红外辐射在大气中的传输

1、红外辐射在大气中的传输第1页，共55页，2022年，5月20日，9点48分，星期二2大气概述第一节 大气的组成 第二节 大气的结构 第三节 主要气象要素 第2页，共55页，2022年，5月20日，9点48分，星期二3 大气的组成一、干洁空气 1 概念： 大气中除水汽、液体和固体杂质外的整个混合气体。2 成分：主要成分是氮、氧、氩、二氧化碳等，此外还有少量的氢、氖、氪、氙、臭氧等稀有气体 。3 特点：(1)组成干洁空气的各种成分总是维持，(2)干洁空气的平均分子量是28.996，(3)在垂直高度90km以下干洁空气的主要成分所占比例不变4 干洁空气中几种有影响的气体（1）臭氧:含量少，20-25

2、km最多；影响气温垂直分布，保护生物（2）二氧化碳：集中于大气底部20公里，因时间和空间而不同(夏季较 少，冬季较多；城市较多，农村较少)强烈吸收长波辐 射,影响大气和地面温度；但含量过高影响会响人类健 康。第一节第3页，共55页，2022年，5月20日，9点48分，星期二4二、水汽来源：江、河、湖、海及潮湿物体表面的水分蒸发 .分布：集中在大气底层，一般随高度的增高而减少 ;且因纬度、地势高 低以及海陆的不同而有差异：低纬高纬、夏季冬季、湿润地 区干旱地区作用：是大气唯一能发生相变的气体，产生天气现象； 对地面和空气温度产生影响； 在水平和垂直方向上进行物质与能量的交换。三、大气中的固体杂质

3、和液体微粒 1.固体杂质 定义：悬浮于大气中的烟粒、尘埃、盐粒等。 来源：物质燃烧的烟粒、海水飞溅扬入大气后而被蒸发的盐粒，被风吹 起的土壤微粒及火山喷发的烟尘，流星燃烧所产生的细小微粒和 宇宙尘埃,还有细菌、微生物、植物的孢子花粉等 。 第4页，共55页，2022年，5月20日，9点48分，星期二5含量分布：多集中在大气的底层，随时间、地区和天气 条件而变化（陆上多于海上,城市多于乡村， 冬季多于夏季 ）作用:(1)吸收一部分太阳辐射和阻挡地面放热，对地面 和空气温度有一定影响； (2)使大气能见度变坏 ； (3)充当水汽凝结的核心，对云、雨的形成起重要作用。2.液体微粒定义：悬浮大气中的水

4、滴、过冷水滴和冰晶等水汽凝结 物。作用：它们常聚集在一起，以云、雾等形式出现，使能 见度变坏，还能减弱太阳辐射和地面辐射。第5页，共55页，2022年，5月20日，9点48分，星期二6四、大气污染定义：由于工业、交通运输业的发展，在废气不加以回收利用的情况下，空气中增加了许多新的成分，这就是所说的大气污染。大气污染物:如下表分类成分粉尘微粒碳粒、飞灰.碳酸钙、氧化锌、二氧化铅硫化物二氧化硫、三氧化硫、硫酸、硫化氢、硫醇等氮化物一氧化氮、二氧化氮、氨等氧化物臭氧、过氧化物、一氧化碳等卤化物氯、氟化氢、氯化氢等有机化合物碳化氢、甲醛、有机酸、焦油、有机卤化物、酮等第6页，共55页，2022年，5月

5、20日，9点48分，星期二7 大气的结构一、大气的高度严格地说，不存在大气圈的上界。 大气圈的垂直范围通常有两种划法：（一）着眼于大气中出现的某些物理现象。大气中极光是出现高度最高 的物理现象，因此，可以把大气的上界定为1200公里。 （二）着眼于大气密度，用接近于星际的气体密度的高度来估计大气 的上界。按照人造卫星探测资料推算，这个上界大约在2000 3000公里高度上。 第二节第7页，共55页，2022年，5月20日，9点48分，星期二8二、大气的垂直分层 观测证明，大气在垂直方向上的物理性质是有显著差 异的。根据温度、成分、电荷等物理性质，同时考虑到 大气的垂直运动等情况，可将大气分为五

6、层 ：对流层、 平流层、中间层、暖层、散逸层。（一）对流层 对流层是地球大气中最低的一层，其底界是地面。 云、雾、雨、雪等主要大气现象都出现在此层。因而， 对流层是对人类生产、生活影响最大的一个层次，也是 各种大气研究的重点层次。 第8页，共55页，2022年，5月20日，9点48分，星期二91.界限：底层是下地垫面，上层随纬度和季节而不同低纬度地区平均为17-18公里，中纬度地区为10-12公里，高纬度地区为8-9公里 任何纬度尤其是中纬度的对流层厚度，夏季较大，冬季较小同大气的总厚度比较起来，对流层是非常薄的，不及整个大气厚度的1。但是，由于地球引力的作用，这一层却集中了整个大气34的质量

7、和几乎全部的水汽。 2.主要的特征:(1)气温随高度的升高而降低：由于对流层主要是从地面得到热量，因此温度随高度增加而降低。 气温铅直梯度：对流层中气温随高度而降低的数值，在不同地区、不 同季节、不同高度是不一致的，平均而言，每上升100米， 气温 下降约0.65。这称为气温直减率，也叫气温铅直梯度。通常以y 表示：y=-dT/dZ=0.65/100m第9页，共55页，2022年，5月20日，9点48分，星期二10(2)铅直对流运动：由于地表面的不均匀加热，产生铅直对流 运动。空气通过对流和湍流运动，高、低层的空气进 行交换，使近地面的热量、水汽、杂质等易于向上输 送，对成云致雨有重要作用。

8、(3)气象要素水平分布不均匀：由于对流层受地表的影响最 大，而地表的性质差异也是很大的，因此在对流层 中，温度、湿度的水平分布是不均匀的，特别是冷、 暖气团交绥的地带，即所谓锋区，往往有严重的天气 现象发生，如寒潮、梅雨、暴雨、大风、冰雹等。 第10页，共55页，2022年，5月20日，9点48分，星期二11(二)平流层 1.界限：自对流层顶到55公里左右 2.特点: 1) 随着高度的增高，气温最初保持不变或微有上升，到25公里以上，气 温随高度增加而显著升高，在55公里高度上可达-3 ； 2)气流比较平衡，空气的垂直混合作用显著减弱；多晴好天气，能见度高。(三)中间层 自平流层顶到85公里左

9、右为中间层。该层的特点是: 气温随高度增高而上升，并有相当强烈的垂直运动。该层的60-90公里高度上，有一个只在白天出现的电离层，叫做D层。(四)暖层：中间层顶至800公里高度暖层有两个特点：(1)随着高度的增高，气温迅速升高空气就更稀薄。(2)空气处于高度电离状态。从这一特征来说，暖层又可称为 电离层。 (五)散逸层 800公里高度以上的大气层，统称为散逸层。这一层的气温随高度的增高而升 高。这一层的主要特征是大气质点经常散逸至星际空间。 第11页，共55页，2022年，5月20日，9点48分，星期二12第12页，共55页，2022年，5月20日，9点48分，星期二13第13页，共55页，2

10、022年，5月20日，9点48分，星期二14 主要气象要素气象要素：指表示大气中物理现象的物理量。如气压、温度、湿 度、风向、风力、云量、能见度、降水量、日照、辐 射等。 一、气温 表示空气冷热程度的物理量，称为气温。在一定的容积内，一定质量空气温度的高低与气体分子运动的平均动能多少有关，而气体分子运动的平均动能只与温度有关，且与绝对温度成正比。因此，空气冷热的程度，实质上是空气分子平均动能。第三节第14页，共55页，2022年，5月20日，9点48分，星期二15 大小的表现：当空气获得热量时，它的分子运动的平均速度增大，随之平均动能增加，气温也就升高；反之当空气失去热量时，它的分子运动平均速

11、度减小，随之平均动能也减少，气温也就降低。 气温的单位：目前我国规定用摄氏()温标。以气压为760mmHg时纯水冰点为零度，沸点为100度，其间等分100等分即为1。在理论研究上常用绝对温标，以K表示，这种温标中一度的间隔和摄氏温标相同，但其零度规定为摄氏-273.16，称为“绝对零度”，水的冰点为273.16K，沸点定为373.16K。第15页，共55页，2022年，5月20日，9点48分，星期二16两种温标之间的换算关系如下： T=t+273.16t+273 (1-2) 大气中的温度一般以百叶箱中干球温度为代表。二、气压 气压指大气的压强。它是空气的分子运动与地球重力场综合作用的结果。若以

12、P代表气压，F代表面积A上所承受的力，则： PF/A第16页，共55页，2022年，5月20日，9点48分，星期二17地面气压分布一般在9401040mb之间，在台风中心可能低于900mb，在西伯利亚高压中心可能高于1080mb。第17页，共55页，2022年，5月20日，9点48分，星期二18例题：1、若空气温度为298K，相对湿度RH60，求10km水平路程的可凝结水量。2、当大气处于标准状态，在1km路程上，求CO2的大气厘米数。 某地区，10Km高空大气压强为26000Pa，温度为220K，求1km水平路程上CO2的大气厘米数。第18页，共55页，2022年，5月20日，9点48分，星

13、期二19例5-2 气象条件：海平面水平路程长为1.8km，气温为22，相对湿度RH=59%，气象视程V=13.8km（在0.61m）处，求：在3.54.0 m光谱带的平均大气透射率。解: (1) 求s()因为V=13.8km，故取q=1.3，0=0.61m。在3.54.0m这样一个狭窄的范围内，由散射而导致的透射率随波长的变化较慢，可以取该光谱范围内的中心波长=3.75m处的s()作为平均的s 根据式(5-25)，可得第19页，共55页，2022年，5月20日，9点48分，星期二20（2）求a这里只取两个组元的吸收，即水蒸气和二氧化碳吸收的透过率，所以有 先求水蒸气的透射率H2O。由表5-2查

14、得22的饱和水蒸气密度为19.22g/m3，所以全路程的可凝结水的毫米数为 当w=20mm，查表5-6可以得到各波长对应的透射率第20页，共55页，2022年，5月20日，9点48分，星期二21求二氧化碳的透射率CO2.因为x=1.8km，可取近似值x=2km，由表5-7得到的各波长对应的透射率，将该表中的a()画图，如右所示，可以得到3.54.0m区的平均透射率a。此时整个光谱区域的带宽为=0.5m，光谱间隔为d=0.1m，其边缘上两个波长只有间隔的一半，所以平均透射率为3.43.53.63.73.83.94.04.1200406080100波长大气吸收率第21页，共55页，2022年，5月

15、20日，9点48分，星期二22所以 第22页，共55页，2022年，5月20日，9点48分，星期二23波长/mH2O()CO2()a()as3.50.83210.8320.940.950.893.60.91610.9163.70.94410.9443.80.97210.9723.90.97210.9724.00.9600.9910.951第23页，共55页，2022年，5月20日，9点48分，星期二24红外辐射在大气中的传输问题一直受到人们的普遍重视。这是因为红外辐射自目标发出后，要在大气中传输相当长的距离，才能达到观测仪器，由此总要受到大气中各种因素的影响，给红外技术的应用造成限制性的困难。

16、第24页，共55页，2022年，5月20日，9点48分，星期二25红外辐射在大气中传输时，主要有以下几种因素使之衰减： （1）在0.20.32m的紫外光谱范围内， 光吸收与臭氧的分解作用有联系。 （2）在紫外和可见光谱区域中，由氮分子和氧分子所引起的瑞利（Rayleigh)散射是必须要考虑的。 （3）粒子散射或米（Mie)氏散射。 （4）大气中某些元素原子的共振吸收 。 （5）分子的带吸收是红外辐射衰减的重要原因。 第25页，共55页，2022年，5月20日，9点48分，星期二265.1 地球大气的基本组成和气象条件1 大气的基本组成 包围着地球的大气层，每单位体积中大约有78%的氮气和21%

17、的氧气，另外还有不到1%的氩（Ar）、二氧化碳(CO2)、一氧化碳(CO)、一氧化二氮(N2O)、甲烷(CH4)、臭氧(O3)、水汽(H2O)等成分。除氮气、氧气外的其他气体统称为微量气体。 除了上述气体成分外，大气中还含有悬浮的尘埃、液滴、冰晶等固体或液体微粒，这些微粒通称为气溶胶。 第26页，共55页，2022年，5月20日，9点48分，星期二272 大气的气象条件 所谓大气的气象条件，是指大气的各种特性，如大气的温度、强度、湿度、密度等，以及它们随时间、地点、高度的变化情况。 右图表示了海拔100km内大气温度随高度变化的情况。第27页，共55页，2022年，5月20日，9点48分，星期

18、二285.2 大气中的主要吸收气体和主要散射粒子大气中的主要吸收气体由水蒸气、二氧化碳、和臭氧等。下面主要介绍这些气体的浓度和变化范围。第28页，共55页，2022年，5月20日，9点48分，星期二291 水蒸气 水蒸气在大气中，尤其在低层大气中的含量较高，是对红外辐射传输影响较大的一种大气成分。虽然人眼看不见，但它的分子对红外辐射有强烈的选择吸收作用。 (1)水蒸气含量描述 (2)水蒸气的分布 水蒸气压强:水蒸气压强是大气中水蒸气的分压强，用符号pw表示，其单位是Pa。 绝对湿度:绝对湿度是单位体积空气中所含有的水蒸气的质量，通常用符号w表示，其单位为g/m3。所谓绝对湿度，是指水蒸气的密度

19、。第29页，共55页，2022年，5月20日，9点48分，星期二303)饱和水蒸气压: 在由气体转变为液体过程中的水蒸气，称为饱和水蒸气。在饱和空气中，水蒸气在某一温度下开始发生液化时的压强，称为再该温度下的饱和水蒸气压，用ps表示，它就是饱和状态下水蒸气的分压强，只是温度的函数。 4)饱和水蒸气量: 某一空气试样中，处于某一温度时，单位体积内所能容纳最大可能的水蒸气质量，用s表示，其单位是g/m3。饱和空气中的水蒸气量，即饱和水蒸气密度，只与温度有关。 第30页，共55页，2022年，5月20日，9点48分，星期二315)相对湿度:相对湿度是空气试样中水蒸气的含量和同温度下该空气试样达到饱和

20、是水蒸气含量的比值，用百分数RH表示 （5-1） 6）露点温度:露点温度是给定空气试样变成饱和状态时的温度。 第31页，共55页，2022年，5月20日，9点48分，星期二322 二氧化碳 随着高度的增加，二氧化碳对红外辐射的吸收虽然减少，但不如水蒸气吸收减少得那么显著。因此，在低空水蒸气的吸收对红外辐射的衰减起主要作用；而在高空，水蒸气的吸收退居次要地位，二氧化碳的吸收变得更重要了。 3 臭氧 臭氧在大气中的形成和分解过程，决定了臭氧的浓度分布以及臭氧层的温度。第32页，共55页，2022年，5月20日，9点48分，星期二334 大气中的主要散射粒子 在辐射传输研究中常用的气溶胶尺度谱模式有

21、以下两种： （1）Diermendjian谱模式，其公式为 （5-2） 其中N为单位体积中的粒子数，r为粒子半径，a,b,是依来源而定的常数。 第33页，共55页，2022年，5月20日，9点48分，星期二34（2）Junge谱模式，其公式为 （5-3） 式中c、是谱参数，c一般取24，与总浓度有关 （3）对数正态谱模式 （5-4） 式中、R是谱参数。第34页，共55页，2022年，5月20日，9点48分，星期二355.3 大气的吸收衰减介质中的辐射场强度与介质的透过率密切相关。因此，研究因大气的吸收和散射对辐射产生的衰减是非常重要的。本节将研究大气吸收产生的衰减 为了确定给定大气路程上分子吸

22、收所决定的大气透射率，可以有如下几种方法： （1）根据光谱线参数的详细知识，一条谱线接一条谱线地做理论计算； （2）根据带模型，利用有效的实验测量或实际谱线资料为依据，进行理论计算； （3）在所要了解的大气路程上直接测量； （4）在实验室内模拟大气条件下的测量。第35页，共55页，2022年，5月20日，9点48分，星期二361 大气的选择吸收 由于大气对红外辐射的吸收，可以用各种不同强度的重叠光谱线组成的离散带来表征，重叠的程度取决于谱线的半宽度，而这些谱线在整个吸收带内的分布取决于吸收分子，因而才出现不同吸收带。 大气的红外吸收的特点是具有一些离散的吸收带，而每一吸收带都是由大量的，而且有

23、不同程度重叠的各种强度光谱线组成的。这些谱线重叠的程度与半宽度由直接的关系，并且还与谱线的间隔有关系，当然与谱线的实际线型也是有关的。谱线的半宽度是与气压、温度等气象条件有关的。至于谱线的位置以及谱线的强度分布则与吸收分子的种类有关。 第36页，共55页，2022年，5月20日，9点48分，星期二372 表格法计算大气的吸收 表格法计算大气的吸收是一种利用红外和大气工作者编制的大气透过率表格可以方便地计算大气吸收。根据人们的实验数据，采用适当的近似，已经整理出各种形式的大气透射率数据表 第37页，共55页，2022年，5月20日，9点48分，星期二38任意波长上的透射率的知识从表中察到的水蒸气

24、和二氧化碳透射率的乘积，即 （5-5） 在高度为h的水平路程x所具有的透射率等于长度为x0的等效海平面上水平路程的透射率，用数字表达式可以表示为 （5-6） 第38页，共55页，2022年，5月20日，9点48分，星期二395.4 大气的散射衰减辐射在大气中传输时，除因分子的选择性吸收导致辐射能衰减外，辐射还会在大气中遇到气体分子密度的起伏及微小微粒，使辐射改变方向，从而使传播方向的辐射能减弱，这就是散射。一般说来，散射比分子吸收弱，随着波长增加散射衰减所占的地位逐渐减少。但是在吸收很小的大气窗口波段，相对来说散射就是使辐射衰减的主要原因。 第39页，共55页，2022年，5月20日，9点48

25、分，星期二401 气象视程与视距方程式 目标与背景的对比度随着距离的增加而减少到2%时的距离，称为气象视程，简称为视程或视距。 我们可以以背景亮度为标准定义目标的对比度C，即 （5-7） 式中Lt为目标亮度；Lb为背景亮度第40页，共55页，2022年，5月20日，9点48分，星期二41人眼对两个目标亮度的差异的区别能力是有限的，这种限制的临界点称为亮度对比度阈。亮度对比度阈通常以CV表示，对于正常的人眼来说，其标准值为0.02。 对于同一目标来说，当它距观察点的距离为x时，那么观察者所看到的目标与背景的对比度为 （5-8） 式中Ltx为观察者所看到的目标亮度；Lbx为背景亮度第41页，共55

26、页，2022年，5月20日，9点48分，星期二42当x=V处的亮度对比度CV与x=0处的对比度亮度C0的比值恰好等于2%时，这时的距离V称为气象视距，即 （5-9） 在实际测量中，总是让特征目标的亮度远远大于背景的亮度，即LtLb,而Lb0=LbV。因此，上式可变为 （5-10）第42页，共55页，2022年，5月20日，9点48分，星期二43在实际观察中，如果我们把一个很亮的目标从x=0处移到距观测点x=V处时，对于波长为0的亮度降到原亮度的2%，此时V就是气象视程。如果满足上述的假设，那么以x=0到x=V之间的大气，在波长0处，对大气透射率的影响只是由散射造成的，其透射率为 （5-11）第

27、43页，共55页，2022年，5月20日，9点48分，星期二44 由上面两式可得到 （5-12） 所以可以得到在波长0处，散射系数和气象视程的关系为 （5-13） 式（5-13）即为视程方程式，V是长度单位，与S(0)相适应即可。 第44页，共55页，2022年，5月20日，9点48分，星期二452 测量0处视程的原理 按照视程方程式，我们能知道散射系数S。又因为我们选取的波长通常是0=0.61m或0.55m，在这些波长处的吸收近似为零，因此，衰减只是由散射造成的。 在已知的x距离上，在波长0处，测得大气的透射率为S(0，x），则有 （5-14） （5-15） 第45页，共55页，2022年，

28、5月20日，9点48分，星期二46如果已知距离x在0V之间，由于在整个视程内的S都是一样的，因此，可以将此式中的S(0)代入视程方程中，得到视程与已知距离处的透射率之间的关系为 （5-16） 由此式可知，只要测得已知距离x及透射率S(0，x），就可以求得视距。第46页，共55页，2022年，5月20日，9点48分，星期二47计算气象视程。 例5-1 在距离x=5.5km，波长0.55m处测得的透射比S(0，x）为30%，求气象视程V。 解 : 将x，S(0，x）代入式（5-16） 得 即在0.55m处的气象视距为17.9km。第47页，共55页，2022年，5月20日，9点48分，星期二483

29、 利用0处的视程求任意波长处的光谱散射系数S() 一般可以将散射系数表示为 （5-17） 式中的A，A1，q都是待定的常数。 式（5-17）中，第二项表示瑞利散射。在红外光谱区内，瑞利散射并不重要，因此，只需考虑式中的第一项，即 （5-18）第48页，共55页，2022年，5月20日，9点48分，星期二49对上式取对数，有 （5-19） 式中q是经验常数。当大气能见度特别好（例如气象视程V大于80km）时，q=1.6；中等视见度，q=1.3（这是常见的数值）。如果大气中的霾很浓厚，以致能见度很差（例如，气象视程小于6km），可取q=0.585V1/3，其中V是以km为单位的气象视程。第49页，共55页，2022年，5月20日，9点48分，星期二50 式（5-19）同样应能满足波长0处的散射系数。可利用式（5-18）和式（5-13）得到 （5-20） （5-21）第50页，共55页，2022年，5月20日，9点48分，星期二51 将式（5-21）代入式（5-18），就可以得到任意波长处的散射