段就称为该气体的吸收带；吸收很弱或没有吸收的波段称为大气窗（因为这些波段的辐射可以象光通过窗户那样透过大气）。,三、大气窗和大气吸收带,表3-2 大气窗区各波段,辐射与大气和地表之间的相互作用表现为辐射的发射、吸收和反射，这为卫星遥感地表和大气提供了大量的信息。例如卫星在大气窗区波段可以测量地面、云层反射或发射的辐射，从而可以得到地表、云面的反射特性或温度分布；卫星在吸收带测量，可以得到大气温度和成分。 根据测量的目的，卫星选择不同的波长间隔进行测量，这种波长间隔称做通道。为更多地获取地面、云层和大气信息，目前卫星测

42、量使用的通道很多。,四、大气窗和大气吸收带在遥感中的应用,表3-3 卫星测量使用的波段,第三节 辐射在大气中的传输与卫星接收到的辐射,辐射传输过程的主要参数: 光谱波段(频率) 介质的吸收和散射属性 大气垂直分布 大气温度廓线 大气透过率,可反演参数: 大气温度 大气湿度 云中液态水 地表温度 地表发射率,上行辐射,下行辐射,地表反射的辐射,云的辐射,来自地表的辐射,反射效应,云的吸收,Surface,卫星传感器,散射效应,1、辐射在介质中的传输 （1）小气柱吸收的辐射,图3-9 小气柱介质辐射,红外辐射在大气中的传输,dL1因介质吸收引起辐射的改变量，k（z）质量吸收系数。质量消光系数=质量

43、吸收系数+质量散射系数。 （z）吸收介质的密度。 常称 (z)=k（z）（z）为体积吸收系数。 a(z)= (z)dz 为薄层吸收率。,一方面，辐射强度由物质对辐射的吸收和散射而减弱；辐射减弱量为 另一方面，辐射强度也可以由同波长处物质的发射和多次散射而增强，辐射增强量为 dL2因介质发射引起辐射的改变量，j（z）是介质质量发射系数。 因此，辐射通过小气柱后总的辐射贡献为,（2）小气柱发射的辐射,定义源函数（source function； ）：,因此，我们得到,这就是不加任何坐标系的普遍的辐射传输方程，它是讨论任何辐射传输过程的基础。,O,x,y,2、平面平行大气中的辐射传输,假定大气是水平

44、平行均匀分层的，Z为垂直方向，在任意方向I的辐射传输方程,平面平行大气的辐射传输,引入大气上界向下测量的垂直光学厚度：,代入辐射传输方程，有,式中，,这就是平面平行大气中有关多次散射的问题的基本方程。,假定： 1）大气处于局地热力平衡状态；,源函数可以按照基尔霍夫定律表示为普朗克函数,2）大气是平面平行大气结构。,辐射强度和大气大气参数（温度和气体分布廓线）的变化只允许在垂直方向上（高度和气压）发生。,在这样的假定下，吸收和发射过程将相对于方位角对称。辐射强度只是垂直方向上的位置和天顶角的函数。,热红外辐射传输方程就变为：,根据大气静力方程，引入气压坐标P Z空气密度，g重力加速度， (z)是z高度空气密度,q（p）吸收气体与空气的混合比。 因此，在P坐标系下光学厚度可以表示为,此时，大气的透过率可以表示为：,其导数为：,将以上两式代入，热红外辐射传输方程，并整理得,-卫星在红外波段接收地气系统发射辐射的表达式，即红外辐射在大气中的传输方程RTE。,-卫星在红外波段接收地气系统发