大气物理中红外传输.doc

大气物理中红外传输的认识 先认识一下大气物理学的研究领域，大气物理学主要研究地球大气参数、大气现象和过程的物理性质及其变化规律。大气中的物理过程研究不仅涉及大气科学的方方面面，还与陆地学、海洋学、生物学等学科密切相关。大气科学最重要的使命是科学预测十年到百年间的环境一气候变化趋势。现代大气物理学为了适应地球环境与全球气候变化的深入研究需求，产生许多新的学科分支，如研究大气辐射特性和辐射传输过程的大气辐射学、研究中层(或高层)大气中各种物理现象和过程的中层(或高层)大气物理学、研究大气遥感原理、技术和应用的大气遥感学、研究大气边界层中物理现象和过程的大气边界层物理学等等。在这里，自己选择自己相对熟悉的大气物理中的大气红外辐射传输来谈谈自己的认识。 对大气辐射传输的认识大气辐射传输建立了一个简单的模型（如下图）.在物理学中，介质与电磁波的相互作用是一个具有吸收又有发射的过程， 在这里我们把整层大气也看成是一种介质，太阳穿过大气层，由于大气的存在，也会发生吸收与辐射，最后到达地面。也正是这个热交换过程，才让我们的地球保持着一个热平衡。我们可以用一个示意图来表示： 大地的发射大地的吸收云的吸收与发射气溶胶的散射来 自 太 阳 的 辐 射 辐射束通常可以按其在辐射传输场中的强度（或辐亮度）来表示，根据模型的假设，可以得到一个红外传输方程 这个方程中是表示吸收系数，表示吸收气体的密度，S为倾斜的路径，为源函数。 这里解释一下，电磁波在穿越大气的时候，除了大气的吸收（也成为大气消光）外，我们在测量时还有来自其他方面的辐射进入测量结果，比如气溶胶的散射，会使测量的结果增加，比如大地的黑体辐射，也会使测量结果增加，这些因素我们统一定义为源函数。 在红外辐射传输时，大地近似为黑体，可以用普朗克函数来代替，而且因为红外线波长较长，一般大于气溶胶的尺度，所以可以不考虑气溶胶的散射增强。 考虑到入射的时候不可能只有垂直入射，所以得加入一个角度，定义，这样可以得到向上的和向下的辐射传输方程：向上的 （1）向下的 （2）这两个式子中定义为垂直光学厚度，有表示穿过某层介质后的衰减的比例，为接近地面的光学厚度。这样，我们令（1）式中的，这样就是穿越了整个大气层的传输方程，可以用于太空遥感。 同样，我们令（2）式中的也就是接受来自大气层外的辐射穿越了整个大气层的传输方程，可以用于地基遥感。上面只是理论方程，做了很多假设，比如假设大气处于热力平衡状态，同时是平面平行的结构。那么我们用这个方程可以做什么事情呢？或者说测得哪些物理量呢？从方程的表达式来看，里面有普朗克函数，该函数是温度的方程，这样我们可以来反演大气温度廓线，也可以来遥感云的温度。 在具体的测量中，当然要知道光学厚度，该物理量与吸收线型，离子的分布密度，高度都有关。这样可以测量痕量气体含量，气溶胶的尺度谱分布。 这里有涉及到空气的成分，比如氮，氧，氖，氩，二氧化碳的体积百分比。 上面说的是黑体辐射，但和真正的黑体是有差别的，所以这又涉及到地面目标的发射率（红外谱段） 表面类型发射率 表面类型 发射率液态水1.0土壤0.90.98新雪0.99草地0.90.95老雪0.82沙漠0.840.91液态水云0.251.0森林0.950.97卷云0.10.9混凝土0.710.9冰0.96城市0.850.87 涉及的线型(1) 压致增宽 由于碰撞增宽导致的线型称为洛仑兹廓线 是理想单色谱线的波数，是二分之一极大值处谱线的半宽（2）多普勒增宽 其中： 多普勒半宽与绝对温度的平方根成正比当然，当电磁波的波长变短时，也就是我们日常所用的可见光波段时，这时就要考虑了空气中粒子的散射问题。这里涉及到两种重要的散射取决粒子的尺度参数，对于球形粒子，它的尺度参数定义为粒子周长与入射波长的之比， ,这里的a是粒子的半径。若x1时为Mie散射。Mie散射的情况要复杂一些。（a） (c)(b)入射光线图中是0.5vm的可见光照射三种尺度的球型气溶胶所产生的散射能量角分布知道上面的信息，可以通过空基和地基遥感来确定相关的参数。现在的气象卫星都有红外波段的通道，有的采用多通道的差分原理，来消除某个参数对测量值的影响；有的采用临边遥感的方式，可以增加对微量气体的灵敏度，同时可以消除地面的辐射影响。地基遥感通常是采用雷达，有激光雷达和多普勒雷达，这些雷达可以遥感气体廓线，降水量，雨滴分布谱，臭氧的含量等等。可以看出，模型很简单，传输方程也很简单。现在很多气象科研人员做的是能够来理清大气中各种参数的相互影响，采用更为精确的模型，得出更为可靠的数据。