可见光近红外波段辐射传输方程.ppt

大气效应及建模 大气组成 大气组成 大气垂直结构 Troposphere 对流层 Stratosphere 平流层 Mesosphere 中间层 Thermosphere 热层 大气廓线 大气组成 对流层邻近地表的一层 厚度最薄 大气质量80 水汽90 低纬 16 18km 中纬 10 12km 高纬 7 9km 特点 温度随高度增加不断下降 平均6 5 C km 天气变化都发生在该层 垂直方向空气运动激烈 自地面至2m高的范围为贴地层 昼夜温度变化10 C 从地面到1 2km的为行星边界层 富含气溶胶粒子 气溶胶密度随高度指数衰减 在行星边界层以上 主要为分子散射 大气组成 平流层从对流层顶到50 55km 约20 大气质量 水汽少 臭氧 10 40km 丰富 吸收太阳紫外辐射 气体密度低 分子动能大 特点 20 32km 同温层 同温层之上 温度随高度增加而增加 到平流层顶温度停止增加 无垂直运动 稳定 导致气溶胶可以停留很长时间 大气组成 热层从中间层顶到几百公里 特点 密度很低 温度约500 2000K 又称电离层 反射无线电波 没有固定的化学组成 中间层从平流层顶到80 85km 特点 温度递减化学组成非常均匀 压力很低 中间层顶的温度通常最低 95 C 遥感通常考虑的高度范围 大气组成 AtmosphericConstituentsPermanentGases 基本比例固定 且没有空间变化 Nitrogen N2 78 084 byvolumeOxygen O2 20 948 Argon Ar 0 934 Carbondioxide CO2 0 033 浓度可变 大气组成 GaseswithVariableConcentration 随空间及时间变化明显 Watervapour H2O 0 4 随温度 气压有剧烈变化 有很强的时空变化特性 集中在对流层下半部 随高度增加而急剧递减 饱和水汽压混合比与比湿水汽压水汽密度 绝对湿度 相对湿度露点与霜点虚温 大气组成 GaseswithVariableConcentration Ozone O3 0 12 10 4吸收紫外 导致平流层增温 有明显的地区和季节性变化 垂直结构也比较复杂 Sulphurdioxide SO2 Nitrogendioxide NO2 Ammonia NH3 Nitricoxide NO Hydrogensulphide H2S Nitricacidvapour HNO3 Nitrousoxide N2O Carbonmonoxide CO 大气组成 Solidandliquidparticulates 气溶胶 水滴 冰晶 可能会聚集为云和霾 气溶胶 大气中大量悬浮的固体和液体粒子 典型的有霾 灰尘 烟 雾气溶胶来源 1 自然 火山 沙暴 林火烟灰 各种酸性粒子 2 人类活动 工业 交通 建筑 农业等气溶胶大小 5 10 3 0 2mm 爱根核 Aitkennuclei 0 2 1mm 大粒子 1mm 巨粒子气溶胶分布 对流层内 浓度随高度指数衰减 由于降水 不能维持很久 平流层中 稳定 PM10 PM2 5 TSP Mainconstituentsoftheearth satmosphere 大气效应 大气中的主要组成物氮 N2 和氧 O2 对辐射的吸收主要位于紫外波段 由于大气上层臭氧的存在 而臭氧对小于0 3微米的电磁波具有极强的吸收能力 所以到达地面的太阳短波辐射中 已不存在小于0 3微米的短波辐射了 因此氧 O2 氮 N2 的吸收作用也就不重要了 从可见光到红外到微波波段 起主要作用的是大气中的一些少量的多变的气体 它们是臭氧 O3 水汽 H2O 二氧化碳 CO2 甲烷 CH4 氮氨化物 N2O 一氧化碳 CO 等 以60GHZ为中心的微波氧 O2 吸收带除外 大气吸收 水汽 H2O 是大气中的重要吸收成分 水汽是一个不对称的陀螺分子形状 由于正 负离子的重心不重合 所以水分子是一个极性分子 具有很强的电偶极矩 水汽的最强和最宽的振转吸收带为以6 3微米为中心的吸收带 其次还有两个分别以2 74微米和2 66微米为中心的吸收带 此处 在近红区还有很多的吸收带 1 4 0 94等 水汽的吸收 它在红外区的吸收为15微米为中心 范围为13 5 16 5微米的强吸收带 其二 为以4 3微米为中心的吸收带 除此之外还有中心在10 4微米 9 4微米 5 2微米 4 8微米 2 7微米 2 0微米 1 6微米及1 4微米的弱吸收带都比窄 宽度约为0 1微米量级 所以一般可以不予考虑 二氧化碳的吸收 臭氧对紫外光有强烈的吸收作用致使波长短于0 3微米的太阳辐射无法到达地面 在0 6微米附近有一个弱吸收带 在红外区 以9 6微米为中心有一个较强的吸收带 其次在4 75微米有一个较显著的吸收带 在14微米附近的吸收带与CO2的强吸收带重迭 臭氧吸收 大气吸收 大气吸收 经过大气层的太阳辐射 大气吸收 大气效应 散射 大气效应 尺度参数 aa 0 6 大分子散射 Mie散射 a 400 折射和反射 散射 n 折射指数N 单位体积内的粒子个数 瑞利散射 米散射 1908年 G Mie对电磁波通过球开粒子的麦克斯韦方程组求解 得出球形粒子散射与吸收的表达式 推导从略 大气效应 实际的大气透过率受散射与吸收影响 大气效应建模 因此 考虑散射源函数后 辐射传输方程可以展开为 回忆平面平行介质中的传输方程为 大气效应建模 大气效应建模 A