大气中的热红外辐射传输讲稿.ppt

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1、大气中的热红外辐射传输第一页，讲稿共二十九页哦热红外遥感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。第二页，讲稿共二十九页哦关于热辐射关于热辐射 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

2、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

3、表层内，处于非热平衡状态。第三页，讲稿共二十九页哦热红外遥感系统热红外遥感系统 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。第四页，讲稿共二十九页哦传感器卫星/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21ura

4、d陆地表面,水和云ATSR纵向扫描辐射仪ERS-1(欧空局)2(MWR)3.7,11.012.01km1km1km1km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/1km1km10km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

5、.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)第五页，讲稿共二十九页哦现在及将来地球观测

6、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

7、/2-6km10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地球大气观测第六页，讲稿共二十九页哦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

8、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6123.0-5.08.0-12.0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

9、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第七页，讲稿共二十九页哦地球表面热量平衡示意图地球表面热量平衡示意图土土壤壤热热通通量量经经过过大大气气（云云）散散射射地地球球反反射射太太阳阳辐辐射射地地球球放

10、放射射大大气气（云云）放放射射显显热热潜潜热热分分子子热热传传导导光合作用光合作用反反射射大大气气下下行行辐辐射射大大气气放放射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云云和和大大气气反反射射大气吸收大气吸收（云）（云）地表温度是地地表温度是地球表面与大气相互球表面与大气相互作用过程中的一个作用过程中的一个动态的热平衡参量，动态的热平衡参量，它综合了地表与大它综合了地表与大气之间能量交换的气之间能量交换的全部结果。全部结果。直直接接通通过过大大气气到到达达地地表表热外遥感应用热外遥感应用第八页，讲稿共二十九页哦 热红外遥感是一种重要的对地观测手段热红外遥

11、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、动宏观、动态态的优点，如农作物旱情遥感监测、全球环境变化的优点，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；和中长期天气预报研究；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的关键环节键环节 与海面温度相比，陆面温度由于地表的复杂性面与海面温度相比，陆面温度由于地表的复杂性面临更多的困难。临更多的困难。第九页，讲稿共二十九页哦遥感反演大气水汽、温度廓线第十页，讲稿共二十九页哦大气热红外辐射的性质大气热红外辐射的性质大气热红外辐

12、射的性质大气热红外辐射的性质 大大大大气气气气的的的的长长长长波波波波辐辐辐辐射射射射性性性性质质质质很很很很复复复复杂杂杂杂，不不不不仅仅仅仅与与与与吸吸吸吸收收收收物物物物质质质质(水水水水汽汽汽汽，CO2CO2与与与与O2)O2)分分分分布布布布有有有有关关关关，而而而而且且且且与与与与大大大大气气气气温温温温度度度度、压压压压力力力力有有有有关关关关。水水水水汽汽汽汽（HH2 2OO）在在在在6.36.3微微微微米米米米有有有有一一一一个个个个较较较较强强强强的的的的吸吸吸吸收收收收带带带带，二二二二氧氧氧氧化化化化碳碳碳碳(CO(CO2 2)分分分分别别别别在在在在4.34.3微微微

13、微米米米米和和和和1515微微微微米米米米有有有有较较较较强强强强的的的的吸吸吸吸收收收收带带带带，O3 O3 在在在在9.69.6微微微微米米米米处处处处一一一一个个个个窄窄窄窄的的的的吸吸吸吸收收收收带带带带，所所所所以以以以能能能能称称称称之之之之为为为为窗窗窗窗区区区区的的的的只只只只有有有有3.54.03.54.0微微微微米米米米，89.589.5微微微微米米米米和和和和10.512.510.512.5微微微微米米米米三三三三个波段。个波段。个波段。个波段。水水水水汽汽汽汽红红红红外外外外区区区区吸吸吸吸收收收收带带带带很很很很强强强强，又又又又占占占占有有有有较较较较宽宽宽宽的的的

14、的波波波波段段段段，是是是是最最最最主主主主要要要要的的的的吸吸吸吸收收收收物物物物质质质质，即即即即使使使使在在在在大大大大气气气气窗窗窗窗区区区区也也也也仍仍仍仍然然然然有有有有不不不不可可可可忽忽忽忽略略略略的的的的弱弱弱弱吸吸吸吸收收收收作作作作用用用用，如如如如果果果果对对对对海海海海面面面面温温温温度度度度的的的的测测测测量量量量精精精精度度度度要求在要求在要求在要求在0.50.5以内，则修正大气效应便成为以内，则修正大气效应便成为以内，则修正大气效应便成为以内，则修正大气效应便成为SSTSST的主要问题。的主要问题。的主要问题。的主要问题。大大大大气气气气在在在在1414微微微微

15、米米米米以以以以上上上上，可可可可以以以以看看看看成成成成是是是是近近近近于于于于黑黑黑黑体体体体。地地地地面面面面1414微微微微米米米米以以以以上上上上的的的的远远远远红红红红外外外外辐辐辐辐射射射射，不能透过大气传向空间。不能透过大气传向空间。不能透过大气传向空间。不能透过大气传向空间。第十一页，讲稿共二十九页哦除除除除非非非非有有有有云云云云或或或或尘尘尘尘埃埃埃埃等等等等大大大大颗颗颗颗粒粒粒粒质质质质点点点点较较较较多多多多时时时时，大大大大气气气气对对对对长长长长波波波波辐辐辐辐射射射射的的的的散散散散射射射射削削削削弱弱弱弱极极极极小小小小，可可可可以以以以忽忽忽忽略略略略不不

16、不不计计计计。即即即即使使使使有有有有云云云云时时时时，云云云云中中中中对对对对长长长长波波波波的的的的吸吸吸吸收收收收作作作作用用用用很很很很大大大大，较较较较薄薄薄薄的的的的云云云云层层层层已已已已可以视为黑体。可以视为黑体。可以视为黑体。可以视为黑体。大大大大气气气气不不不不仅仅仅仅是是是是削削削削弱弱弱弱热热热热红红红红外外外外辐辐辐辐射射射射的的的的介介介介质质质质，而而而而且且且且它它它它本本本本身身身身也也也也发发发发射射射射热热热热红红红红外外外外辐辐辐辐射射射射，有时甚至发射的辐射会超出吸收的部分。有时甚至发射的辐射会超出吸收的部分。有时甚至发射的辐射会超出吸收的部分。有时甚

17、至发射的辐射会超出吸收的部分。总总总总之之之之，热热热热红红红红外外外外辐辐辐辐射射射射在在在在大大大大气气气气中中中中的的的的传传传传输输输输，是是是是一一一一种种种种漫漫漫漫射射射射辐辐辐辐射射射射在在在在无无无无散散散散射射射射但但但但有有有有吸吸吸吸收又有发射的介质中的传输。收又有发射的介质中的传输。收又有发射的介质中的传输。收又有发射的介质中的传输。第十二页，讲稿共二十九页哦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：

18、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255 K第十三页，讲稿共二十九页哦根据第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。第十四页，讲稿共二十九页哦大气长波辐射传输的特点通常假定通常假定局地热平衡局地热平衡的无散射的无散射平面平行平面平行大气；大气；各种气

19、体成份在长波波段有很多吸收带；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，可以忽略长波波段分子散射截面很小，可以忽略l l空气分子空气分子RayleighRayleigh散射截面与波长四次方成反比，地气热辐射散射截面与波长四次方成反比，地气热辐射98%98%在在41204120微米范围微米范围沙尘、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考虑散射作用l l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、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

20、对长波辐射的散射和吸收需要考虑雨滴的尺度更大，其对长波辐射的散射和吸收需要考虑第十五页，讲稿共二十九页哦长波辐射传输中，介质气层的发射作用不能忽略，用长波辐射传输中，介质气层的发射作用不能忽略，用PlanckPlanck函数表示。函数表示。l l当气层温度超过入射光源的温度，气层发射的能量会超过它吸收的能量，当气层温度超过入射光源的温度，气层发射的能量会超过它吸收的能量，使向前传输的辐射增强；使向前传输的辐射增强；太阳辐射可近似为平行辐射，而地气系统长波辐射各处都是太阳辐射可近似为平行辐射，而地气系统长波辐射各处都是光源，即地面和大气辐射是漫射辐射，因此在平面平行大气光源，即地面和大气辐射是漫

21、射辐射，因此在平面平行大气中红外波段辐射传输与方位无关，只与天顶角有关中红外波段辐射传输与方位无关，只与天顶角有关大气垂直方向密度不均匀，向上和向下传输不同，常将传输方程大气垂直方向密度不均匀，向上和向下传输不同，常将传输方程表达成向上和向下两种形式表达成向上和向下两种形式大气长波辐射传输的特点第十六页，讲稿共二十九页哦大气顶没有长波向下辐射源（边界条件）；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：地面对长波辐射的吸收有两个特点：l l吸收率几乎不随波长变化；l l吸收率接近黑体海洋海洋0.960.96雪雪0.9950.995石灰石石灰石0.910.91砂土砂土0.

22、890.89麦地麦地0.930.93草地草地0.840.84黄土黄土0.850.85黑土黑土0.870.87大气长波辐射传输的特点第十七页，讲稿共二十九页哦无散射大气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。按波数域表达为第十八页，讲稿共二十九页哦向上和向下强度的解为无散射大气LW辐射传输方程第十九页，讲稿共二十九页哦热红外辐射的大气传输方程热红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

23、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。第二十页，讲稿共二十九页哦 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 对半球空间积分求得，即：对半球空间积分求得，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 第二十一页，讲稿共二十九页哦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

24、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。第二十二页，讲稿共二十九页哦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,辐射通量密度辐射通量密度为为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 ，的符号表示产生的符号表示产生向下辐射的光学质量，向下辐射的光学质量，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

25、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，的气层元，自自 方向，射入此气层的辐射方向，射入此气层的辐射 要经过要经过 光学质量的吸收。此微分层光学质量的吸收。此微分层对于对于 的吸收率为的吸收率为 ：第二十三页，讲稿共二十九页哦按照基尔霍夫定律，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 方向放射的辐射亮度为方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

26、方向的变化为 第二十四页，讲稿共二十九页哦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。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。第二十五页，讲稿共二十九页哦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。下面分别对于别对于LL及及LL给出边界条件。给出边界条件。(1)(1)在大气上界在大气上界 处，由于宇宙空间没有长波

27、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 ：第二十六页，讲稿共二十九页哦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理，不能简单作为黑体处理，我们必须考虑地表

28、反射的大气下行辐射项的影响，辐射传输方程更加复杂。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。第二十七页，讲稿共二十九页哦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。其中第二十八页，讲稿共二十九页哦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；表示温度表示温度为为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

29、率，表示整层大气的总透过率，表示表示地表的多向反射率分布函数；地表的多向反射率分布函数；表示传感器第通道的波长响应函数。表示传感器第通道的波长响应函数。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射的天顶角和方位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减后到达传感器的辐射，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辐射项经地表反射后通过大气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件下，若分别用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 和和 表示大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：气上行辐射和大气下行辐射，则方程可以写为以下的形式：其中其中第二十九页，讲稿共二十九页哦