第3章 气象卫星遥感大气的基本原理1

气象卫星遥感地球大气系统的温度、湿度、云雨演变等气象要素通过探测地球大气系统发射或反射、散射的电磁波而实现的电磁辐射是气象卫星遥感的基础第三章卫星遥感辐射基础电子跃迁可见光宇宙射线γ射线紫外线X射线

可见光红外线亚毫米波毫米波厘米波分米波微波超短波短波中波长波无线电波迟缓电振荡光谱区1nm

1m

1m波长310223102031018310163101431012310103108

310631043102频率(Hz)近红外中红外远红外1.515750m

紫蓝青绿黄橙红0.400.430.450.500.570.600.630.76微米分子振动、转动电离电磁振荡太阳辐射地球大气辐射产生机制一、电磁波谱1、电磁波段的划分电磁辐射包括宇宙射线、太阳辐射、地球大气热辐射、无线电辐射等。第一节电磁波谱和辐射度量γ射线：波长10-11—10-4nm，生成：放射性元素蜕变，

特征：能量高104—106eV，穿透非常稠密的物质。电离空气。X射线：波长10-5—0.0045m，生成：原子内部电子从激发态恢复到稳态，

特征：波长短，频率高。穿透密度很大的物质。紫外线(UV)：波长0.0045—0.40

m，生成：原子和分子内部电子状态改变，

特征：频率高，各种物质对短的紫外线波有强烈的吸收。

UVA：0.32—0.40

m，对大多数人没有大危害

UVB：0.29—0.32m，对生物引起太阳辐射伤害

UVC：0.25—0.29

m，对多数生命产生严重损害可见光(VIS)：波长0.40

—0.76

m，生成：原子内部电子状态改变，特征：对人眼网膜施以特殊刺激引起视觉。红外线(IR)：波长0.76

—1000

m，生成：分子、原子的振动转动，

特征：也称热辐射或温度辐射。分近、中、远红外谱段。微波(MW)：波长：1

—300mm，生成：物质内部分子转动无线电波：波长大于300mm。电磁波谱各谱段划分常没有严格的界限，在两谱段之间的边界是渐变的。某些文献划分略不同。2、电磁波各参数关系和使用单位1)电磁波谱常以波长、频率表示。真空中存在关系

：

波长；频率f；光速c=3108m/s。若在介质中传播波在介质中速度v；波在介质中波长n=/n；介质折射指数n红外波段还采用波数表示，单位长度内包含波的数目

波数，单位cm-1（1厘米长度内含有波的数目）2)单位：1m=10千兆2cm=103mm=106m=109nm

1GHz

=103MHz=106KHz=109Hz

红外波段：频率高无法测量；波长准确率达10-5-10-7m，适用波数3、电磁波的量子特性按量子观点，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

E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。

电磁辐射既有波动特性，也有粒子特性。波长较长的可见、红外光波动性表现明显；波长较短的γ、X射线，其粒子性表现明显。二、辐射基本量各种辐射量：符号、单位符号辐射量单位Q辐射能(Energy)焦耳（J）Ф辐射通量(Flux)焦耳·秒-1（J·s-1,

W）F辐射通量密度

(FluxDensity)

辐照度

出射度焦耳·秒-1·米-2（W·m-2）

I辐射强度(Intensity)焦耳·秒-1·球面度-1（W·sr-1）

L辐射率/辐亮度(Radiance)焦耳·秒-1·米-2·球面度-1（W·m-2·sr-1）

辐射能Q(Energy):

焦耳（J）电磁波辐射所携带的能量，或物体发射辐射的全部能量。辐射通量Ф(Flux)：焦耳·秒-1，瓦(J·s-1,W)单位时间内通过某一表面的辐射能。

表示辐射能传递的速率。如果辐射能随时间而变：或辐射通量密度F(FluxDensity)：焦耳·秒-1·米-2（W·m-2）通过单位面积的辐射通量或

对于一个被照射的表面或发射的表面，如下定义：辐照度E（Irradiance)：投射到一表面上的辐射通量密度出射度M（Exitance)：辐射体表面发射出的辐射通量密度或辐射强度(Intensity)焦耳·秒-1·球面度-1（W·sr-1）点辐射源在某一方向上单位立体角内的辐射通量

如果点源各向同性，则辐射强度立体角分析辐射场常常要考虑单位立体角(solidangle)内的辐射能量。立体角定义：锥体所拦截的球面积σ与半径r的平方之比单位：球面度(sr)辐射率/辐亮度(Radiance)焦耳·秒-1·米-2·球面度-1（W·m-2·sr-1）面辐射源在单位时间内通过垂直面元法线方向上单位面积、单位立体角的辐射能辐射传输方向与法线方向不一致，夹角θ其中立体角是位置、方向、时间的函数dAdωsndAˊ如果面源的辐亮度与方向无关，则称各向同性，这样的源称朗伯源

若面源很小——点源，方向的辐射强度:

若考虑整个空间，得平均辐射率：辐射是方位对称：I0cosθθI0L(θ)θ由于

辐射通量密度F与辐亮度L关系：对面元的单面立体角(半球空间)进行积分，单面辐射通量密度：如果L

与θ、φ无关，在各向同性情况下：假设球面中心O，通过该点的直线与离该点r距离处的任意球面相交。极坐标中，微分面元：∴

微分立体角元：θ

:天顶角；φ

:方位角一、辐射体和辐射平衡黑体：指在任何温度、对任意方向和任意波长，吸收率/发射率都等于1的物体。a(λ)≡1灰体：指其吸收率与波长无关，且为小于1的常数的物体

a(λ)=C1选择性辐射体：指其吸收率(或发射率)随波长而变的物体。

aa(λ)

辐射平衡：物体在某一温度从外界得到的辐射能量正好等于本身热辐射失去的能量，物体温度保持不变的辐射过程。

第二节辐射基本定律发射率,比辐射率,ε(Emissivity）：指自然物体的出射度M与同一温度下“理想物体（黑体）”的出射度M的比值。

ε=M/Mε[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ε()。对于1~2波长间隔的发射率为

εn：辐射表面法线方向的发射率

ε：与辐射表面法线成角的小立体角内的发射率(定向发射率)

▲“理想物体（黑体）”的辐射通量密度（出射度）可用普朗克定律表示

h是普朗克常数=6.626210-27尔格/秒；k是波尔兹曼常数=1.380610-16尔格/度；c是光速。若用c1=2πc2h,c2=hc/k,上式可写为

（wcm-2m-1）二、辐射基本定律——普朗克定律分谱辐射通量密度▲普朗克辐亮度公式（wcm-2m-1sr-1）分谱辐亮度普朗克函数给出辐射强度随波长和温度的变化特征。

利用波长、频率和波数之间的关系，普朗克辐亮度也可表示为普朗克定律（wcm-2m-1sr-1）（wcm-2Hz-1sr-1）（wcm-2cmsr-1）记ελ是物体的比辐射率或发射率，

aλ是物体的吸收率。

在物体所处的热力平衡系统中，有

ελ=aλ意义:1、一物体在一定温度下发射某一波长的辐射，则该物体在同一温度下吸收这种波长的辐射。2、一个良好的吸收体，在同一温度下、相同波长处，也一定是一个良好的发射体；反之亦然。基尔霍夫定律令B（T）/=0得

(μm·K)

λmax

:光谱辐射峰值波长，表示B(T)=max时的波长。通过测量最大单色辐射强度来确定黑体的温度。2.注意λmax与T呈反比。维恩位移定律λmaxT=2897.885

010203040

波长（m）黑体辐亮度与波长的关系1086420

辐亮度(Wm-2m-1sr-1)300K250K200K

定义全谱辐亮度：常数b

=24k4/(15c2h3)黑体辐射是各向同性的，因此黑体发射的通量密度为

F=B(T)=T4式中=5.6710-8瓦米-2度-4（斯蒂芬-波尔兹曼常数）。即，黑体表面发射的通量密度与T4成正比。斯蒂芬-波尔兹曼定律=bT4由普朗克定律可看出：温度越高，黑体的全辐射能力越大；温度愈高，最大单色(或分谱)辐射能力所对应的波长愈小；太阳近似于6000K的黑体，最大辐射波长为0.474m，在0.15—4m的范围，辐射能占太阳全部辐射能量当99%；地球近似于300K的黑体，最大辐射波长为10m，在3—80m的范围，辐射能占地球全部辐射能量当99%；对流层顶近似于200K的黑体，最大辐射波长为14.5m，在4—120m的范围，辐射能占对流层顶全部辐射能量当99%。辐射公式间的关系普朗克辐射公式黑体辐射的经典理论遇到困难

维恩公式：1896年维恩假定辐射能量按波长的分布类似于麦克斯韦的分子速率分布，导出如下的公式：

只在波长较短、温度较低时才与实验结果相符，在长波区与实验曲线相差较大。

瑞利—金斯公式：瑞利于1900年，以及金斯在1905年在做出能量按自由度均分的假定后导出如下公式：

式中，k=1.380658×10－23JK－1

，为玻耳兹曼常数。

该公式在波长很长、温度较高时与实验结果相符。但在短波段偏离非常大。

普朗克的能量子概念

1900年德国物理学家普朗克给出了黑体辐射的正确表达式。用内插法将维恩公式与瑞利—金斯公式衔接起来普朗克的假设冲击了物理学的传统观念，从而开创了物理学的新领域——量子理论。普朗克假设：

黑体是由极多的带电谐振子组成；谐振子处于热平衡状态，每个振子具有一个固有的谐振频率ν，可以发出与吸收相同频率的电磁波；每个谐振子只能吸收或发射不连续的一份一份的能量，这个能量是一个最小能量ε的整数倍；最小能量即称为能量子。对于频率为ν的谐振子，相应能量子的能量为：式中：h=6.6260755×10－34J·s称为普朗克常数。

前面几条定律涉及黑体发射的辐射强度，辐射强度的大小与发射波长和物体的温度有关。通常，物体吸收和发射之间没有确定的关系。但在热力平衡条件下，物体可以吸收特定波长的辐射，同时也能发射同样波长的辐射，发射率是温度和波长的函数，即物体发射的辐射就等于吸收的辐射能。否则物体就要被加热或冷却，这就违背了热力平衡的假设。因而在热力平衡条件下，若L是入射的分谱辐射率，则发射的辐射率为：

J=ελBλ（T）=aλL式中J是物体发射的辐射率，ελ是物体的比辐射率或发射率（定义为发射强度与普朗克函数之比），Bλ（T）是黑体普朗克辐射，aλ是物体的吸收率（定义为吸收强度与普朗克函数之比），L是入射到物体的辐射率。如果辐射源与该物体一起处于热力平衡中，则

Bλ（T）=

L基尔霍夫定律理解

所以有

ελ=aλ

吸收率为aλ的物体只吸收aλ倍的黑体辐射强度B（T），同时它发射出ελ倍的黑体辐射强度。对黑体而言，吸收和发射均为最大，对所有波长有

aλ=ελ=1

灰体的特征是不能全部吸收和发射，有

aλ=ελ1

不难看出基尔霍夫定律表达了两方面的内容：

1、它将物体的吸收与发射联系起来了，一物体在一定温度下发射某一波长的辐射，则该一物体在同一温度下吸收这种波长的辐射。

2、将各种物体的辐射与黑体辐射联系起来了，一个良好的吸收体，也一定是一个良好的发射体，反之亦然。三.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，须考虑比辐射率的影响，为方便讨论，定义几种不同的温度。有效温度（Te）:温度为T的物体的出射度为M(T)

，设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由于物体的比辐射率小于1，所以

T

Te有效温度（Te），也称为等效黑体温度。

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Lλ（T）=Bλ（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）又称黑体温度或辐射温度。由于Bλ(T)Lλ(T)=Bλ(Tb)，所以TbT。可得亮度温度辐射率Lλ通过有吸收、无散射、厚度为dl的介质，辐射改变量-dLλ

dLλ=

-kλ

Lλ

dlkλ是分谱质量吸收系数(cm2g-1)，是给定介质热力状态的函数。

λ(l)

=kλ(l)

(l)是体积吸收系数(cm-1),是吸收气体密度(gcm-3)。对上式沿0—l积分得L0是辐射进入介质时的分谱辐射率。这就是比尔吸收定律。称为光学厚度，称做光学路径或光程。对于均匀介质,

kλ

、与l无关四.辐射传输——比尔吸收定律在仅考虑吸收的情况下，分谱透过辐射Lλ与分谱入射辐射LλO之比称为辐射通过介质0l（厚度为l-0

）的分谱辐射透过率分谱辐射吸收率为如果介质是均匀的，则分谱质量吸收系数为在实际中，如果和k随波长变化很快，则需要考虑使用有限波长间隔的平均透过率：透过率五.大气、地面对辐射的散射和反射

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