兰州大学《卫星气象学》第3章-气象卫星遥感大气的基本原理-1

1、1卫星气象学电子课件（第一版） 电子版（第一版）电子版（第一版） 2卫星气象学电子课件（第一版） 3卫星气象学电子课件（第一版） u 3.1 电磁波谱和辐射度量 u 3.2 辐射基本定律及传输方程 u 3.3 太阳短波辐射在大气中的传输 u 3.4 长波辐射在大气中的传输 u 3.5 卫星接收到的辐射 章节内容章节内容 4卫星气象学电子课件（第一版） 气象卫星遥感地球大气的温度、 湿度、云雨演变等气象要素,是通过 探测地球大气系统发射或反射的电磁 波而实现的。因此，电磁辐射是气象 卫星遥感的基础。 3.1 电磁波谱和辐射度量电磁波谱和辐射度量 5卫星气象学电子课件（第一版） 不同波长的电磁波有

2、不同的物理特性，因此可以用波长来区分辐射， 并给以不同的名称，称之为电磁波谱。 紫外线：UV-C(0.150-0.28) UV-B(0.28-0.315), UV-A(0.315-0.4), unit: um 红外线：近红外(0.7-2.5)，远红外(2.5-1000)；微波：1mm到1m波段。 与大气辐射能量传输有 关的电磁波谱大多数都 位于紫外光和微波之间 3.1.1 3.1.1 电磁波谱电磁波谱 6卫星气象学电子课件（第一版） 电子跃迁 可见光 宇 宙 射 线 r 射 线 紫 外 线 X 射 线 可 见 光 红 外 线 亚 毫 米 波 毫 米 波 分 米 波 厘 米 波 微 波 超 短

3、波 短 波 中 波 长 波 无 线 电 波 迟缓电振荡 光光 谱谱 区区 1nm 1 m 1cm 1m 波波 长长 3 1022 3 1020 3 1018 3 1016 3 1014 3 1012 3 1010 3 108 3 106 3 104 3 102 频率频率(Hz) 近 红 外中红外远 红 外 1.5 15 750 m 紫 蓝 青 绿 黄 橙 红 0.40 0.43 0.45 0.50 0.57 0.60 0.63 0.76 m 分子振动转动 电 离电磁振荡 太阳 地球大气 辐射 产生机制产生机制 电磁波谱电磁波谱 7卫星气象学电子课件（第一版） p 射线：波长射线：波长10-11

4、-10-4nm 产生：放射性元素蜕变；特征：具有很高的能量，几兆电子伏特产生：放射性元素蜕变；特征：具有很高的能量，几兆电子伏特 p x 射线：波长射线：波长10-5-0.0045 m 产生：原子内部的电子从激发态恢复到稳态；产生：原子内部的电子从激发态恢复到稳态； 特征：波长短，频率高能穿透密度很大的物质。特征：波长短，频率高能穿透密度很大的物质。 p 紫外线：波长紫外线：波长10-5-0.35 m 产生：原子和分子内部的电子状态改变；产生：原子和分子内部的电子状态改变； 特征：频率较高，各种物质对短的紫外线有吸收。特征：频率较高，各种物质对短的紫外线有吸收。 p 可见光：波长可见光：波长0

5、.35 -0.76 m 产生：原子内部的电子状态；产生：原子内部的电子状态； 特征：特征： 对人眼有特殊的刺激。对人眼有特殊的刺激。 p 红外线：波长红外线：波长0.76 -1000 m 产生：分子、原子的振动转动；产生：分子、原子的振动转动； 特特 征：与温度有关。征：与温度有关。 p 微波：波长微波：波长1mm -30cm。大于。大于30cm的波称无线电波的波称无线电波 产生：内部分子的转动引起的。产生：内部分子的转动引起的。 8卫星气象学电子课件（第一版） = c, E = hv = h c / 1、电磁波谱基本公式：、电磁波谱基本公式： E ：能量：能量 (joules, or j)

6、h ： 普朗克常数普朗克常数 (6.63 x 10-34 j s) v ： 频率频率 (1/s or s-1) c ：真空中的光速：真空中的光速(m/s) ：波长：波长 (m) 9卫星气象学电子课件（第一版） 2、电磁波各参数的关系和使用单位、电磁波各参数的关系和使用单位 p参数：参数： 波长波长 波数（单位长度内含有的波数，波长的倒数）波数（单位长度内含有的波数，波长的倒数） f 频率频率 c 光速光速=3 108米米/秒。秒。 c = f 波在真空中的速度。波在真空中的速度。 n = /n 波在介质的波长。波在介质的波长。 V= f n 波在介质中的速度。波在介质中的速度。 n = ( r

7、/ r)1/2 介质折射指数。介质折射指数。 r 介电常数介电常数, r导磁率。导磁率。 p关系：关系： f = c f = C/ = c/f = 1/ = f/c p单位：单位： 1千兆赫千兆赫(GHz) = 103兆赫兆赫(MHz) = 106千赫千赫(KHz) = 109赫赫(Hz) 1米米(m) = 102厘米厘米(cm) = 103毫米毫米(mm) = 106微米微米( m) = 109纳米纳米(nm) 10卫星气象学电子课件（第一版） 从量子的观点看，电磁辐射可以看作是一粒一粒以光速从量子的观点看，电磁辐射可以看作是一粒一粒以光速c运动的粒运动的粒 子流，这些粒子称为光量子，每一光

8、量子具有的能量为子流，这些粒子称为光量子，每一光量子具有的能量为 Q = hf (Q 能量，能量，h 普朗克常数普朗克常数) 电磁辐射看成是粒子，就一定有质量电磁辐射看成是粒子，就一定有质量m和动量和动量p。 m = Q/c2 = hf/c2 p = mc = h/ = hf/c 电磁辐射的发射或吸收是由于物质内原子或分子的能量状态发生电磁辐射的发射或吸收是由于物质内原子或分子的能量状态发生 改变引起的，若物质中原子的状态由高能级改变引起的，若物质中原子的状态由高能级EJ跃迁到低能级跃迁到低能级EI，便发，便发 出辐射；若从出辐射；若从EJ EI便要吸收辐射。发出或吸收辐射时光量子的频率便要吸

9、收辐射。发出或吸收辐射时光量子的频率 f = (EJ EI)/h 电磁辐射既有电磁辐射既有波动特性波动特性，也有，也有粒子特性粒子特性。波长较长的可见、红外波长较长的可见、红外 线波动性表现明显；波长较短的线波动性表现明显；波长较短的r、x射线，其粒子性表现明显。射线，其粒子性表现明显。 3、电磁波的量子特性、电磁波的量子特性 11卫星气象学电子课件（第一版） 3.1.2 3.1.2 描述辐射的基本物理量描述辐射的基本物理量 预备知识：预备知识： 通量的概念：通量的概念：单位时间内通过某一表面的辐射能（传递速率）单位时间内通过某一表面的辐射能（传递速率） 平方反比定律平方反比定律：表示辐射能通

10、过空间传播方式的原则，表示光表示辐射能通过空间传播方式的原则，表示光 的强度与到光源的距离的平方成反比。的强度与到光源的距离的平方成反比。 12卫星气象学电子课件（第一版） 立体角概念立体角概念：锥体所拦截的球面积与半径r的平方之比，单 位为球面度（sr: Steradians）。 2 r 13卫星气象学电子课件（第一版） 那么立体角如何计算？那么立体角如何计算？（长方形面积微元求解公式）（长方形面积微元求解公式） 14卫星气象学电子课件（第一版） 辐射场物理量包括：辐射场物理量包括： 辐射能； 辐射功率； 辐射强度； 辐射通量密度； 辐亮度，等。 15卫星气象学电子课件（第一版） u辐射能Q

11、：焦耳、热力学卡（1k=4.1840J） u辐射功率（或Radiant Flux 辐射通量W） 单位时间内通过任意表面的辐射能量，单位J/s dQ dt I d d u辐射强度I：点辐射源在某方 向上单位立体角内传送的辐 射通量 16卫星气象学电子课件（第一版） 当表示面元接受的E时，又称辐照度（Irradiance）； 表示从物体表面发射出的E，又称辐出度、辐射度、辐射能 （Emittance）。 ddQ E dAdtdA u辐射通量密度E (Radiant Flux Density) 单位时间通过单位面积的辐射功率，单位为W/m2。 设面元为dA，则E为： 17卫星气象学电子课件（第一版）

12、 辐亮度辐亮度 L（辐射率（辐射率, Radiance , Radiance ）： 单位立体角、单位时间、单位面积所通过的辐射能量， 单位为 Wm-2sr-1 . 18卫星气象学电子课件（第一版） 沿沿S方向传输方向传输 （1）辐射源表面）辐射源表面dA在单位面积单位时间内向在单位面积单位时间内向S方向方向单位立体单位立体 角内发射的辐射能角内发射的辐射能, 称为向称为向S方向的辐亮度方向的辐亮度： L(s) = L( , ) = 3Q/ A tcos （2）辐射接收面）辐射接收面dA 其单位面积在单位时间内从其单位面积在单位时间内从S方向方向单位立单位立 体角内接收的辐射能体角内接收的辐射能

13、, 称为来自称为来自S方向的辐亮度方向的辐亮度： L(s) = L( , ) = 3Q/ A tcos d A d s n d d A s n 19卫星气象学电子课件（第一版） 如果辐射率与方向无关如果辐射率与方向无关, 则称各向同性则称各向同性, 这样的源称这样的源称朗伯源。朗伯源。 如果考虑整个空间，则对所有角求积分，再除以如果考虑整个空间，则对所有角求积分，再除以4 ，就得平，就得平 均的辐射率均的辐射率 若辐射是方位对称的，则上式为若辐射是方位对称的，则上式为 2 00 1 ( , )sin 4 LLd d 0 1 () sin 2 LLd 20卫星气象学电子课件（第一版） Q0 =

14、Qa + Qr + Qt 吸收率吸收率A = Qa / Q0 反射率反射率R = Qr / Q0 透过率透过率 = Qt / Q0 A + R + = 1 吸收率、反射率和透射率吸收率、反射率和透射率 对单色辐射，称为单色吸收率、反射 率和透射率，分别记为Al , Rl , l 。 各种物体对不同波长的辐射具有不同 的吸收率与发射率，构成了该物体的 吸收光谱或辐射光谱。 反照率：反照率：反射辐射通量与入射辐射通 量之比。 21卫星气象学电子课件（第一版） 3.2 辐射基本定律及传输方程辐射基本定律及传输方程 3.2.1 辐射体和辐射平衡辐射体和辐射平衡 3.2.2 辐射基本定律辐射基本定律 3

15、.2.3 辐射传输方程辐射传输方程 22卫星气象学电子课件（第一版） u绝对黑体：所有波长吸收率均为1，A = 1。 u单色黑体：某一波长吸收率为1，Al = 1 。 u灰 体 ：吸收率不随波长变化，但小于1。 1859年，德国物理学家Kirchhoff辐射定律指出物体在已 知温度下，对辐射能之放射率或吸收率与物体表面之性 质有关。而黑色物质对辐射能具有较大的吸收能力。如 果一个物体在任何温度下能吸收任何频率的辐射能，那 么这个物体便称为黑体。事实上，完全黑体并不存在， 研究黑体辐射时，常以人工制成一完全黑体讨论之。如 图所示，当外界辐射能经由小孔射于空腔时，此辐射能 经过多次反射后，几乎无机

16、会再由小孔出现，故可视为 辐射能被空腔所完全吸收，而称之以完全黑体。若加热 此物体至某一温度，观察由小孔辐射出之光谱，其光谱 与在同一温度之黑体黑体所吸收辐射者，完全相同。 3.2.1 辐射体和辐射平衡辐射体和辐射平衡 23卫星气象学电子课件（第一版） 由于辐射体发射的辐射随波长而变，所以发射率也是波长 的函数，写为()。对于1 2 波长间隔的发射率为 n：辐射表面法线方向的发射率：辐射表面法线方向的发射率 ：与辐射表面法线成：与辐射表面法线成 角方向的发射率角方向的发射率 2 1 2 1 )( )()( dM dM Emissivity (发射率发射率, 比辐射率比辐射率, ）：指同一温度下

17、辐射 体的出射度M与黑体的出射度M的比值，它表征了物体的 辐射能力。 = M/M 0,1 24卫星气象学电子课件（第一版） 辐射平衡状态辐射平衡状态 吸收和发射辐射能量相等： 1）物质热状况保持不变，可用一确定温度表示； 2）各向同性。 地球大气系统，它不是孤立的，由于受到太阳辐射等的作用 ，且大气内存有温度剃度，因此没有完全的热力平衡。 局地辐射平衡状态局地辐射平衡状态 如果辐射热交换过程相当缓慢，物体中内能的分布来得及变 化均匀，这时物体的温度虽然在变化，但每一给定瞬间，物 体的状态可以看作是平衡的，仍可用一定温度来描述。 地球大气中的辐射过程，一般认为地面至50公里以下的大气 处于局地辐

18、射平衡状态。 25卫星气象学电子课件（第一版） 1. 基尔霍夫定律基尔霍夫定律 3.2.2 辐射基本定律辐射基本定律 在辐射平衡条件下，任何物体的单色辐射通量密度FT与吸收系 数AT成正比关系，二者比值只是波长和温度的函数，与物体性 质无关。任何物体的辐出度和它的吸收率之比都等于同一温度下 黑体的辐出度FB。 , T B T F FT A 比辐射率 , T为物体的发射能力F , T和黑体的辐射能力FB (l , T )之比， 物理意义：1）一物体在一定温度下发射某一波长的辐射，则该物体在同 一温度下吸收这种波长的辐射。2）一个良好的吸收体，在同一温度下、 相同波长处，也一定是一个良好的发射体；

19、反之亦然。 ,TT A 26卫星气象学电子课件（第一版） Gustav Robert Kirchhoff (1824-1887) 德国物理学家 1859: Kirchhoffs Law 光谱学、电学 发现了铯和铷 27卫星气象学电子课件（第一版） 2. 普朗克定律普朗克定律 u对于绝对黑体物质，单色辐射通量密度与发射物质的温度 和辐射波长或频率的关系： 物理意义：物理意义： u黑体辐射与物质组成无关 u黑体辐射强度随温度增高而增大（Stefan-Boltzmann定律） u最大强度的波长随温度增高而减小（Wien位移定律） 2 2 /11 1 55 2 ( , )(1)(1) ch CTk T

20、 B Cc h FTee 2/ 1 1 5 1 (,)(,)(1) CT B C BTFTe 普朗克函数(黑体分光辐亮度) 28卫星气象学电子课件（第一版） Max Planck (1858-1947) 德国物理学家 1901: Plancks Law 1918: Nobel Prize Quantum theory 29卫星气象学电子课件（第一版） u黑体的积分辐射通量密度与温度的4次方成正比 u由温度可以求出绝对黑体的积分辐射通量密度；反之， 也可由积分辐射通量密度反求其温度，这就是用辐射方 法测量物体温度的基础。 u将太阳视作绝对黑体而计算出的温度称为太阳的有效温 度，约为5777K，与

21、太阳表面的实际温度略有差异。如 果不是绝对黑体，计算出的温度就会偏低。 4 T FBT 3. 斯蒂芬波尔兹曼定律斯蒂芬波尔兹曼定律 30卫星气象学电子课件（第一版） Joseph Stefan (1835-1893) 奥地利物理学家、诗人 1884: Stefan-Boltzmann law 热学、电磁学 1904: Nobel Prize Ludwig Boltzmann (1844-1906) 奥地利物理学家 1884: Stefan-Boltzmann law 理论推导、统计力学 31卫星气象学电子课件（第一版） u表明：光谱辐射峰值波长与温度之间的关系表明：光谱辐射峰值波长与温度之间的

22、关系 黑体辐射最大单色通量密度与它的温度成反比。 例如：对6000 K黑体，l max = 0.42 m（蓝色光） u由辐射最强的波长也可以确定绝对黑体的温度光谱方法 测定物体温度的基础。 u由维恩位移定律求出的温度称为色温。 max 2897.8()TmK 4. 维恩位移定律维恩位移定律 32卫星气象学电子课件（第一版） 33卫星气象学电子课件（第一版） Planck function Wiens LawStefan-Boltzman law BLACKBODY RADIATION T = temperature (K) =Stefan-Boltzman constant 34卫星气象学电子

23、课件（第一版） 辐射体的温度辐射体的温度 从黑体辐射定律知道，物体的辐射量都与温度有关。 对于一定的温度，就有一定的辐射光谱分布；反过来， 对于一定的辐射光谱分布，可以求取物体的温度。 但是，实际物体并非都是黑体，在实际应用中，须考虑 辐射率的影响，为方便定义几种不同的温度。 35卫星气象学电子课件（第一版） u 有效温度（有效温度（T Te e）: : 如果温度为如果温度为T T的物体的出射度为的物体的出射度为M M (T)(T) ，又设想，又设想M(T)M(T)为温为温 度为度为T Te e的黑体发出的，即的黑体发出的，即M(TM(Te e)= M)= M (T)(T)，则黑体的温度，则黑

24、体的温度T Te e 称 称 为该物体的为该物体的有效温度有效温度。 根据斯蒂芬根据斯蒂芬- -波尔兹曼定律得波尔兹曼定律得 由于物体的发射率小于由于物体的发射率小于1 1，所以，所以 T T T Te e 有效温度（有效温度（T Te e），也称为等效黑体温度。），也称为等效黑体温度。 4 () e MT T 36卫星气象学电子课件（第一版） u 色温度（色温度（TcTc）: : 如果物体的辐射光谱分布与温度为如果物体的辐射光谱分布与温度为TcTc的黑体的辐射光谱分布相同的黑体的辐射光谱分布相同, ,则则 称称TcTc为该物体的色温度。为该物体的色温度。 u 亮度温度（亮度温度（T Tb b

25、）: : 在给定波长处，如果物体的辐射亮度在给定波长处，如果物体的辐射亮度L L （T T）与温度为）与温度为T Tb b的黑体辐射的黑体辐射 亮度相等，即亮度相等，即L L （ （T T）=B=B （ （T Tb b）则则称称T Tb b为该物体的为该物体的亮度温度。根据普朗亮度温度。根据普朗 克公式克公式 1)exp( 2 )( 5 2 b b T hchc TB 2 5 2 ln 1 () b b h c T h c BT 亮度温度（亮度温度（T Tb b）又称等效黑体温度或辐射温度）又称等效黑体温度或辐射温度。 由于由于B B （ （T T） L L （ （T T） = =B B （

26、（T Tb b），所以），所以T Tb b T T。 可得可得 37卫星气象学电子课件（第一版） 散射 吸收 发射 1 Ld L L 辐射传输示意图 3.2.3 辐射传输方程辐射传输方程 dz 38卫星气象学电子课件（第一版） 辐射率L通过纯吸收介质 dz 距离，辐射改变量-dL与吸 收气体的含量dz、L成正比 式中 吸收气体的密度， 分谱质量吸收系数（厘米2克-1） ，它是给定介质热力状态的函数， 是体积吸收系 数（厘米-1）。对上式沿 0z 积分得 L0是辐射进入介质时的分谱辐射率。这就是比尔吸收定律。 式中指数部分 称为光学厚度，而把 称做光学 路径或光程。 对于均匀介质， k 、与 z

27、 无关 0 z ka(z)dz 0 z (z)dz 1、吸收 39卫星气象学电子课件（第一版） 2、散射 辐射率L以di散射至介质体积元dV处，在s方向的散射辐射为 体积散射分布函数 对所有散射方向积分，得到体积散射系数 质量散射系数 对于纯散射介质，辐射减弱为： 体积发射系数 散射辐射的源函数： 40卫星气象学电子课件（第一版） 如果入射与散射方向的夹角为散射角， 引入相函数： 表征散射辐射的空间分布 散射辐射可表示为： 或 纯散射介质的辐射传输方程为： 或 41卫星气象学电子课件（第一版） dL1k a k s LdzkLdz dL1因介质与辐射的相互作用而引起辐射的改变量， k表示波长处

28、的质量消光截面（质量吸收截面+质量散 射截面）为介质的密度。 p 辐射强度L在它的传播方向上通过厚度为dz的介质后 变为 , 1 LdL 42卫星气象学电子课件（第一版） p 一方面，辐射强度由物质对辐射的吸收和散射而减弱；另 一方面，辐射强度也可以由同波长处物质的发射和多次散射而 增强，辐射增强量为 dL2因介质发射引起辐射的改变量， j（z）介质发射辐射的源函数系数，即质量发射系数。 因此，辐射通过小气柱后总的辐射贡献为 2( ) ( ) ( )dLzjzz dz 12 dLdLdLkL dzjdz 43卫星气象学电子课件（第一版） 定义源函数（source function； ）： J k j J )()(zJzL dzk dL 因此，我们得到 这就是不加任何坐标系的普遍的辐射传输方程，它是讨论 任何辐射传输过程的基础。 （3.1） 44卫星气象学电子课件（第一版） 平面平行大