可见光近红外波段辐射传输方程优秀课件

第1页，共36页，2023年，2月20日，星期三大气效应及建模第2页，共36页，2023年，2月20日，星期三大气组成

第3页，共36页，2023年，2月20日，星期三大气组成大气垂直结构Troposphere(对流层)Stratosphere(平流层)Mesosphere(中间层)

Thermosphere(热层)大气廓线？第4页，共36页，2023年，2月20日，星期三大气组成对流层邻近地表的一层。厚度最薄，大气质量80%，水汽90%。低纬：16~18km;中纬：10~12km;高纬：7~9km.特点：温度随高度增加不断下降，平均6.5ºC/km，天气变化都发生在该层。垂直方向空气运动激烈。自地面至2m高的范围为贴地层,昼夜温度变化10ºC。从地面到1~2km的为行星边界层，富含气溶胶粒子，气溶胶密度随高度指数衰减。在行星边界层以上，主要为分子散射。第5页，共36页，2023年，2月20日，星期三大气组成平流层从对流层顶到50~55km。约20%大气质量，水汽少，臭氧(10~40km)丰富，吸收太阳紫外辐射，气体密度低，分子动能大。特点：20~32km,同温层。同温层之上，温度随高度增加而增加，到平流层顶温度停止增加。无垂直运动，稳定，导致气溶胶可以停留很长时间。第6页，共36页，2023年，2月20日，星期三大气组成热层从中间层顶到几百公里。特点：密度很低，温度约500~2000K。又称电离层，反射无线电波。没有固定的化学组成。中间层从平流层顶到80~85km。特点：温度递减化学组成非常均匀，压力很低。中间层顶的温度通常最低：-95ºC---遥感通常考虑的高度范围？第7页，共36页，2023年，2月20日，星期三大气组成AtmosphericConstituentsPermanentGases:基本比例固定，且没有空间变化。Nitrogen(N2):78.084%byvolumeOxygen(O2):20.948%Argon(Ar):0.934%Carbondioxide(CO2):0.033%浓度可变第8页，共36页，2023年，2月20日，星期三大气组成GaseswithVariableConcentration:随空间及时间变化明显。Watervapour(H2O)：0~4%随温度、气压有剧烈变化，有很强的时空变化特性。集中在对流层下半部，随高度增加而急剧递减。

饱和水汽压 混合比与比湿 水汽压 水汽密度（绝对湿度） 相对湿度 露点与霜点 虚温第9页，共36页，2023年，2月20日，星期三大气组成GaseswithVariableConcentration:Ozone(O3)：0~12*10-4吸收紫外，导致平流层增温，有明显的地区和季节性变化。垂直结构也比较复杂。Sulphurdioxide(SO2)Nitrogendioxide(NO2)Ammonia(NH3)Nitricoxide(NO)Hydrogensulphide(H2S)Nitricacidvapour(HNO3)Nitrousoxide(N2O)Carbonmonoxide(CO)第10页，共36页，2023年，2月20日，星期三大气组成Solidandliquidparticulates:气溶胶、水滴、冰晶，可能会聚集为云和霾。气溶胶：大气中大量悬浮的固体和液体粒子。典型的有霾(灰尘)、烟、雾气溶胶来源:1）自然：火山、沙暴、林火烟灰、各种酸性粒子。2）人类活动：工业、交通、建筑、农业等气溶胶大小:5*10-3~0.2mm,爱根核(Aitkennuclei)；

0.2~1mm,大粒子；

>1mm,巨粒子气溶胶分布:对流层内：浓度随高度指数衰减(由于降水，不能维持很久)平流层中：稳定PM10\PM2.5\TSP？第11页，共36页，2023年，2月20日，星期三Mainconstituentsoftheearth'satmosphere第12页，共36页，2023年，2月20日，星期三大气效应第13页，共36页，2023年，2月20日，星期三 大气中的主要组成物氮（N2）和氧（O2）对辐射的吸收主要位于紫外波段，由于大气上层臭氧的存在，而臭氧对小于0.3微米的电磁波具有极强的吸收能力，所以到达地面的太阳短波辐射中，已不存在小于0.3微米的短波辐射了，因此氧（O2），氮（N2）的吸收作用也就不重要了。

从可见光到红外到微波波段，起主要作用的是大气中的一些少量的多变的气体，它们是臭氧（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为中心的微波氧（O2）吸收带除外）。

大气吸收 第14页，共36页，2023年，2月20日，星期三

水汽（H2O）是大气中的重要吸收成分，水汽是一个不对称的陀螺分子形状。由于正、负离子的重心不重合，所以水分子是一个极性分子，具有很强的电偶极矩;

水汽的最强和最宽的振转吸收带为以6.3微米为中心的吸收带，其次还有两个分别以2.74微米和2.66微米为中心的吸收带，此处，在近红区还有很多的吸收带，1.4、0.94等。水汽的吸收0.00.20.40.60.81.00.20.40.60.81.01.21.41.61.82.02.22.42.62.83.03.23.43.63.84.0第15页，共36页，2023年，2月20日，星期三 它在红外区的吸收为15微米为中心，范围为13.5—16.5微米的强吸收带。 其二，为以4.3微米为中心的吸收带； 除此之外还有中心在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微米的弱吸收带都比窄，宽度约为0.1微米量级，所以一般可以不予考虑。

二氧化碳的吸收第16页，共36页，2023年，2月20日，星期三 臭氧对紫外光有强烈的吸收作用致使波长短于0.3微米的太阳辐射无法到达地面，在0.6微米附近有一个弱吸收带；

在红外区，以9.6微米为中心有一个较强的吸收带，其次在4.75微米有一个较显著的吸收带，在14微米附近的吸收带与CO2的强吸收带重迭。

臭氧吸收第17页，共36页，2023年，2月20日，星期三大气吸收 第18页，共36页，2023年，2月20日，星期三大气吸收 第19页，共36页，2023年，2月20日，星期三

经过大气层的太阳辐射大气吸收 第20页，共36页，2023年，2月20日，星期三大气效应散射第21页，共36页，2023年，2月20日，星期三大气效应尺度参数a<0.6,小分子散射(Rayleigh散射)400>a>0.6,大分子散射(Mie散射)a>400,折射和反射散射第22页，共36页，2023年，2月20日，星期三n=折射指数N=单位体积内的粒子个数瑞利散射第23页，共36页，2023年，2月20日，星期三米散射1908年，G.Mie对电磁波通过球开粒子的麦克斯韦方程组求解，得出球形粒子散射与吸收的表达式。（推导从略）第24页，共36页，2023年，2月20日，星期三大气效应实际的大气透过率受散射与吸收影响。第25页，共36页，2023年，2月20日，星期三大气效应建模第26页，共36页，2023年，2月20日，星期三因此，考虑散射源函数后，辐射传输方程可以展开为：回忆平面平行介质中的传输方程为：第27页，共36页，2023年，2月20日，星期三大气效应建模第28页，共36页，2023年，2月20日，星期三大气效应建模Absorbingground大气的等效反射：第29页，共36页，2023年，2月20日，星期三大气效应建模EiEt大气的透射：第30页，共36页，2023年，2月20日，星期三大气效应建模地表的反射：第31页，共36页，2023年，2月20日，星期三大气效应建模vErE0大气的透射：第32页，共36页，2023年，2月20日，星