大气中的热红外辐射传输.ppt

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1、现在学习的是第1页，共29页热红外遥感热红外遥感现在学习的是第2页，共29页 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

2、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。现在学习的是第3页，共29页 热红外遥感在海面温度、陆面温度、大气温度、大气水汽、云顶温度的遥测中具有无可替代的地位。热红外遥感传感器的发展十分迅速，现在使用和即将投入使用的热红外传感器达几十种之多。我们把主要的热红外传感器的有关信息列于下表。现在学习的是第4页，共29页传 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

3、(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)3.7,11.012.01km1km 1km1km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

4、 1km10km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)

5、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现在及将来地球观测计划红外传感器概览(星载部分星载部分)m现在学习的是第5页，共29页现在及将来地球观测计划红外传感器概览现在及将来地球观测计划红外传感器概览(星载部分星载部分)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1004848全球辐射收支SR扫描辐射仪FY-2中国30.55-12.05.73km/无 1

6、60urad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)30.5-12.52.52.5km55km/无180.14 地球大气观测现在学习的是第

7、6页，共29页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922.13.1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801.21.2陆地表面观测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6123.0-5.0

8、8.0-12.0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1.211地质云雪植被MAS MODIS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

9、仪美国1001.0-5.2始于1993年0.70.77陆地表面观测现在学习的是第7页，共29页地球表面热量平衡示意图地球表面热量平衡示意图土壤热通量土壤热通量经过大气（云）散射经过大气（云）散射地球反射太阳辐射地球反射太阳辐射地球放射地球放射大气（云）放射大气（云）放射显热显热潜热潜热分子热传导分子热传导光合作用光合作用反射大气下行辐射反射大气下行辐射大气放射大气放射射入太阳辐射射入太阳辐射行星反照率行星反照率红外热辐射红外热辐射1006931云和大气反射云和大气反射大气吸收（云大气吸收（云）地表温度是地球地表温度是地球表面与大气相互作用表面与大气相互作用过程中的一个动态的过程中的一个动态的热

10、平衡参量，它综合热平衡参量，它综合了地表与大气之间能了地表与大气之间能量交换的全部结果。量交换的全部结果。直接通过大气到达地表直接通过大气到达地表热外遥感应用热外遥感应用现在学习的是第8页，共29页 热红外遥感是一种重要的对地观测手段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地表温度与海面温度 热红外遥感在环境动态监测中具有热红外遥感在环境动态监测中具有宏观、动态宏观、动态的的优点，如农作物旱情遥感监测、全球环境变化和中优点，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；长期天气预报研究；热红外遥感信息机理研究是热红外遥感信息机理研究是遥感定量化遥感定量化的关键环节的关键环

11、节 与海面温度相比，陆面温度由于地表的复与海面温度相比，陆面温度由于地表的复杂性面临更多的困难。杂性面临更多的困难。现在学习的是第9页，共29页遥感反演大气水汽、温度廓线现在学习的是第10页，共29页现在学习的是第11页，共29页现在学习的是第12页，共29页rrr现在学习的是第13页，共29页现在学习的是第14页，共29页现在学习的是第15页，共29页现在学习的是第16页，共29页现在学习的是第17页，共29页(;,)(;,)(;,)d IIJd(,)(,)(,)dIIBd (,)(,)(,)dIIBd 现在学习的是第18页，共29页现在学习的是第19页，共29页热红外辐射的大气传输方程热红

12、外辐射的大气传输方程（1）地球与大气都是发射红外辐射的辐射源；）地球与大气都是发射红外辐射的辐射源；（2）通过大气中的任一平面射出的都是具有各个方向的漫射辐射；）通过大气中的任一平面射出的都是具有各个方向的漫射辐射；（3）只考虑吸收作用，忽略散射；）只考虑吸收作用，忽略散射；（4）必须把大气的发射和吸收同时考虑；）必须把大气的发射和吸收同时考虑；（5）假定大气是水平均一的。）假定大气是水平均一的。现在学习的是第20页，共29页 通过大气中某一水平面的长波辐射通量密度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应当由该面上的辐射亮度 对半对半球空间积分求得，即：球空间积分求得，

13、即：一般说，大气中一般说，大气中 是是 的函数，但是与的函数，但是与 无关，所以有无关，所以有 LdLdFsincos),(2/020LdLFsincos)(22/0F现在学习的是第21页，共29页u若只考虑经过气层的吸收削弱时，若只考虑经过气层的吸收削弱时，方向辐射亮度方向辐射亮度 的变化为：的变化为：上式中上式中 为气层中吸收物质的订正光学质量，为气层中吸收物质的订正光学质量，不随不随z而变而变。L,0dLLkdLkdz 1sec Lkdu0,secdzduk0,现在学习的是第22页，共29页在大气中任一高度处，向上和向下的辐射为在大气中任一高度处，向上和向下的辐射为L,L,辐射通量密度为

14、辐射通量密度为F，F。高度坐标定义地面为高度坐标定义地面为0，向上增加；对应的订正光学质量为，向上增加；对应的订正光学质量为u，减少，增加。自至大气上界的光学质量为减少，增加。自至大气上界的光学质量为 ，的符号表示产生向的符号表示产生向下辐射的光学质量，下辐射的光学质量，表示整层向上辐射的光学质量。表示整层向上辐射的光学质量。先考虑高度以上气层向下的辐射。对于光学质量为先考虑高度以上气层向下的辐射。对于光学质量为du的气层元，自的气层元，自 方方向，射入此气层的辐射向，射入此气层的辐射 要经过要经过 光学质量的吸收。此微分层对于光学质量的吸收。此微分层对于 的吸的吸收率为收率为 ：uzu0,L

15、dusec,LAAdLLkdu0,sec现在学习的是第23页，共29页按照基尔霍夫定律，按照基尔霍夫定律，也就是气层元在也就是气层元在 方向上的放射率。气层在方向上的放射率。气层在 方方向放射的辐射亮度为向放射的辐射亮度为 :式中式中 ，是绝对黑体辐射亮度，可由温度、波长按普朗克，是绝对黑体辐射亮度，可由温度、波长按普朗克定律定出。定律定出。向下辐射向下辐射 经过经过du气层，在气层，在 方向的变化为方向的变化为 AAB,TBdukBA,0,secBETT,1,LdL,TBdukLdukdL,0,0,secsec)(sec,0,TBLdukdL现在学习的是第24页，共29页上式是同时考虑气层的

16、吸收削弱和放射增强的长波辐射亮度传输方程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，对于向上辐射也有同样，对于向上辐射也有 或者写为或者写为 这种形式的传输方程又称为这种形式的传输方程又称为SchwarzchildSchwarzchild方程。方程。)(sec,TBLdukdL)(sec,0,TBLkdudL)(sec,0,TBLkdudL现在学习的是第25页，共29页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。下面分别对于对于LL及及LL给出边界条件。给出边界条件。(1)(1)在大气上界在大气

17、上界 处，由于宇宙空间没有长波辐射投入，故有：处，由于宇宙空间没有长波辐射投入，故有：时，时，。(2)(2)在地面上，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：，则有：时，时，。将上述边条件代入传输方程的解中，就可得出在高度上的将上述边条件代入传输方程的解中，就可得出在高度上的 及及 ：uuzuuzLuz,()0Fuz()00uuT00uuLuBT,()00（）)(,zLLz,()LzkBeduuzTkduu,sec()sec,0

18、000kBeduuzTku000,secsec,duuukTdukuTeBdueBkzLsec00,000,0,sec0,0,0sec)(sec,sec0,00,00,00secukTukuTedueBkB现在学习的是第26页，共29页对于大多数陆地地表而言，地表比辐射率小于对于大多数陆地地表而言，地表比辐射率小于1 1，不能简单作为黑体处，不能简单作为黑体处理，我们必须考虑地表反射的大气下行辐射项的影响，辐射传输方程更加复杂理，我们必须考虑地表反射的大气下行辐射项的影响，辐射传输方程更加复杂。现在学习的是第27页，共29页3.遥感传感器宽通道的热红外辐射传输方程遥感传感器宽通道的热红外辐射传

19、输方程 Chandrasekhar(1960)把传感器接收的热红外辐射表达为三项之和。考虑到传感器的波长响应函数，传感器接收到的信号可以用以下的表达式来表达。其中 ddtLfdpdpptTpBfdtTBfRsbiisiisincos),()(),()(),()()(),()(),()(),(dppptTBLps),()()(现在学习的是第28页，共29页 表示大气的下行辐射，表示大气的下行辐射，表示传感器接收的总辐射；表示传感器接收的总辐射；表示表示温度为温度为T T时的黑体辐射；时的黑体辐射；表示地表比辐射率，表示地表比辐射率，表示整层大气的总透过率表示整层大气的总透过率，表示地表的多向反射

20、率分布函数；表示地表的多向反射率分布函数；表示传感器第通道的波长响表示传感器第通道的波长响应函数。应函数。分别表示传感器的天顶角和方位角，分别表示传感器的天顶角和方位角，分别表示大气下行辐分别表示大气下行辐射的天顶角和方位角。方程中右边第一项表示地表热红外辐射经大气吸收衰射的天顶角和方位角。方程中右边第一项表示地表热红外辐射经大气吸收衰减后到达传感器的辐射，第二项表示大气上行辐射项；第三项表示大气下行减后到达传感器的辐射，第二项表示大气上行辐射项；第三项表示大气下行辐射项经地表反射后通过大气传输到传感器的辐射。在地表朗伯体假设的条辐射项经地表反射后通过大气传输到传感器的辐射。在地表朗伯体假设的条件下，若分别用件下，若分别用 和和 表示大气上行辐射和大气下行辐射，则方程可以表示大气上行辐射和大气下行辐射，则方程可以写为以下的形式：写为以下的形式：其中其中LsRiB T()tbfi(),LaLadLfdLfdtTBfRaiaisii),(1)()(),()()(),(LBTtppdpdap()(,)sincos)(1ddLLSa现在学习的是第29页，共29页