大气中的热红外辐射传输课件

第五章大气中的热红外

辐射传输热红外遥感

所有的物质，只要其温度超过绝对零度，就会不断发射红外能量。常温的地表物体发射的红外能量主要在大于3微米的中远红外区，是热辐射。热红外辐射不仅与物质的表面状态有关，而且是物质内部组成和温度的函数。在大气传输过程中，它能通过3-5微米和8-14微米两个窗口。

热红外遥感就是利用星载或机载传感器收集，记录地物的这种热红外信息，并利用这种热红外信息来识别地物和反演地表参数和温度、湿度和热惯量等。关于热辐射空间所有的物体都通过辐射方式交换着能量，如果没有其它方式的能量交换，则一物体热状态的变化就决定于放射与吸收辐射能量的差值。当物体的辐射能量等于吸收的外来辐射能量，这时该物体处于热平衡状态，因而我们可以用一函数温度来描写它。热力学定律可以用于研究平衡辐射的吸收与放射的规律。一般来说，物体的辐射能量收支并不相等，物体处于非辐射平衡状态。但是如果辐射热交换过程相当的慢，以致物体中的内能的分布来得及变化均匀，并继续处于热平衡状态，那这时的辐射可视为具有准平衡性质。此时，物体的温度是在变化的，但每一给定的瞬时，物体的状态都可以看作是平衡的，仍可用一定的温度来描述它。地球大气中的辐射过程，一般认为在地面以上至60km的大气仍可视为处于局地辐射平衡状态。地表与大气耦合面能量交换过程复杂，一般在几个微米的表层内，处于非热平衡状态。传

感

器卫星/计划波段数光谱范围()空间分辨率(水平/垂直)视

场(度)瞬时视角mrad用

途AIRS大气红外探测仪EOS(美国)2300;63.74-15.413.5km-1km49.51.1大气温度湿度ASTER高级空间热辐射热反射探测器EOS(美国)148-1290m/无

21urad陆地表面,水和云ATSR纵向扫描辐射仪ERS-1(欧空局)2(MWR)3.7,11.012.01km×1km

1km×1km云,海面温度AVHRR甚高分辨率辐射仪NOAA-11(美国)50.58-12.41.1km星下点/无

1.4海面温度植被,气溶胶CERES云和地球辐射能系统EOS(美国)30.3-12.021km星下点/无7824地球辐射平衡HiRDLA高分辨率临界动态分辨仪EOS(美国)216.0-18.010km/1km

1km×10km大气温度水分及化学GLI全球成像仪ADEOSII(日本)34可见光,近红外,热红外1km

碳循环HIRS/21高分辨率红外辐射探测仪NOAA-11(美国)200.69-14.9520.4m/无

大气温度湿度ILAS改进型临边大气光谱仪ADEOS(日本)30.753-11.7713km/2km

大气IR-MSS红外多光谱扫描仪CBERS(中国/巴西)40.5-12.578m,156m/无8.78

中等分辨率制图ISTOK-1红外光谱辐射仪系统PRIRODA-1(俄罗斯)640.4-16.00.75-3km/无

大气辐射LISS-3线形成像自扫描传感器3型IRS-1C/1D(印度)40.52-17.523.5m/无

陆地和水资源管理现在及将来地球观测计划红外传感器概览(星载部分)

现在及将来地球观测计划红外传感器概览(星载部分)

MODIS中等高分辨率成像光谱辐射仪EOS（美国）360.4-14.5250m,500m,1km/无

250,5001000m地球物理过程大气海洋陆地SCARAB辐射收支扫描仪POEM/ENVISAT-1(欧)40.2-50.060km/无10048×48全球辐射收支SR扫描辐射仪FY-2中国30.55-12.05.73km/无

160urad气象SROM海洋监测光谱辐射仪ALMAZ-IB(中/俄)110.405-12.5600m星下点/无

海洋叶绿素生物生产率TMG温室气体干涉监测仪ADEOS(日本)

0.33-14.010km/2-6km

10温室气体制图VIRS可见光红外光扫描仪TRMM(美国,日本)53.75,10.812.02km/无

云辐射VISSR可见光红外光旋转式辐射扫描仪GMS(日本)20.5-0.7510.5-12.51.25-2.5km/无

地球制图云覆盖VISSR可见光红外光自旋辐射扫描仪METEOSAT(欧空局)30.5-12.52.5×2.5km5×5km/无180.14

地球大气观测主要的航空成像红外光谱仪传

感

器国

别波段数波段范围()工作期间视

场(度)瞬时视场mrad用

途AMSS航空多光谱扫描仪澳大利亚68.5-12.0始于1985年922.1×3.1环境监测ASTER模拟仪器美国208-12始于1991年65或1042或5.0云,陆地测量CIS中国成像光谱仪中国123.53-3.9410.5-12.5始于1993年801.2×1.2陆地表面观测DAIS-7915数值式航空成像光谱仪

美国163.0-5.08.7-12.7始于1993年64-783.3,2.5或5.0陆地海洋生态环境监测DAIS-16115数值式航空成像光谱仪

美国6123.0-5.08.0-12.0始于1994年783陆地海洋生态环境监测GER-63通道扫描仪美国68.0-12.5始于1986年903.3,2.5或5.0环境监测地质研究ISM红外成像光谱仪法国641.6-3.2始于1991年40可选1.2×11地质云雪植被MASMODIS航空模拟仪器美国500.547-14.521始于1992年85.922.5地球物理大气海洋陆地表面MIVI多光谱红外及可见光光谱仪美国108.2-12.7始于1993年702.0地质和环境研究MUSIS多光谱红外照相机美国90902.5-7.06.0-14.5始于1989年1.30.5化学蒸发光谱特征SMIFTS空间可调成像傅立叶变换光谱仪美国1001.0-5.2始于1993年0.70.77陆地表面观测·热红外遥感是一种重要的对地观测手段

地表温度与海面温度·热红外遥感在环境动态监测中具有宏观、动态的优点，如农作物旱情遥感监测、全球环境变化和中长期天气预报研究；·热红外遥感信息机理研究是遥感定量化的关键环节·与海面温度相比，陆面温度由于地表的复杂性面临更多的困难。 遥感反演大气水汽、温度廓线大气热红外辐射的性质大气的长波辐射性质很复杂，不仅与吸收物质(水汽，CO2与O2)分布有关，而且与大气温度、压力有关。水汽（H2O）在6.3微米有一个较强的吸收带，二氧化碳(CO2)分别在4.3微米和15微米有较强的吸收带，O3在9.6微米处一个窄的吸收带，所以能称之为窗区的只有3.5—4.0微米，8—9.5微米和10.5—12.5微米三个波段。

水汽红外区吸收带很强，又占有较宽的波段，是最主要的吸收物质，即使在大气窗区也仍然有不可忽略的弱吸收作用，如果对海面温度的测量精度要求在±0.5℃以内，则修正大气效应便成为SST的主要问题。大气在14微米以上，可以看成是近于黑体。地面14微米以上的远红外辐射，不能透过大气传向空间。热红外光谱和温室效应地气系统维持辐射平衡状态，吸收太阳辐射的同时，也向太空发射辐射，地气系统发射的辐射称为热红外辐射。由能量守恒原理，令表示地气系统的全球反照率，则由斯蒂芬-玻尔兹曼发射定律，我们得到平衡方程：S·ae2(1)=Te4·4ae2

ae是地球半径；S是太阳常数，代表在大气顶获得的能量；Te代表地气系统的平衡温度。

于是有：Te

=[S(1)/4

]1/4约为255K根据第1章的普朗克定律和维恩位移定律可知，由地球和大气发射的辐亮度小于太阳辐射的强度，而地球辐射场的峰值强度的波长大于太阳辐射峰值强度的波长。地气系统发射的能量也称为热红外辐射或地球辐射。大气中各种气体能够捕获热红外辐射是大气的特性，所以称为大气效应，也称为温室效应。大气长波辐射传输的特点通常假定局地热平衡的无散射平面平行大气；各种气体成份在长波波段有很多吸收带；长波波段分子散射截面很小，可以忽略空气分子Rayleigh散射截面与波长四次方成反比，地气热辐射98%在4~120微米范围沙尘、云降水粒子在长波区散射明显小于吸收作用，近似时可不考虑散射作用一般气溶胶对长波辐射传输影响小；沙尘粒子尺度和数密度较大，云滴、雨滴的尺度更大，其对长波辐射的散射和吸收需要考虑大气顶没有长波向下辐射源（边界条件）；地面对长波辐射的吸收有两个特点：吸收率几乎不随波长变化；吸收率接近黑体海洋0.96雪0.995石灰石0.91砂土 0.89麦地0.93草地0.84黄土0.85黑土0.87大气长波辐射传输的特点无散射大气LW辐射传输方程辐射传输的普遍方程考虑局域问题时，大气处于热力学平衡状态，同时是平面平行结构。按波数域表达为向上和向下强度的解为无散射大气LW辐射传输方程通过大气中某一水平面的长波辐射通量密度应当由该面上的辐射亮度对半球空间积分求得，即：

一般说，大气中是的函数，但是与无关，所以有

若只考虑经过气层的吸收削弱时，方向辐射亮度的变化为：

上式中为气层中吸收物质的订正光学质量，不随z而变。

在大气中任一高度ｚ处，向上和向下的辐射为L↑,L↓,辐射通量密度为F↑，F↓。 高度坐标定义地面为0，ｚ向上增加；对应的订正光学质量为u，ｚ减少，ｕ增加。自ｚ至大气上界的光学质量为，↓的符号表示产生向下辐射的光学质量，表示整层向上辐射的光学质量。 先考虑ｚ高度以上气层向下的辐射。对于光学质量为du的气层元，自方向，射入此气层的辐射要经过光学质量的吸收。此微分层对于的吸收率为：上式是同时考虑气层的吸收削弱和放射增强的长波辐射亮度传输方程。同样，对于向上辐射也有

或者写为

这种形式的传输方程又称为Schwarzchild方程。这个传输方程是一个一阶线性微分方程。给出边条件就可得解。下面分别对于L↑及L↓给出边界条件。(1)在大气上界处，由于宇宙空间没有长波辐射投入，故有：时，，。(2)在地面上，地表热红外辐射可以根据地表发射率和地表温度根据普朗克定律计算得到。如果把地表近似为黑体，温度为，则有：时，。将上述边条件代入传输方程的解中，就可得出在ｚ高度上的及：

表示大气的下行