大气辐射传输理论

第三章 太阳辐射在大气中的吸收和散射第一节地球大气的成分和构造为了描述地球大气与太阳辐射的相互作用，我们首先来了解一下大气的构造和成分。热力构造为了确定与太阳光吸取和散射有关的大气区域，我们首先给出标准大气的垂直温度廓线：大气的分层命名通常由它的热力状态导出对流层－对流层顶的高度随纬度和季节变化(低纬17~18km，中11~12km，高8~9km)；集中了整个3/4和全部的水汽；天气现象都发生在这一层。平流层－50kmT30km以上随Z270～290K。这主要是由于O3吸取紫外辐射所致；水汽很少，能见度很高。中层－高达80~85km；T随Z上升而递减得很快；有猛烈的湍流混合和光化学反响。热层－高达500~600kmT随Z上升而快速增加，可达1000~2023K，所以称热层；由于波长小于0.175微米的太阳紫外辐射，被热层气体吸取所致。温度是分子运动速度的一个度量；温度一日间有显著变化；热层处于高度电离状态。外层－热层顶以上是外层，这一层可能始终延长到约1600km的高空，并且逐步融合到行星空间去。由于地球引力场的束缚力很小，一些高速运动的空气质粒不断向星际空间逃逸，又称外逸层。电离层－从距离约60km开头向上延长。在远距离无线电通讯中起着重要作用。与太阳活动亲热相关。磁层－500km以上的高空。受太阳风的作用，看起来像彗星状。行星边界层：大气层的最低1km左右的层次明显与对流层的其他高度不同，它与地表发生猛烈而重要的相互作用，这一层称为行星边界层。化学成分恒定成分恒定成分变化成分成分Nitrogen(N)Oxygen(O2Argon(Ar)2Carbondioxide(CO)Neon(Ne)Helium(He)Krypton(Kr)Xenon(Xe)Hydrogen(H)2Methane(CH2)Nitrousoxide4(NO)bCarbon mon2(CO)b体积比〔％〕78.08420.9480.9340.03618.18×1045.24×1041.14×1040.089×1040.5×1041.7×1040.3×1040.08×104成分Watervapor(H2O)Ozone(O3)Nitrogendioxide(NO2)bAmmonia(NH3)bNitricoxide(NO)bHydrogensulfide(H2S)b(HNO3)Chlorofluorocarbons(CFCI3,CF2C12CH3CCI3,CC14,etc.)体积比〔％〕0～0.040～12×1040.001×1040.001×1040.004×1040.0005×1040.00005×104微量Trace体积比P、温度T状态下干空气占有容积Va，其中某气体成分的分压力为p当温度T保持不PV，则定义该气体成分的体积比为q=V/Va其数值以百分数〔％〕或百万分数〔ppm〕表示，当含量格外少时，又可以用千兆分数〔ppb〕表示。CO2 ，CH4 CO2 虽然被列为恒定成分，但由于矿物燃烧、海洋的吸取和放射及光合作用，始终以大约0.4％的速度增加。CO2能够猛烈地吸取和放射红外辐射，对气温有确定的影响。大气中CH4 的含量也以每年1％～2％的速率在增加，现在达1.7ppmvCO,N2O 的含量也在变化可变气体成分：H2O水汽是地球大气中主要的辐射和动力要素，它的含量随时空变化很大。对流层H2O的空间分布取决于局地水文循环和大尺度输送过程。最大值消灭在南、北半球亚热带700hpa高度以下的气层中。它是在大气温度变化范围内唯一可以发生相变的成分。由于水的三态都擅长吸取和放射红外辐射，因而对地面和空气的温度变化也有确定的影响。水汽的吸取系数0.746.10.981482.2 330.750.10.9912.52.3 590.760.00110.252.4 20300.770.0011.050.0012.5 310000.780.061.13202.6 15000000.791.751.1523002.7 22023000.83.61.21.62.8 8000000.81331.250.0182.9 650000.821351.32903 240000.83661.35202303.1 230000.8415.51.41100003.2 100000.850.31.45150003.3 120230.860.0011.515003.4 19500.870.0011.550.173.5 3600.880.261.60.0013.6 3100.896.31.6513.7 2500.92101.7513.8 1400.911601.754003.9 170.921251.8130004 0.45可变气体成分：O3O31840年瑞士科学家首先觉察臭氧。浓度主要消灭在约15～30km的高度，这个区域称为臭氧层〔。近地面空气中臭氧的含量极少，在20～25km处达极大值，具体取决于纬度和季节，再往上又50km四周臭氧含量趋于零。假设把它集中起来，在标准状态下，平均厚度约3mm。它的形成主要是由于太阳紫外辐射的作用。((m)k,o(m-1)(m)k,o(m-1)(m)k,o(m-1)0.2938000.4851.70.595120.29520230.492.10.612.50.310000.4952.50.605130.3054800.530.61120.312700.5053.50.6210.50.3151350.5140.6390.32800.5154.50.647.90.325380.524.80.656.70.33160.5255.70.665.70.3357.50.536.30.674.80.3440.53570.683.60.3451.90.547.50.692.80.350.70.54580.72.30.35500.558.50.711.80.4450.30.5559.50.721.40.450.30.5610.30.731.10.4550.40.565110.7410.460.60.57120.750.90.4650.80.57512.20.760.70.470.90.58120.770.40.4751.20.58511.80.780气溶胶0.481.40.5911.50.790气溶胶：气溶胶由固体或液体小质点分散并悬浮在气体介质中形成的胶体分散体系。目前常将气溶胶分成三大类：①雾，指液体粒子的分散性气溶胶和分散性气溶胶；②尘，指固态粒子的分散性气溶胶；③烟，指固态粒子的分散性气溶胶。– 大气电现象，大气辐射和光学，大气化学过程，以及云降水的形成，都跟气溶胶有关。最大浓度消灭在城市和沙漠，在对流层，浓度随高度增加而快速减小。平流层某些高度上，观测到有气溶胶薄层长期存在。大气中水汽含量的变化最大，气溶胶浓度的变化次之，二氧化碳的变化比较小。参看《气溶胶教程》章澄昌，气象出版社，1993。标准大气其次节大气吸取吸取截面，吸取系数太阳辐射—短波辐射：0.15~4.0mm(UV,VIS,IR)地气辐射—4.0~120mm(IR)短波辐射在大气中的传输短波辐射指波长在0.2mm 到4.0mm的辐射，其主要的源是太阳，因此也称为太阳辐射，包括UV，VIS和IR辐射。在这一波长范围，大气自身的热辐射相对较弱，常常可以不加考虑，仅在近红外波段，才需要赐予考虑。但本波段所涉及电磁波的波长与大气气溶胶的尺度相近，因此气溶胶的散射和吸取需要进展认真的计算。紫外吸取带对太阳辐射的吸取起主要作用的有O2、O3、N2、CO2、H2O以及原子O和N大局部紫外辐射在高层大气中被集中于平流层的O3分子吸取1〕Hartley带：最强的吸取带，位于0.22-0.30mm，吸取中心在0.255mm。– 2〕Huggins0.30-0.34mm。– 3〕Chappuis0.44-0.74mmSOLARSPECTRUM10001750O2舒曼容格连续吸取带。热层1216Å莱曼线中间层17502023O2舒曼容格带中间层20232420O2赫茨堡连续吸取带平流层波长(Å)吸取物质主要层次242031003100波长(Å)吸取物质主要层次2420310031004000O3哈特莱带O3哈特莱带;O(lD)O3哈金斯带;O(3P)40008500O3查普斯带平流层平流层平流层,对流层对流层

k(z)dl大气质量

m()

(0)

k(z)dz在上面公式计算中都要用到大气质量这个参数。按定义，大气质量是倾斜路径的光学厚度与垂直路径光学厚度之比在均质平面平行大气中，简洁地有dl=secqdz，且secq为常数，可移至积分号以外，因此大气质量即为secqkl(z)m的计算就要简洁得多。〔与地面大气密度，均质大气高度。地球半径，折射率随z的变化，天顶角有关〕从图中可以看到，对同样厚度的一层大气，由于它离地面的高度不同，dl 与dz的比值是不一样的。现在再考虑公式中的积分值。由于kl(z) 随高度有不同的分布，当kl值在低层较大，而那里的dl 值也较大，这样分子上的积分值就会较大，反之，假设kl的大值消灭在高层，那里dl 的值相对较小，其结果是分子上的积分值相对较小。因此对二种具有不同垂直分布特征的吸取气体，即使对垂直路径而言，吸取的光学厚度是一样的，但对吸取气体主要分布在高空的气体其大气质量会小于主要集中在低层的吸取气体。实际大气中臭氧和水汽分布就具有上述特征，因此它们的大气质量要分别计算。而对其它均匀混合的气体，其大气质量的计算可用同一个表达式，这是依据标准大气的模型推算出来的。对臭氧和水汽吸取，依据这些气体在大气中分布的平均状况，可以分别得到计算各自大气质量的阅历公式。对臭氧 1z/rm 3 eo [cos22(z/r3 e

对水汽 m [cos0.0548(92.650)1.452]1w上面二式中q为太阳天顶角，z3 为臭氧分布的峰值高度，一般为22km，re=6371km，为地球半径。太阳直接辐射光谱可见光区和近红外区的吸取H2O的吸取是最重要的，其次就是CO2和O3，以及CH4、N2O、CFCs等大气痕量气体。H2O主要集中在大气下层，吸取作用主要在对流层，特别是对流层下层。近红外区的最重要吸取成分是水汽。主要的吸取带位于：0.94mm1.1mm，1.38mm和1.87mm。另外在中、远红外分别有2.7mm和6.3mm的强吸取带。水汽的吸取系数图中影区代表大气中各种微量气体对太阳辐射通量的吸取。0.762mm的O2吸取带特别知名。O3在9.6mm处也较强吸取带。CO2的混合比在大气中几乎是均匀的，所以，在水汽含量极少的平流层中，CO2的吸取最主要。在红外区CO215mm和4.3mm处。除了上述重要的吸取气体成格外，尚有一些微量气体在红外区也有假设干吸取带。由于他们含量微少，吸取作用不格外显著。参看《大气辐射学》，刘长盛刘文保编著，南大出版，1990。第73页的fig.2.5红外吸取带微波吸取大气对微波辐射吸取的主要气体成分是O2分子和H2O分——分子转动能级跃迁产生，谱带构造比分子红外振转带简洁得多。微波吸取线型函数一般取修正的Lorentz型。大气微波辐射量很少，因此在能量传输中并不重要，但在遥感应用方面却格外重要，微波辐射在云中传输时衰减小，可穿透云，优于红外遥感。虽然微波辐射能量微弱，但利用电子技术检测微波辐射却简洁做到。O：5mm(60GHz)2HO：1.24(183.31GHz和13.5mm(22.24GHz)窗区吸取大气窗区：从大气吸取光谱可以看到，在较强吸取带之间，有着一些吸取很弱的谱区域，称为大气窗区。即大气透过率高的光谱区。对于遥感和大气能量收支争论而言，窗区和带区同等重要。窗区的吸取主要有两局部：1〕由于远处强吸取带区内吸取线的线翼连续吸取作用；2〕由于窗区内弱吸取线作用。吸取弱测量困难大气窗口大气窗口：电磁波在大气中传输过程中吸取和散射很小，透射率很高的波段遥感常用的大气窗口有：0.3-遥感常用的大气窗口有：0.3-1.3μm1.5-1.8μm2.0-2.6μm3.5-5.5μm8-14μm0.8-25cm窗区吸取窗区吸取主要的大气窗口光谱段有：0.3-1.3μm，即紫外、可见光、近红外波段。这一波段是摄影成像的最正确波段，也是很多卫星传感器扫描成像的常用波段。比方，LandsatTM1-4SPOT卫星的HRV波段等。1.5-1.8μm2.0-3.5μm，即近、短波、中红外波段，在白天日照条件好的时候扫描成像常用TM57波段等用以探测植物含水量以及云、雪或用于地质制图等。3.5-5.5μm，即中红外波段，物体的热辐射较强。这一区间除了地面物体反射光谱反射太阳辐射外，地面物体也有自身的放射能量。如NOAA卫星的AVHRR传感器用3.55-3.93μm探测海面温度，获得昼夜云图。8-14μm，即远红外波段。主要来自物体热辐射的能量，适于夜间成像，测量探测目标的地物温度。 0.8-2.5cm,即微波波段，由于微波穿云透雾的力气，这一区间可以全天候工作。而且工作方式为主动遥感。其常用的波段为0.8cm3cm5cm，10cm,有时也可将该窗口扩展为0.05cm至300cm波段。大气透过率的计算方法 T eku逐线积分 F0求和必需要普及全部有影响的吸取线，在低层大气，由于压力较大，线翼伸展较远，故必需考虑波数两侧数十个波数范围内吸取线的影响。关于谱线的位置、强度和半宽度的数据可以从汇编资料中查得，谱线线型函数则须视所处压力范围而分别LorentzVoigtDoppler型。此方法的特点是：计算精度较高，但格外繁琐。大气透过率的计算方法带模式一、单谱线模式假设在波段间隔ΔΔ相比甚小，假定在Δ变化，在Δ外谱线吸取微弱。低层大气——Lorentz型；高层大气——Doppler型； 求出吸取率A的表达式中层大气——Voigt型:当吸取弱时，积分吸取率Au成正比当吸取强或吸取气体含量大时，吸取率与u的平方根成正比等效宽度〔equivalentwidth〕Equiv.widthofLorentzprofileCaseofweaklineabsorption二、谱带模式1—Elsasser周期模式2、随机模式—Goody统计模式谱带模式假设不需要了解高区分的大气透过率，只需要了解一个小的光谱间隔内的平均透过率，通常承受一些简化的模式，这种简化模式表示某一小波段内的平均透过率与光谱参数的关系，由于便利常被承受。思想：设想在吸取带中吸取谱线的位置和强度按确定规律分布，且可以用数学函数表示出来，公式中的光谱参数可由试验确定。Elsasser周期模式(1938)离特定谱线中心、波数位移ν处的吸取系数: k

无穷级数之和，收敛为周期双曲函数 ikk2/,2/coshcosSsinh

2吸取带全部吸取谱线完全周期性地重复消灭只需要计算一个周期〔-δ /2,+ δT1T1 /2ek( )ud1ek()ud /2TsinheycoshJ(iy)dyy0ysinhSu

/2〕内的平均透过率和平J0(iy)Bessel函数，亦称Elsasser透射函数弱线近似TeycosheSuy<<1,β较大TeycosheSueSu1SuAeSu1SuA1TSu 强线近似J(iy)0yey2yy>>1,β小:sinhβJ(iy)0yey2y吸取率可用误差函数表示AAerfSuAA2Su弱线近似与强线近似，分别与线性吸取律和平方根吸取律全都。Goody统计模式(1952)当吸取谱线分布不均匀，且谱线强度变化很大时，即谱线有明显的随即分布特征。做一下假设：假设:Δν内有足够多的吸取线〔n条，平均距离δ ，其中心位置任意〔随机量，即Δν内吸取线中心置在任何波数都有同样的概率SS到S+dSp(s)弱线近似〔Šu/πα<<1〕T expSuT expSuT exp11967年，Malkmus提出Goody1952年的统计模式对弱线的数目估量偏低，他将线强分布函数做了调整，被称为Malk