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1、教教学学目目的的：本本章章着着重重让让学学生生理理解解红红外外辐辐射射在在大大气气中中传传输输时时发发生生衰衰减减的的物物理理起起因因，了了解解红红外外辐辐射射在在大大气气中中的的传输特性以及用何软件来计算大气透射率。传输特性以及用何软件来计算大气透射率。教学方法：面授教学方法：面授教学手段：板书教学手段：板书+多媒体多媒体学时分配：学时分配：重点难点：吸收衰减、散射衰减、大气透射率的计算重点难点：吸收衰减、散射衰减、大气透射率的计算作业布置：作业布置：辅导安排：有问题找老师或网上答疑辅导安排：有问题找老师或网上答疑第1页/共87页 主要有三方面的研究人员对大气影响比较关注：主要有三方面的研究
2、人员对大气影响比较关注：分分子子光光谱谱研研究究工工作作者者，他他们们试试图图通通过过大大气气中中出出现现的的分分子子吸吸收收光谱来研究分子结构与分子吸收和散射的机理；光谱来研究分子结构与分子吸收和散射的机理；大大气气物物理理工工作作者者，他他们们希希望望把把红红外外辐辐射射通通过过大大气气的的分分子子吸吸收收光光谱谱作作为为一一种种工工具具，借借此此研研究究大大气气中中的的许许多多物物理理参参量量，如如辐辐射热平衡、大气的热结构、大气的组成成分等等；射热平衡、大气的热结构、大气的组成成分等等；红红外外系系统统与与天天文文工工作作者者，他他们们关关心心的的是是被被测测目目标标所所发发出出的的红
3、红外外辐辐射射在在大大气气中中发发生生的的变变化化，借借助助大大气气红红外外透透过过特特性性来来考考虑虑目标探测问题或考察星体的物理性质等。目标探测问题或考察星体的物理性质等。第2页/共87页红外辐射在大气中传输时，主要有以下几种衰减因素：红外辐射在大气中传输时，主要有以下几种衰减因素：在在0.20.32m的的紫紫外外光光谱谱范范围围内内，光光吸吸收收与与臭臭氧氧的的合合成和分解作用有联系。成和分解作用有联系。在在紫紫外外和和可可见见光光谱谱区区域域中中，由由氮氮分分子子和和氧氧分分子子所所引引起起的瑞利的瑞利(Rayleigh)散射是必须要考虑的。散射是必须要考虑的。粒子散射或米粒子散射或米
4、(Mie)氏散射。氏散射。大气中某些元素原子的共振吸收大气中某些元素原子的共振吸收。分子的带吸收是红外辐射衰减的重要原因。分子的带吸收是红外辐射衰减的重要原因。第3页/共87页1-15微微米米红红外外辐辐射射光光谱谱第4页/共87页 在在红红外外辐辐射射所所通通过过的的路路程程上上，每每一一处处都都有有它它特特有有的的气气象象因因素素，包包括括气气压压、温温度度、湿湿度度以以及及每每一一种种吸吸收收体体的的浓浓度度等等，每每一一种种因因素素均均会会对对辐辐射射的的大大气气衰衰减减有有着着直直接接的的影影响响。不不仅仅要要注注意意到到辐辐射射衰衰减减与与气气象象因因素素有有关关系系，而而且且还还
5、要要注注意意到到气气象象因因素素的的变变化化所所带带来来的的影影响响。尤尤其其是是在在低低层层大大气气中中，水水蒸蒸气气和和其其他他的的一一些些气气体体，甚甚至至灰灰尘尘，都都在在不不断断地地变变化化着着。因因此此，红红外外辐辐射射在在大大气气中中的的传传输输状状态态也也就就随随着着天天气气情情况况和和海海拔拔高高度度而而变变化化。可可见见，定定量量地地描描述述红红外外辐辐射射在在地地球球大大气气中的透过情况，是一件相当困难的事情。中的透过情况，是一件相当困难的事情。第5页/共87页5.1 地球大气的基本组成和气象条件第6页/共87页1.大气的基本组成大气的基本组成气体气体分子量分子量容积百分
6、比容积百分比/%2-15m间的吸收间的吸收氮（氮（N2）28.013478.084无无氧氧(O2)31.99820.9476无无氩氩(Ar)39.9480.934无无二氧化碳二氧化碳(CO2)44.009 950.0322有有氖氖(Ne)20.1830.001 818无无氦氦(He)4.00260.000 524无无氪氪(Kr)83.800.000 114无无氢氢(H2)2.015 940.000 05无无氙氙(Xe)131.300.000 008 7无无甲烷甲烷(CH4)16.0430.000 16有有一氧化二氮一氧化二氮(N2O)440.000 028有有一氧化碳一氧化碳(CO)280.0
7、00 007 5有有第7页/共87页大大气气中中还还含含有有悬悬浮浮的的尘尘埃埃、液液滴滴、冰冰晶晶等等固固体体或或液液体体微微粒粒，这这些些微微粒粒通通称称为为气气溶溶胶胶。它它们们的的线线度度在在510-8510-2cm之之间间，有有时时每每立立方方厘厘米米可可达达几几十十万万个个，它它们们对对红红外外辐辐射有强烈的衰减作用。射有强烈的衰减作用。在在靠靠近近城城市市和和工工业业区区，大大气气常常被被氨氨、硫硫化化氢氢、二二氧氧化化硫硫、一一氧氧化化碳碳和和体体弱弱一一些些其其他他污污染染，当当这这些些气气体体含含量量增增高高时时，也可以探测到它们对红外辐射的吸收。也可以探测到它们对红外辐射
8、的吸收。第8页/共87页2.大气的气象条件大气的气象条件 所所谓谓大大气气的的气气象象条条件件，是是指指大大气气的的各各种种特特性性，如如大大气气的的温温度度、强强度度、湿湿度度、密密度度等等，以以及及它它们们随随时时间间、地地点点、高高度度的变化情况。的变化情况。一一般般说说来来，大大气气的的气气象象条条件件是是很很复复杂杂的的，尤尤其其地地球球表表面面附附近近的的大大气气更更是是经经常常变变化化的的，这这就就给给我我们们详详细细研研究究大大气气特特性性带带来来了了很很大大的的困困难难。我我们们这这里里只只能能介介绍绍大大气气的的主主要要气气象象条条件件梗概，以及典型的气象条件数据。梗概，以
9、及典型的气象条件数据。第9页/共87页 大大气气温温度度：只只要要有有了了温温度度计计、探探空空仪仪和和气气象象火火箭箭的的测测量量所所积积累累的的大大量量资资料料，就就可可以以很很好好地地掌掌握握90km高高度度以以下下的的气气温温随随高高度度变变化化的的规规律律。90km以以上上的的大大气气层层的的直直接接测测量量数数据据较少，但其基本规律也还是清楚地。较少，但其基本规律也还是清楚地。根根据据大大气气层层内内垂垂直直方方向向的的温温度度分分布布及及运运动动特特点点，按按国国际际通通用用术术语语，可可将将地地球球大大气气分分成成五五个个同同心心层层，它它们们分分别别是是对对流流层、平流层、中
10、间层、暖层及散逸层层、平流层、中间层、暖层及散逸层。第10页/共87页高高度度/Kft大大 气气 分分 层层 图图散散逸逸层层暖暖层层中中间间层层平平流流层层对对流流层层第11页/共87页标准大气标准大气(左图左图)和和1000km1000km以下大气以下大气(右图右图)的温度的温度-高度轮廓线高度轮廓线第12页/共87页 大大气气的的压压强强是是随随着着高高度度的的不不同同而而变变化化的的。由由于于通通常常的的红红外外装装置置大大都都在在低低层层大大气气(同同温温层层以以下下大大气气)中中使使用用，所所以以，这这是是人人们们最最关关心心的的部部分分。在在低低层层大大气气，理理想想气气体体状状
11、态态方方程程式，为式，为p(z)空气的压强；空气的压强；k玻尔兹曼常数；玻尔兹曼常数；T(z)指定高度指定高度z处的绝对密度；处的绝对密度；n(z)空气的分子数密度，即在高度空气的分子数密度，即在高度z处每单位体积内的分子数目。处每单位体积内的分子数目。第13页/共87页pp+dpdzzz0dSw小体积元内空气重量小体积元内空气重量(z)高度高度z处空气密度处空气密度g(z)高度高度z处重力加速度处重力加速度m0一个氢原子质量一个氢原子质量 空气平均分子量空气平均分子量n(z)高度高度z处空气的分子数密度处空气的分子数密度第14页/共87页pp+dpdzzz0dS积分上式，得到积分上式，得到z
12、处大气压强为处大气压强为若若T(z)=T，g(z)=g，则，则标高标高第15页/共87页高度高度(km)标高标高(km)高度高度(km)标高标高(km)08.5407.857.8458.1106.8508.1156.2607.6206.3706.5256.6806.2306.8906.5357.21007.3100km以下大气标高以下大气标高第16页/共87页高度高度z处大气密度处大气密度高度高度z处分子数密度处分子数密度则则其中其中第17页/共87页高度高度/km压力压力/Pa温度温度/K密度密度/g/m3水气密度水气密度/g/m3臭氧密度臭氧密度/g/m301.0131052941.191
13、1031.4106.010-555.5401042677.2111021.06.610-5102.8101042354.1591026.410-29.010-5205.9501032189.453104.510-43.410-4301.3201032341.322103.610-42.010-4403.3301022583.3304.310-54.110-5509.5101012769.51210-16.310-64.310-61003.00010-22105.00010-41.010-94.310-11中纬度大气模型在中纬度大气模型在100km100km以下的数据以下的数据(夏季夏季)第18
14、页/共87页高度高度/km压力压力/Pa温度温度/K密度密度/g/m3水气密度水气密度/g/m3臭氧密度臭氧密度/g/m301.1081052721.3011033.56.010-555.3131042507.4111023.810-15.810-5102.5681042204.0721027.510-31.610-4205.3701032158.690104.510-44.510-4301.1101032171.783103.610-41.910-4403.5301022433.6254.310-54.110-5506.8201012668.95410-16.310-64.310-61003
15、.00010-22105.00010-41.010-94.310-11中纬度大气模型在中纬度大气模型在100km100km以下的数据以下的数据(冬季冬季)第19页/共87页5.2 大气中的主要吸收气体和主要散射粒子第20页/共87页 1.水蒸气水蒸气 在在大大气气组组分分中中，水水是是唯唯一一能能以以固固、液液、气气三三种种状状态态同同时时存存在在的的成成分分。水水在在固固态态时时表表现现为为雪雪花花和和微微细细的的冰冰晶晶体体形形式式，液液态态时时表表现现为为云云雾雾和和雨雨，而而气气态态就就是是水水蒸蒸气气。水水的的固固态态和和液液态态对对红红外外辐辐射射主主要要有有散散射射作作用用，而而
16、气气态态的的水水蒸蒸气气，虽虽然然人人眼眼看不见，但它的分子对红外辐射有强烈的选择吸收作用。看不见，但它的分子对红外辐射有强烈的选择吸收作用。水水蒸蒸气气在在大大气气中中，尤尤其其在在低低层层大大气气中中的的含含量量较较高高，是是对对红外辐射传输影响较大的一种大气成分。红外辐射传输影响较大的一种大气成分。第21页/共87页 (1)水蒸气含量描述水蒸气含量描述a.水水蒸蒸气气压压强强:水水蒸蒸气气压压强强是是大大气气中中水水蒸蒸气气的的分分压压强强，用用符符号号pw表示，其单位是表示，其单位是Pa。b.绝绝对对湿湿度度:绝绝对对湿湿度度是是单单位位体体积积空空气气中中所所含含有有的的水水蒸蒸气气
17、的的质质量量，通通常常用用符符号号w表表示示，其其单单位位为为g/m3。所所谓谓绝绝对对湿湿度，是指水蒸气的密度。度，是指水蒸气的密度。第22页/共87页c.饱饱和和水水蒸蒸气气压压：由由气气体体转转变变为为液液体体过过程程中中的的水水蒸蒸气气，称称为为饱饱和和水水蒸蒸气气。在在饱饱和和空空气气中中，水水蒸蒸气气在在某某一一温温度度下下开开始始发发生生液液化化时时的的压压强强，称称为为在在该该温温度度下下的的饱饱和和水水蒸蒸气气压压，用用ps表表示示，它它就就是是饱饱和和状状态态下下水水蒸蒸气气的的分分压压强强，只只是是温温度度的的函函数。数。d.饱饱和和水水蒸蒸气气量量：某某一一空空气气试试
18、样样中中，处处于于某某一一温温度度时时，单单位位体体积积内内所所能能容容纳纳最最大大可可能能的的水水蒸蒸气气质质量量，用用s表表示示，其其单单位位是是g/m3。饱饱和和空空气气中中的的水水蒸蒸气气量量，即即饱饱和和水水蒸蒸气气密密度度，只与温度有关。只与温度有关。第23页/共87页温度温度/0123456789-200.890.810.740.670.610.56-102.151.981.811.661.521.401.281.181.080.98-04.844.474.133.813.533.242.992.992.542.3404.845.185.545.926.336.677.227.7
19、08.228.76109.339.94 10.57 11.25 11.96 12.71 13.50 14.34 15.22 16.142017.22 18.14 19.22 20.36 21.55 22.80 24.11 25.49 27.00 28.453030.04 31.70 33.45 35.28 37.19 39.19大气中的饱和水蒸气量大气中的饱和水蒸气量/（g/mg/m3 3）第24页/共87页e.相相对对湿湿度度:相相对对湿湿度度是是空空气气试试样样中中水水蒸蒸气气的的含含量量和和同同温温度度下下该该空空气气试试样样达达到到饱饱和和时时水水蒸蒸气气含含量量的的比比值值，用用百分
20、数百分数RH表示表示 f.露露点点温温度度:露露点点温温度度是是给给定定空空气气试试样样变变成成饱饱和和状状态态时时的温度。的温度。第25页/共87页WXS 可可凝凝结结水水量量，又又称称可可降降水水量量，是是沿沿光光线线方方向向上上所所有有的的水水蒸气在与光束有相同截面的容器内凝结成水层的厚度。蒸气在与光束有相同截面的容器内凝结成水层的厚度。W可凝结水量可凝结水量W大气的绝对湿度大气的绝对湿度水水液体水密度液体水密度则则第26页/共87页WXS水的密度通常取为水的密度通常取为1g/cm3=1106g/m3若水蒸气密度均匀，则若水蒸气密度均匀，则若若X=1km，可得单位路程可凝结水量，可得单位
21、路程可凝结水量 mm/km第27页/共87页例例：若若空空气气温温度度为为298K，相相对对湿湿度度RH=60%，求求10km水水平平路程长的可凝结水量。路程长的可凝结水量。解：查表知解：查表知298K饱和水蒸气密度饱和水蒸气密度s=22.8g/cm3，则，则因因为为考考虑虑是是水水平平路路程程，所所以以近近似似地地把把W(x)看看成成是是均均匀匀的的，可求得可凝结水的毫米数为可求得可凝结水的毫米数为第28页/共87页 (2)水水蒸蒸气气分分布布：大大气气中中水水蒸蒸气气的的密密度度随随着着高高度度的的增增加加而而迅迅速速地地减减小小，水水蒸蒸气气大大约约每每增增加加5km高高度度，其其分分压
22、压强强就就降降低低一个数量级。一个数量级。沿水平路程的大气中水蒸气含量沿水平路程的大气中水蒸气含量第29页/共87页2.二氧化碳二氧化碳 二二氧氧化化碳碳是是大大气气中中的的固固定定组组分分，一一直直到到50km左左右右的的高高度度，二二氧氧化化碳碳的的浓浓度度（体体积积比比0.033%）仍仍然然保保持持不不变变。二二氧氧化化碳碳是是三三种种最最重重要要的的红红外外吸吸收收分分子子中中惟惟一一一一种种在在大大气气中中近近似似均均匀匀混混合合的的气气体体。因因此此，二二氧氧化化碳碳和和大大气气一一样样，即即高高度度每每增增高高16km，其其分分压压强强就就降降低低一一个个数数量量级级。在在低低空
23、空水水蒸蒸气气的的吸吸收收对对红红外外辐辐射射的的衰衰减减起起主主要要作作用用；而而在在高高空空，水水蒸蒸气气的的吸吸收收退退居居次要地位，二氧化碳的吸收变得更重要了次要地位，二氧化碳的吸收变得更重要了。第30页/共87页 二二氧氧化化碳碳以以及及其其他他在在大大气气中中不不凝凝结结的的气气体体组组分分，在在视视线路程中的含量用大气厘米数（线路程中的含量用大气厘米数（atmcm）来表示。）来表示。n0压缩后的压缩后的CO2分子数密度分子数密度nCO2(x)压缩前压缩前CO2分子数密度分子数密度X辐射通过大气的距离辐射通过大气的距离(cm)DCO2大气厘米数大气厘米数(atmcm)DXcmSCO
24、2第31页/共87页DXcmSCO2则则第32页/共87页例例：(1)当当大大气气处处于于标标准准状状态态时时，在在1km水水平平路路程程上上，二二氧氧化化碳碳大大气气厘厘米米数数是是多多少少？(2)某某地地区区，在在10km高高空空大大气气压压强强为为26000Pa，温温度度为为220K，求求1km水平路程的二氧化碳大气厘米数？水平路程的二氧化碳大气厘米数？解：解：(1)在标准状态有在标准状态有 (2)在在10km高空，二氧化碳含量约为海平面时的高空，二氧化碳含量约为海平面时的32%。第33页/共87页3.臭氧臭氧 臭臭氧氧在在大大气气中中的的形形成成和和分分解解过过程程，决决定定了了臭臭氧
25、氧的的浓浓度度分分布以及臭氧层的温度。布以及臭氧层的温度。O2的分解的分解 O3的形成的形成 O3的分解的分解 O2的形成的形成第34页/共87页大气中臭氧的垂直分布大气中臭氧的垂直分布第35页/共87页4.大气中的主要散射粒子大气中的主要散射粒子 除除了了吸吸收收气气体体外外，大大气气中中还还有有一一些些悬悬浮浮的的粒粒子子对对辐辐射射造造成成衰衰减减。如如空空气气分分子子、气气溶溶胶胶和和云云雨雨滴滴。溶溶胶胶是是指指悬悬浮浮在在气气体体中中的的小小粒粒子子，其其尺尺度度范范围围为为10-310m，它它们们包包括括云云、雾雾、雨雨、冰冰晶晶、尘尘埃埃、碳碳粒粒子子、烟烟、盐盐晶晶粒粒以以及
26、及微微小小的的有有生生命命机机体体。气气溶溶胶胶可可分分为为吸吸湿湿性性气气溶溶胶胶（如如海海盐盐）、非非吸吸湿湿性性气气溶溶胶（如尘埃）两种。胶（如尘埃）两种。第36页/共87页类型类型半径半径/m粒子数密度粒子数密度/cm-3空气分子空气分子10-41019Aitken10-3102104霾霾10-2110103雾滴雾滴11010100云滴云滴11010300雨滴雨滴10210410-510-2大气中的散射质点大气中的散射质点第37页/共87页在辐射传输研究中常用的气溶胶尺度谱模式在辐射传输研究中常用的气溶胶尺度谱模式（1）Diermendjian谱模式，其公式为谱模式，其公式为 N单位体
27、积中的粒子数单位体积中的粒子数 r粒子半径粒子半径 a，b，,依来源而定的常数依来源而定的常数类型类型N/cm-3a/(cm-3/m)BHaze L1004.975710620.515.1186Haze M1005.33310410.58.9443Haze H1004.0001052120.0000第38页/共87页（2）Junge谱模式，其公式为谱模式，其公式为 式中式中c、是谱参数，是谱参数，c一般取一般取24，与总浓度有关。与总浓度有关。（3）对数正态谱模式）对数正态谱模式 式中式中、R是谱参数。是谱参数。第39页/共87页 在在近近地地面面大大气气中中气气溶溶胶胶的的浓浓度度约约为为1
28、02103个个每每立立方方厘厘米米，随随高高度度呈呈指指数数递递减减。一一般般以以下下面面的的公公式式拟拟合合气气溶溶胶胶随随高高度的变化度的变化 特特征征高高度度z0在在1.01.4km范范围围内内变变化化，一一般般取取1.2km。在对流层上部，其溶胶浓度减至约在对流层上部，其溶胶浓度减至约0.01个每立方厘米。个每立方厘米。第40页/共87页5.3 大气的吸收衰减第41页/共87页 为为了了确确定定给给定定大大气气路路程程上上分分子子吸吸收收所所决决定定的的大大气气透透射率，可以有如下几种方法：射率，可以有如下几种方法：根根据据光光谱谱线线参参数数的的详详细细知知识识，一一条条谱谱线线接接
29、一一条条谱谱线线地地做做理论计算；理论计算；根根据据带带模模型型，利利用用有有效效的的实实验验测测量量或或实实际际谱谱线线资资料料为为依依据，进行理论计算；据，进行理论计算；在所要了解的大气路程上直接测量；在所要了解的大气路程上直接测量；在实验室内模拟大气条件下的测量。在实验室内模拟大气条件下的测量。第42页/共87页 (1)大气的选择吸收大气的选择吸收 大大气气的的红红外外吸吸收收的的特特点点是是具具有有一一些些离离散散的的吸吸收收带带，而而每每一一吸吸收收带带都都是是由由大大量量的的，而而且且有有不不同同程程度度重重叠叠的的各各种种强强度度光光谱谱线线组组成成的的。谱谱线线的的位位置置以以
30、及及谱谱线线的的强强度度分分布布与与吸吸收收分分子子的的种种类类有有关关。这这些些谱谱线线重重叠叠的的程程度度与与半半宽宽度度有有直直接接的的关关系系，并并且且还还与与谱谱线线的的间间隔隔有有关关系系，当当然然与与谱谱线线的的实实际际线线型型也也是是有有关关的。谱线的半宽度是与气压、温度等气象条件有关的。的。谱线的半宽度是与气压、温度等气象条件有关的。第43页/共87页组分组分红外吸收带（中心）波长红外吸收带（中心）波长/mH2O0.94 1.14 1.38 1.87 2.7 3.2 3.7 6.3CO21.4 1.6 2.0 2.7 4.3 4.8 5.2 9.4 10.4 15O34.8
31、9.6 14.2 N2O3.9 4.05 4.7 7.8 8.6CH43.2 6.5 7.8CO2.3 4.8 大气中各吸收组分的红外吸收带 第44页/共87页1-15微微米米红红外外辐辐射射光光谱谱第45页/共87页水蒸气水蒸气二氧化碳二氧化碳水水蒸蒸气气和和二二氧氧化化碳碳的的高高分分辨辨光光谱谱第46页/共87页海平面上海平面上1830m1830m水平路程有水平路程有17mm17mm可凝结水的大气透射比可凝结水的大气透射比第47页/共87页 (2)表格法计算大气的吸收表格法计算大气的吸收 表格法计算大气的吸收是一种利用红外和大气工作者编表格法计算大气的吸收是一种利用红外和大气工作者编制的
32、大气透过率表格可以方便地计算大气吸收。根据人们的制的大气透过率表格可以方便地计算大气吸收。根据人们的实验数据，采用适当的近似，已经整理出各种形式的大气透实验数据，采用适当的近似，已经整理出各种形式的大气透射率数据表。射率数据表。第48页/共87页波长波长/m可降水量可降水量/mm0.10.20.512510205010020050010000.30.980 0.972 0.955 0.937 0.911 0.860 0.802 0.723 0.574 0.428 0.263 0.076 0.0120.80.989 0.984 0.975 0.965 0.950 0.922 0.891 0.84
33、5 0.758 0.663 0.5390.33.0.1683.00.851 0.790 0.673 0.552 0.401 0.184 0.060 0.008000004.00.997 0.995 0.993 0.990 0.987 0.977 0.970 0.960 0.930 0.900 0.870 0.790 0.7005.00.915 0.880 0.811 0.736 0.634 0.451 0.286 0.132 0.01700006.00.180 0.058 0.30300000000006.90.416 0.250 0.068 0.0100000000007.00.569 0.
34、245 0.060 0.0040000008.00.990 0.975 0.951 0.904 0.777 0.603 0.365 0.080009.00.997 0.992 0.984 0.968 0.921 0.848 0.719 0.440 0.193 0.03710.00.997 0.994 0.988 0.975 0.940 0.883 0.780 0.538 0.289 0.08311.00.998 0.994 0.988 0.975 0.940 0.883 0.779 0.536 0.287 0.08212.00.997 0.993 0.987 0.974 0.937 0.878
35、 0.770 0.521 0.270 0.07313.00.997 0.992 0.984 0.967 0.921 0.846 0.718 0.437 0.191 0.03613.90.995 0.988 0.977 0.955 0.891 0.793 0.629 0.3130.980.010海平面上水平路程水蒸气的光谱透过率海平面上水平路程水蒸气的光谱透过率 第49页/共87页波长波长/m路程长度路程长度/km0.10.20.512510205010020050010000.311111111111111.011111111111112.00.978 0.969 0.951 0.931 0.
36、903 0.847 0.785 0.699 0.541 0.387 0.221 0.053 0.0063.011111111111114.00.998 0.997 0.996 0.994 0.991 0.986 0.980 0.971 0.955 0.937 0.911 0.859 0.8025.00.999 0.998 0.997 0.995 0.994 0.990 0.986 0.979 0.968 0.954 0.935 0.897 0.8556.011111111111116.911111111111117.011111111118.011111111119.0111111111110
37、.0110.999 0.997 0.994 0.989 0.978 0.945 0.892 0.79711.010.999 0.999 0.997 0.993 0.985 0.973 0.934 0.872 0.76112.0110.999 0.999 0.997 0.993 0.986 0.966 0.934 0.87213.00.991 0.977 0.955 0.912 0.794 0.630 0.397 0.099 0.010013.90.778 0.534 0.268 0.082 0.00200000海平面上水平路程二氧化碳的单色透过率海平面上水平路程二氧化碳的单色透过率 第50页/
38、共87页 任任意意波波长长上上的的透透射射率率的的知知识识从从表表中中察察到到的的水水蒸蒸气气和和二二氧氧化碳透射率的乘积，即化碳透射率的乘积，即 需需要要强强调调的的是是，这这些些表表格格只只适适用用于于海海平平面面上上的的水水平平路路程程。在在高高空空，由由于于大大气气压压强强随随着着高高度度的的增增加加而而下下降降，大大气气的的温温度度也也要要下下降降，因因此此谱谱线线的的宽宽度度变变窄窄。可可以以预预料料，通通过过同同样样的的路路程时，吸收变小，所以大气的透射率就要增加。程时，吸收变小，所以大气的透射率就要增加。第51页/共87页 温温度度对对透透射射率率的的影影响响较较小小，通通常常
39、可可不不予予考考虑虑，只只要要考考虑虑压压强强降降低低对对透透射射率率的的影影响响就就可可以以了了。如如果果稍稍做做些些简简单单的的修修正正，这这些些表表格格则则可可用用于于高高空空。在在高高度度为为h的的水水平平路路程程x所所具具有有的的透透射射率率等等于于长长度度为为x0的的等等效效海海平平面面上上水水平平路路程程的的透透射射率率，用用数数字表达式可以表示为字表达式可以表示为 p高度高度h处的大气压强处的大气压强 p0海平面上的大气压强海平面上的大气压强第52页/共87页高度高度/km高度修正因子高度修正因子 (p/p0)k高度高度/km高度修正因子高度修正因子 (p/p0)k水蒸气水蒸气
40、二氧化碳二氧化碳水蒸气水蒸气二氧化碳二氧化碳0.3050.9810.9406.100.6700.2990.6100.9610.8886.860.6430.2660.9150.9420.8407.620.6090.2661.220.9230.7749.150.5520.1681.520.9040.74310.70.4860.1151.830.8860.69912.20.4410.0852.140.8690.66015.20.3480.0422.440.8520.62018.30.2720.0202.740.8350.58021.40.2140.0103.050.8190.54824.40.167
41、0.0053.810.7900.49427.40.1340.0024.570.7390.40430.50.1050.0015.340.7140.364高度修正因子高度修正因子(p/p(p/p0 0)k k的值的值 第53页/共87页 倾倾斜斜路路程程的的透透射射率率计计算算比比水水平平路路程程的的计计算算困困难难很很多多，因因为为大大气气压压强强沿沿路路程程连连续续变变化化，故故吸吸收收带带的的形形状状也也连连续续改改变变，修修正正这这一一变变化化的的任任何何方方法法都都非非常常复复杂杂。利利用用海海平平面面上上水水平平路路程程水水蒸蒸气气、二二氧氧化化碳碳的的光光谱谱透透过过率率表表可可以以
42、进进行行近近似似计计算算，把把路路程程分分成成若若干干小小段段，每每段段的的高高度度增增量量相相等等，取取每每一一小小段段中中点点处处的的修修正正因因子子进进行行修修正正，并并假假设设每每小小段段内内辐辐射射是是水水平平进进行行的的，则则整整个个斜斜路路程程的的光光谱谱透透射射率率由由每每一一小小水水平平段的计算值相加得到。段的计算值相加得到。第54页/共87页5.4 大气的散射衰减第55页/共87页 辐辐射射在在大大气气中中传传输输时时，除除因因分分子子的的选选择择性性吸吸收收导导致致辐辐射射能能衰衰减减外外，辐辐射射还还会会在在大大气气中中遇遇到到气气体体分分子子密密度度的的起起伏伏及及微
43、微小小微微粒粒，使使辐辐射射改改变变方方向向，从从而而使使传传播播方方向向的的辐辐射射能能减减弱弱，这这就就是是散散射射。一一般般说说来来，散散射射比比分分子子吸吸收收弱弱，随随着着波波长长增增加加散散射射衰衰减减所所占占的的地地位位逐逐渐渐减减少少。但但是是在在吸吸收收很很小小的的大大气气窗窗口口波波段段，相相对对来来说说散散射射就就是是使使辐辐射射衰减的主要原因。衰减的主要原因。第56页/共87页尺寸因子尺寸因子瑞瑞利利散散射射(0.31.0)：散散射射元元的的线线度度比比被被散散射射的的波波长长小小得得多多的的散散射射，对对可可见见光光的的频频率率范范围围，粒粒子子半半径径应应小小于于0
44、.05m左右。大气中的瑞利散射主要是分子散射。左右。大气中的瑞利散射主要是分子散射。米米氏氏散散射射(=1.020)：对对于于云云和和雾雾，粒粒子子半半径径r分分布布在在5 15 m之之间间，对对于于常常用用的的Lb,而而Lb0=LbV。因此，上式可变为。因此，上式可变为第60页/共87页 从从x=0到到x=V之之间间的的大大气气，在在波波长长0处处，对对大大气气透透射射率率的影响只是由散射造成的，其透射率为的影响只是由散射造成的，其透射率为则则所以可以得到在波长所以可以得到在波长0处，散射系数和气象视程的关系为处，散射系数和气象视程的关系为V是长度单位。是长度单位。第61页/共87页2、测量
45、、测量0处视程的原理处视程的原理 按按照照视视程程方方程程式式，我我们们能能知知道道散散射射系系数数S。又又因因为为我我们们选选取取的的波波长长通通常常是是0=0.61m或或0.55m，在在这这些些波波长长处处的的吸吸收收近近似似为为零零，因因此此，衰衰减减只只是是由由散散射射造造成成的的。这这样样就就可可以以由由透透射射率率和和散散射射系系数数的的关关系系，求求得得气气象象视视程程。在在已已知知的的x距距离离上，在波长上，在波长0处，测得大气的透射率为处，测得大气的透射率为S(0，x），则有），则有第62页/共87页 如如果果已已知知距距离离x在在0V之之间间，由由于于在在整整个个视视程程内
46、内的的S都都是是一一样样的的，因因此此，可可以以将将此此式式中中的的S(0)代代入入视视程程方方程程中中，得到视程与已知距离处的透射率之间的关系为得到视程与已知距离处的透射率之间的关系为 由由此此式式可可知知，只只要要测测得得已已知知距距离离x及及透透射射率率S(0，x），就就可可以求得视距。以求得视距。第63页/共87页例例5-1 在在距距离离x=5.5km，波波长长0.55m处处测测得得的的透透射射比比S(0，x）为）为30%，求气象视程，求气象视程V。解解:将将x，S(0，x）代入式）代入式(5-18)得得 即在即在0.55m处的气象视距为处的气象视距为17.9km。第64页/共87页3
47、、利用、利用0处的视程求任意波长处的光谱散射系数处的视程求任意波长处的光谱散射系数S()一般可以将散射系数表示为一般可以将散射系数表示为 式中的式中的A，A1，q都是待定的常数。都是待定的常数。在红外光谱区内，瑞利散射并不重要，因此在红外光谱区内，瑞利散射并不重要，因此式式中中q是是经经验验常常数数。当当大大气气能能见见度度特特别别好好时时，q=1.6；中中等等视视见见度度，q=1.3；如如果果大大气气中中的的霾霾很很浓浓厚厚，以以致致能能见见度度很很差差可取可取q=0.585V1/3，其中，其中V是以是以km为单位的气象视程。为单位的气象视程。第65页/共87页因为因为则则可以得到任意波长可
48、以得到任意波长处的散射系数处的散射系数S()与气象视距及波长的关与气象视距及波长的关系式系式把此式带入由纯散射衰减导致的透射率公式，有把此式带入由纯散射衰减导致的透射率公式，有 第66页/共87页5.5 大气透射率的计算举例第67页/共87页1、大气透射率的计算步骤、大气透射率的计算步骤 在在实实际际大大气气中中，尤尤其其是是在在地地表表附附近近几几千千米米的的大大气气中中，吸吸收收和和散散射射是是同同时时存存在在的的，因因此此大大气气的的吸吸收收和和散散射射所所导导致致的衰减都遵循朗伯的衰减都遵循朗伯-比尔定律。比尔定律。()单位浓度的吸收系数单位浓度的吸收系数 n吸收元的浓度吸收元的浓度
49、()单位浓度的散射系数单位浓度的散射系数 n散射元浓度散射元浓度第68页/共87页 由此，我们可以得到大气的光谱透射率为由此，我们可以得到大气的光谱透射率为 式式中中a()，S()分分别别是是与与吸吸收收和和散散射射有有关关的的透透射射率率。假假设设大气中由大气中由m种吸收组分，即种吸收组分，即则则第69页/共87页我们可以将计算大气透射率的步骤归结如下：我们可以将计算大气透射率的步骤归结如下：(1)按实际的需要规定气象条件、距离和光谱范围；按实际的需要规定气象条件、距离和光谱范围；(2)按按纯纯散散射射衰衰减减的的透透射射率率公公式式，也也就就是是由由气气象象视视程程的的方方法法计算出在给定
50、条件下的计算出在给定条件下的S()；(3)按按给给定定条条件件，依依次次计计算算出出各各个个吸吸收收组组分分的的ai()。其其办办法法有：有：按按照照前前面面所所介介绍绍的的大大气气透透射射率率表表，计计算算水水蒸蒸气气和和二二氧氧化化碳碳的吸收所造成的透射率；的吸收所造成的透射率；按按照照所所谓谓的的带带模模型型，计计算算在在给给定定条条件件下下和和指指定定光光谱谱范范围围内内的各吸收带的吸收率，从而求得透射率；的各吸收带的吸收率，从而求得透射率；(4)利利用用所所求求得得的的S()和和ai()，根根据据式式（5-28）可可以以算算出出大大气气的透射率。的透射率。第70页/共87页2、计算举