MODTRAN使用要点精解

MOD37使用要点INTEGRATEDTOTALRADIANCMINIMUMSPECTRALRADIANCE=0.000000E+00WATTSCM-2STER-1/CM-1MAXIMUMSPECTRALRADIANCE=1.168842E-05WATTSCM-2STER-1/CM-1文件名.LTN,包含Modtran模型参数的输入文件和输出曲线打印方式的输入文件名.NPR,6000米以下海面气溶胶分布，较以前海洋气溶胶模型有明显滤波器函数可用于计算有效大气透过率或有效路径辐亮度。滤波器函数包含辐射源的光谱特性和辐射测量仪器的光谱带通特性。辐射源的光谱特性用黑体温度表示，仪器光谱特性取决于探测器光谱响应和光学元件光谱透过或反射特性，Modtran可设置最多80个波数点的相对响应。Modtran内部计算样点的光谱间隔为1cm'¹,为降低输出数据的光谱分辨率，Modtran提供了扫描功能，可将输出光谱数据与一个狭缝函数进行卷积运算。狭FWHM是狭缝函数的半宽度，最小设置值2cm¹,最大设置值50cm¹。因此，Modtran输出数据光谱分辨率的极限为2cm¹。输入的频率增量(步长)DV是指输出光谱数据采样间隔，用波数表示，并非Modtran的分辨率。如步长DV设置为100cm¹,FWHM设置为2cm'',Modtran输出数据的波数间隔为100cm¹,数据点的光谱分辨率为2cm¹,波数位于100cm¹采样间隔区的大气强吸收峰或辐射峰均不予计算。MODTRAN(中分辨率透过率的英文缩写)是美国空军研究实验室开发的完整模型。MODTRAN可计算特定大气路径的透过率和辐亮度。它既可作为独立的程序编写，可向终端用户提供源代码。MODTRAN计算1)波数范围0-50000cm¹,即最小波长0.2um。按1cm¹波数间隔分割，即计算步长为1cm¹。2)大气分层大气高度0-100km,根据气压、温度、分子吸收与消光系数对大气层进行分层，最大可分33层。1)LOWTRAN计算的光谱范围与MODTRAN相同，但计算步长为5cm¹,分辨率为20cm¹。2)LOWTRAN的近似分子吸收带模型仅有吸收系数、分子密度刻度函数等参数。要用作工作于下层大气和地表面战术系统大气传输计算的辅助工具，40公里以上LOWTRAN7计算精度大大降低。3)MODTRAN的分子吸收带模型有吸收系数、谱线密度、平均谱线密度等3个温度有关参数。MODTRAN在对1cm¹波数间隔内吸收谱线积分时考虑了谱线的形状。MODTRAN适合大气路径高度30公里以上的透过率计算，但不适合大气路径高度60公里以上的透过率计算，因为许多分子不处于局部的热力学平衡状态，不能根据周围的温度确定分子带的辐射。1)气体分子谱线吸收；2)气体分子连续吸收；3)气体分子散射；4)气溶胶吸收和散射；Descriptionmoon,earth,oratarget),andscatteringin/outofthepath.Multiplescatteringisapathradiance."Multiple"meansthatmorethanonescatteringeventisallowvisiblewavelengthregions,andparticle(aerosol)scattering,whichcanplayasignificant1)大气自身辐射；2)以单次散射方式进入路径的太阳和/或月亮辐亮度；3)斜路径对天观察时的直接太阳辐照度；4)以多次散射方式进入路径的太阳和/或月亮辐亮度以及地球辐亮度。MODTRAN计算时，要求先输入路径类型，再输入路径参数。确定水平路径只需输入2个参数，即观察点高度、路径长度。这里的水平路径系短路径，不是长路径。Illustrationof"Short"and"Long"PathsPossibleonDownlookGeometryH1:初始高度(观察点高度);H2:最终高度(辐射源高度);φ:最终角，源点的重垂线与路径的夹角；确定一个斜路径只需输入3个参数，共有6种设置方法：确定一个至太空的斜路径需要输入2个参数，共有3种设置方法：其中第2种方法主要用于临边探测(LimbViewing)。气溶胶是大气中悬浮颗粒的总称，它包括地面灰尘、火山灰、工业燃烧产生烟灰、海面喷沫、雾等。气溶胶颗粒大小变化很大，仅存在于局部区域。气溶胶分布与海拔高度有关，MODTRAN按高度将大气分为4层，分别建立1)边界层(0-2km);2)对流层顶部(2-10km);3)同流层底部(10-30km);4)同流层(中间层)边界层气溶胶模型与地理环境、天气一个，MODTRAN给出的边界层气溶胶模型主要有：农村、都市、海洋、对流层、雾等。农村的气溶胶模型由占比70%的可溶物质(氨、硫酸钙及有机化合物)和占比30%类灰尘气溶胶混合而成。海洋的气溶胶模型由盐颗粒和背景两部分组成，盐颗粒是海水飞沫蒸发后再凝聚核水汽形成的较大颗粒，存在于离海面10-20米高处。海洋的背景气溶胶与陆地农村气溶胶相仿，唯一不同是没有非常大的颗粒。都市气溶胶模型由占比20%的燃烧生成物或工业源形成的类烟尘气溶胶，其余80%为农村气溶胶。对流层气溶胶模型代表了一种非常清彻天气条件，能见度达50公里。对流层顶部(2-10km)的气溶胶比边界层均匀的多，大颗粒迅速减少。同流层底部(10-30km)的气溶胶主要受季节影响，因为对流层顶部的高度是随季节变化的变化。该层呈全球均匀分布，不受地理环境影响，主要颗粒是光化学反应产生的硫酸盐颗粒和火山喷发时的火山灰。高层大气的主要气溶胶是流星灰。MODTRAN定义了6种标准的大气模型，也允许用户输入气象数据，自定义1)1976年美国“标准”大气：1976年，由美国制定，用中纬度平均值表示。2)赤道：北纬15°。3)中纬度夏天：北纬45°,7月。4)中纬度冬天：北纬45°,1月；5)亚北极夏天：北纬60°,7月；6)亚北极冬天：北纬60°,1月MODTRAN的模型大气将大气非等高度地划分为34层，能给出这6种模型大气的气压、温度以及H₂O、CO₂、O₃等11种气体含量随高度的分布。例如：中纬度夏天模型大气的气压、温度及水分子含量的高度分布如下表所示。Pressure,Temperature,andWaterProfileforMid-LatitudeSummerAtmosphere01902.0065.979.299E+002802.005.893E+00345.263.294E+004629.0059.997E-016497.006.095E-017426.003.693E-0182.097E-019281.006.391E-02243.002.197E-02209.002.22.35.992E-037.678E-044.436E-043.676E-0495.003.051E-0481.202.554E-0469.502.210E-0443.708.042E-055.747E-052.850E-05004.107E-0602.461E-070MODTRAN的屏幕输入参数有模型大气(ModelAtmosphere)、气溶胶屏幕上分别用(1)、(2)、(3)标注。可选MODTRAN带模型或MODTRAN所含的LOWTRAN模型。大气模型包括标准大气模型和用户自定义。标准模型大气与LOWTRAN相同，共6种，其中1976年美国标准大气是一种标准的大气模型，其余5种模型反映了季节、纬度对大气性质的影响。用户自定义大气模型有两种，要求用户输入气大气路径有水平路径、斜路径、斜路径至太空3种。需输入的路径参数如前所述，在“几何参数和光谱带”屏幕上输入。MODTRAN有透过率(Transmittance)、热辐射亮度(ThermalRadiance)、有散射辐亮度(RadiancewithScattering)、太阳直射照度(DirectSolarIrradiance)等四种运行模式透过率运行模式(MODE=0)可计算路径的总透过率以及气体分子带吸收、连续吸收、气溶胶吸收等分量的路径透过率。路径的总透过率为各个分量的路径透透过率运行模式下，可输出以下结果：1)总路径透过率；2)H2O,CO2,O3等吸收气体的透过率；3)分子散射的透过率；Transmission4)气溶胶透过率。Transmission热辐射亮度模式(MODE=1)可计算路径大气辐射的辐亮度(即大气辐亮度)和路径的总透过率，大气辐射主要在热红外波段，故称大气热辐射。热辐射亮度运行模式下可输出以下结果：1)总路径透过率(Trans.Total)一与路径类型、路径大气吸收、散射的衰减系数有关。2)路径热辐射(PathThermal)一路径大气热辐射的光谱辐亮度。3)热散射(ThermalScat)一路径外大气热辐射经散射进入路径的光谱辐亮度，通常可忽略。4)表面辐射(SurfaceEmission)一特定温度、比辐射率边界层表面热辐射产生的光谱辐亮度。5)地面反射的总辐亮度(TotalGroundReflected)一大气热辐射经地面反射产生的光谱辐亮度，通常可忽略。一观察点在视线方向接收到辐射的总辐亮度。总辐亮度是2)、3)、4)、5)四项辐亮度之和，由于热散射3)和地面反射辐亮度5)可忽略，总辐亮度是路径热辐射2)和边界层热辐射4)辐亮度之和。7)光学深度(OpticalDepth)一单位：Km¹,应是衰减系数，光学深度(大气质量)是衰减系数对路径边界层可以是地球、云、飞机等，MODTRAN假设边界层均为灰体，用户须输入边界层温度和表面反射率(SurfaceAlbedo),以确定表面发射的辐亮度。边界层温度的缺省值为0,此时边界层温度根据大气模型确定。如不用缺省值，用户可输入边界层的绝对温度和表面反射率。比辐射率等于(1一表面反射率),表面反射率的缺省值为0,比辐射率等于1,即认为是黑体。用户可直接输入反射率的数值，MODTRAN也提供了几种典型的边界层，包括：雪、森林、植被、草地、海洋、沙漠等，这几种典型边界层在红外波段的光谱反射率和光谱比辐射率都是确定的。例如：雪反射率比辐射率Forest2WavelengthAlbedoWavelengthAlbedo云WavelengthAlbedo海洋Ocean(notgrazinganglWavelengthRHOEPS可用热辐射亮度模式计算HY1海洋卫星以45°倾角观察海面的输入参数：中纬度、夏天，23公里能见度，海水温度300K,反射率0.03。TransmissionWavelengthMicronsHY1透过率Trans.TotalWavelengthMicrons输出曲线如图，大气热散射、地面反射的热辐射均可忽略，观察点的总辐亮度是路径热辐射和边界层热辐射的辐亮度之和。卫星红外地平仪接收到的15微米辐射几乎全部来自CO₂吸收带的大气辐射，来自地球表面的辐射可以忽略。热辐射亮度运行模式的路径辐亮度只考虑路径大气和地面的热辐射，有散射辐亮度运行模式(MODE=2)的路径辐亮度不仅考虑路径大气和地面的热辐射，还增加了路径外辐射源(太阳、月亮、地球等)产生的大气散射辐亮度和地面反射辐亮度。路径大气的散射有分子散射、气溶胶散射，分子散射主要影响可见光波段的路径辐亮度，气溶胶散射对近红外、中波红外影响较大。路径外辐射源的辐射经大气散射进入路径将增加路径的辐亮度。MODTRAN的单次散射仅计算太阳或月亮光散射后进入路径，不考虑进入路径散射光再次散射，离开路径。散射辐亮度和观察方向与太阳/月亮照射的相对位置遥感，计算时须输入太阳有散射辐亮度运行模式下，可输出以下结果：1)总路径透过率(Trans.Total)一与路径类型、路径大气吸收、散射的衰减系数有关。2)路径热辐射(PathThermal)一路径大气热辐射的辐亮度。3)热散射(ThermalScat)一大气热辐射经散射进入路径的辐亮度，通常可忽略。4)表面辐射(SurfaceEmission)一特定温度、比辐射率界面热辐射产生的辐亮度。5)太阳散射辐亮度(SolarScatterRadiance)。一太阳辐射经散射进入路径并到达观察点的辐亮度。6)单次散射辐亮度(SingleScatterRadiance)一太阳辐射经单次散射进入路径的辐亮度。单次散射是指不考虑进入路径的散射辐射再次离开路径，如设置为单次散射模式，太阳散射辐亮度即单次散射辐亮度。一太阳光地面反射产生的辐亮度，包括太阳直射光地面反射和散射光地面8)直接地面反射(DirectGroundReflected)一太阳直射的地面反射的辐亮度(用户手册p380)。9)总辐亮度(TotalRadiance)一观察点在视线方向接收到的辐亮度，是路径大气热辐射、地面热辐射、地面反射产生的辐亮度之和。在MW,LW波段，地面反射辐亮度可忽略，总辐亮是路径大气热辐射、地面热辐射辐亮度之和。在VIS、NIR、SW波段，路径大气热辐射可忽略，总辐亮度是路径大气太阳散射和地面反射辐亮度之和。10)太阳反射辐亮度(ReflectedSolar)一大气层外太阳光100%漫反射产生的辐亮度，可作为外层空间太阳辐射11)观察点太阳反射辐亮度(SolaratObserver)一观察点处太阳光100%漫反射产生的辐亮度，可作为观察点处太阳辐射12)光学深度(OpticalDepth)一单位：Km¹,应是衰减系数，光学深度(大气质量)是衰减系数对路径可用有散射辐射亮度模式计算HY1海洋卫星以45°倾角观察海面的路径辐亮度太阳散射辐亮度(全波段).Itn。输入参数：太阳天输出的全波段路径辐亮度曲线如图。中波、长波波段的路径辐亮度是海面和路径大气的热辐射辐亮度之和，大气散射、海面反射均可忽略。WavelengthMicrons*10’在可见光至短波红外波段，路径辐亮度是太阳散射和海面辐射辐亮度之和，太*10’HY1有散射辐亮度(VIS,NIR,SWavelengthMicrons太阳直射照度(“DirectSolarIrradiance”)运行模式(MODE=3)可计算：1)大气层外的太阳正入射的光谱辐照度；2)太阳透过大气到达观察点的光谱辐照度；3)路径透过率。这里的大气层外太阳照度或观察点太阳照度约定为正入射照度。海面太阳照度(全波段)海面太阳照度(全波段)WavelengthMicrons太阳的入射照度和地面照度(天顶角0°,VIS-LWIR)TransmissionTransmittedSolar二一WavelengthMicrons太阳的入射照度和地面照度(天顶角0°,VIS-NIR)Trans.TotalWavelengthMicrons至海面大气透过率(天顶角0°,VIS-NIR)NoAerosolAttenuatiRural-VIS=23km=1=RURALextinction,defaultVIS=23kmRural-VIS=5km=2=RURALextinction,defaultVIS=5kmNavyMaritime=3=NAVYMARITIMEextinction,setsitsownVISMaritime-VIS=23km=4=MARITIMEextinction,defaultVIS=23kmUrban-VIS=5km=5=URBANextinction,defaultVIS=5kmTropospheric-VIS=50km=6=TROPOSPHERICextinction,defaultVIS=50kmUserDefined-VIS=23km=7=USERDEFINEDextinction,defaultVIS=23kmFogadvection-VIS=.5km=8=FOG1(advectionfog)extinction,defaultVIS=0.2kmFogradiation-VIS=.2km=9=FOG2(radiationfog)extinction,defaultVIS=0.5km3.2.2气溶胶模型季节修正主要对季节变化引起对流层高度的变化进行修正。须先在屏幕(1)的“TypeofAtmospherePath”的框中选择大气路径类型(如水平路径、斜路径等),再在屏幕(3)“PathType”的框中选择路径参数设置方法(如高度、天顶角、路径长度等),方可输入具体路径参数。每个路径参数均可须输入的参数包括：初始、终值、增量或狭缝函数的半宽度(FWHM)的波数选择“有散射辐亮度”运行方式时，先要明确散射源是太阳或月亮。然后输入太阳/月亮的几何位置参数，输入方法有3种：1)输入观察点和太阳的地平经度、地平纬度；输入内容包括：太阳日：1-365,仅用于修正日地距离；观察点经纬度：地经(0°-360°)、地纬(一90°-90°)太阳经纬度：地心与太阳连线与地球交点的地经、地纬；(正北为0°,正东为90°)。2)输入观察点经纬度、太阳日(1-365)和观察时刻的格林威治时间；输入内容包括：太阳日：1-365,用于修正日地距离和太阳的视位置；观察点经纬度：地经(0°-360°)、地纬(-90°-90°)(正北为0°,正东为90°)。3)输入观察视线方位角(视线与日地连线地面投影的夹角)和观察点的太阳天顶角输入内容包括：太阳日：1-365,仅用于修正日地距离；视线方位角：-180°-180°,所谓视线方位角实际上是视线转至日地连线在方位方向转过的角度，由北往东为正，反之为负。S太阳光散射与散射角(太阳光线与视线之间的夹角)有关。方法1用太阳的地经、地纬确定太阳光的入射方向，视线方向由路径的天顶角、方位角而定。方法2的太阳光入射方向是根据太阳日、时间而定，视线方向仍由路径的天顶角、方位角而定。如何确定观察点太阳的天顶角、方位角可参见附录2。由于路径天顶角已设定，方法3要求输入太阳天顶角和观察视线与日地连线之间的方位角，已能完全确定太阳光与视线的相对位置，不必再要求输入太阳和视线的方位角。4附录1:MODTRAN计算海洋卫星波段辐亮度4.1HY-1技术参数表2.3卫星平台相关参数卫星轨道圆形太阳同步轨道，高度798km,降交点地方时10:30±30min卫星姿轨控三轴稳定，对地定向姿态测量精度偏航≤0.3°,滚动、俯仰≤0.2°姿态指向精度偏航≤0.5°,滚动、俯仰≤0.4°姿态稳定度三轴≤0.01°/sHY-1对可见光通道的灵敏度要求为：表2.26编号谱段(μm)测量条件S/N;(NE△T)NE△L0.402～0.4220.433～0.4530.480～0.5000.510～0.5300.555～0.5750.660～0.6800.740～0.7600.845～0.885用模式3,输入参数：大气模型：中纬度、夏天；路径类型：斜路径至太空；运行模式：直接太阳照度；气溶胶模型：洋面(MaritimeVIS=23km);路径参数：观察点高度0公里，太阳天顶角0°。海面太阳照度海面太阳照度(VIS,NIR)WavelengthMicrons大气层外太阳照度的光谱曲线与5900K黑体的光谱曲线并不完全一致。因此，用普朗克定律计算和用MODTRAN计算结果有少量差异。用普朗克定律可计算大气层外，太阳的波段辐照度如下：k为5900K黑体波段出射度与全波段出射度之比。大气层外太阳的光谱辐照度为：谱段用Plank定律计算大气层外太阳光谱辐照度大气层外太阳光谱辐照度kHWcm²W