地球大气透过率及辐射率计算.

1、第9卷1期应用气象学报 V o 1.9,N o .11998 年 2 月 QUA R T ERL Y JOU RNAL 0 FA PPL IED M ET EOROLO GY Febmaiv 1998J地球大气透过率及辐射率计算吴晓（国家卫星气象中心，北京100081提要文章介绍了一种比较简单实用的地球大气的光谱透过率和到达大气层顶的红外 辐射率的计算模型，光谱波长从4Am到ocAm,吸收气体H2O、CO 2、0 3的吸收计算采 用E lsassei带模式及其经验参数,H 20的连续吸收公式是美国LOW TRAN 26计算 程序的水汽连续吸收经验公式.透过率的计算结果与LOW TRAN计算结果

2、相一致. 以这种透过率简化模型为基础，建立了辐射传递正演计算模型，开发了相应软件，并用于卫星遥感射出长波辐射 的资料处理中，取得了良好结果.关键词大气透过率辐射率射出长波辐射1大气透过率的计算模型本文计算中取光谱间距为1 Ocm-1,计算分子带吸收、气溶胶消光、H2O分子 连续吸收的大气平均透过率，分子带吸收由H 20 ,0 3和大气均匀混和气体CO 2,CH 4N2O各自的透过率组成.10c ni-1波数范围内的分子带吸收平均透过率由下列公 式表示1：E=f(kw3(1式中，k是与波数相关的吸收系数m 3是气体分子的有效吸收量,如下式表示: w 3=w (p z p 0 (T OT z 12

3、(2W是吸收气体的实际含量(用g或C m表示,p 0=1个大气压,T 0=293.16K .水汽分子的连续吸收系数2:k c (r =0s r tan h (her 2kT 0s 00 C s (r ,T +(0f 00C f (1 ,T (3 函数 tail h (x =e x -e -xex+e -x (40s是水汽数密度,Of是其它气体的数密度Q0是STP (气压1013hPa .气温296K状态下的空气数密度.分为N层的大气柱的水汽连续吸收率则为：XN i =lji k c (r d s =C s (r ,296N i =lji (0i O0i d s +C s (r ,260-旦 1

4、9960628,19970918.C s (r ,296N1 =1(296-T 1 296-260fi (0i O0i d s +C f(r ,296N i =l/i (0fO0i d s (5式中，C s (1,296=1 tan h (her 2k (296 Cs (r、296C s (r ,260=i tan h (her 2k (260 Cs (1,260C f (r ,296=1 tan h (her 2k (296 C f (r ,296C s (r ,T、Cf (r ,T 是水汽自加 宽连续吸收系数和外加宽连续吸收系数,Cs、Cf的具体数据见图1-图1 (a水汽自身密度决定的连续

5、吸收参数 (b外密度决定的水汽连续吸收 参数垂直大气柱的水汽连续吸收透过率函数：Ec =e -N i =lji k c (r d s (6大气均匀混和气体CH 4、N20的7.6Am、7.8Am吸收带透过率模式如下3：L=e-(w 3w e r(7式中,w e是环境气压74011U11H g和气温300K，透过率I=e-1时的纯吸收气体含量(单位IC ill AV 3是有效吸收含量】w 3=w p zP°(8p 0=740nmi H g ,w 是 CH 4、N2O 的实际含量，经验系数r取值:ch 4,r=o.46;N 20 ,r=0.48.气溶胶消光的透过率函数如下4:I=e -r

6、 3 L(93 L是大气路径(km 是气溶胶消光系数.r=b +k(10b是气溶胶散射系数,k是气溶胶吸收系数2地球大气辐射模型对于4Am以上的长波区，地球表面辐射作为黑体辐射处 理，其辐射率由普朗克函数表示：B(i,T =C 11 3e c 2r T -1.0(11式中丄是波数,C l=1.191068xl0-5,C 2=1.438833,B (r ,T是黑体辐射率(单位：10-7J cm2 - s - si - c m -1.5211期吴晓:地球大气透过率及辐射率计算穿过地球大气到达外界的辐射率B (r ,T '由辐射传递积分方程表示:B (r ,T =B (r ,T OSb t

7、+Jl£a B (r ,T Zs d la (12Sa是分子吸收透过率Qs是分子散射和气溶胶散射透过率Qb t是总透过率：Eb t =Sa EsB(r,TO是地表辐射率为简化计算过程,在辐射传递计算中作了如下处理：(1大气分为40层均质层，从海平面到60km ,60km以上的大气忽略不计.(2折射 效应没有包括进大气路径的计算中.(310c m-1波数区间的平均透过率用一个特殊的 参数化的经验公式表示，它可表示为吸收系数和有效吸收路径量乘积的函数.(4在给 定波数的10c m-1区间内的总平均透过率是分子吸收带透过率、气溶胶消光透过 率、水汽连续吸收透过率的乘积.(5大气的气溶胶模式

8、以能见度V IS <5km的“雾霾 大气，和V IS >23kin的“干洁大气”两类状态为标准.(6计算中未考虑散射的影响.3大气透过率和辐射率计算结果大气透过率和辐射率的计算结果举例在图2至图4中给出.图2表示到达大气层顶的辐射率，光谱波长从4Am到ooAm ,计算中使用的是 41.08°N、121.07花1986年1月2日的晴空探空资料,能见度5km.图3表示大气整层的水汽透过率和气溶胶消光透过率，光谱波长从4Ain到 Ain，探空资料同图2,气溶胶模式是“雾霾大气"模式.图4表示大气整层的CO 2气体吸收透过率、0 3吸收透过率、CH4气体吸收 透过率、N

9、2O气体吸收透过率4应用和讨论本计算模型是基于美国A FGL LOW TRAN 5,6,7计算结构，透过率计算的精 度、射出长波辐射率计算的精度基本满足要求.计算中使用的探空资料是1986年全球各台站探空资料、每条廓线的计算结果适用于辐射传递理论方面的应用和卫星遥 测资料的模拟7 100g 90L 80:700 “图2到达地球大气外界的辐射率光谱（1986年1月2日,p 0=10221iPa ,T0=251.86K,晴空,41.08°N ,121.07°E探空资料621应用气象学报9卷oooooooo o o 98765432 11图3水汽透过率和气溶胶消光透过率光谱（说明

10、同图2(<)時以钞/尸水汽连续吸收/水汽带吸收* 汽连续吸收/I 7、W溶 /气瘠胶豔 水汽带吸收/100300500700900 1100 1300 1500 1700 1900 2100 2300 25波数(cm-)图4 CO 2、0 3、CH4和N 20透过率光谱(说明同图2基于本模型建立了NOAA214、GMS25气象卫星的地球窄波段辐射率一长波射出辐射通量密度的辐 射转换模式,取得较好效果利用本计算模型开发出简单实用的辐射传递计算软件，此 软件在卫星遥感地气系统射出长波辐射(OL R资料处理中得到应用、例如卫星遥感 资料的临边变暗订正公式8R (0=R (H+A1+A2R (H

11、(sec H-l十E1+B2R (H(sec H-12(13式中R (0和R (H分别为卫星视角为0和H 时的测值,Al、A2、El、B2为临边变暗系数窄波段通道温度T B到全波段通量密度亮温T F的变换公式：T F =a +b T B +cT 2B(14利用本正演软件，通过正演模拟计算可确定临边变暗系数和转换公式(14中 的系数a、b、c .参考文献1 E lsassei WM CulbertsonMF A tmo spheiic R adiati onT ables M eteo io logicalM onogiaph s .AM S .1960.43.2 A FCRL .ed .“A

12、tmo spheric trans m ittance radiance :Computer code LOW TRAN 26”.A FCRL 2TR 285,1985.3 A ndmg D avid .Band 2model m etliods fo r computmg atmo sphene slant 2patli mo leculai abso ip ti on .1 RI A state 2of 27211期吴 晓地球大气透过率及辐射率计算8219卷应用气象学报the2an repo n J14222127,InfLaied and Op deal Senso 1 L abo la

13、to lyW illow R un L abo lato lies.T he Institute of Science and T echno logy.T he U mvevsity of M icli igan.1967.4 M cC latchey R A,Fenn R W,Selby J E,V o lz F E,Ganng J S.Op tical p loperties of the atmo sphere,A D 753075,A FCRL27220495,1972.5 Kiieizys F Y,Shettle E P.Gallerg W O“A tmo spheric tran

14、s m ittance radiance:T he LOW TRAN5Code”.SP IE V o 1.277,A tmo sphene T rails m issi on.1981.119.6 Selby J E A and M cC latchey R A.A tmo spheric trans m ittance from0.25to28.5Ain:Computer code LOW TRAN22.A FCRL2TR27320745.1972.7上海技术物理研究所编可见光和红外辐射在大气中的透过率中国科学院上 海技术物理研究所出版-1972.8吴晓、邱康睦,阴立新.NOAA极轨气象卫星

15、的地气射出长波辐射产品.卫星 气象技术报告,9323期,1993.CALCULAT I ON OF EARTH AT MOSPHERI CTRANS M ISSIV IT Y AND RAD IANCEW u X lao(N a tiona 1 S a tellite M eteoiolog ica 1 Cen tei;B eij ing 100081AbstractA si m p lified calcu lati on m etliod of the eai th atm o sp henc sp ectnim tian s m issivity and the I R radiance

16、 ainved at the top of atm o sp here is m troduced.Sp ectial range is from4Am toco Am. T he E lsasser band m odel and em p iiical p aram eters are u sed to cal2 cu late the ab so ip ti on of H2O,CO2and O3.T he con tinuou s ab so ip ti on of H2O is calcu2 lated by LOW TRAN26em p meal equati on.T he calcu lated resu Its of tian s m issivity are co mcided w lth tlio se of LOW TRANB ased on the si m p lified trail s m issivity m odel,a ia2 diative tian sfer leg