地球大气透过率及辐射率计算_百度文库

1、第9卷1期应用气象学报V o l .9,N o .11998年2月QUA R T ERL Y JOU RNAL O F A PPL IED M ET EOROLO GY February 1998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4m 到m ,吸收气体H 2O 、CO 2、O 3的吸收计算采用E lsasser 带模式及其经验参数,H 2O 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 计算结果相一致

2、.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10c m -1,计算分子带吸收、气溶胶消光、H 2O 分子连续吸收的大气平均透过率,分子带吸收由H 2O ,O 3和大气均匀混和气体CO 2,CH 4,N 2O 各自的透过率组成.10c m -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:=f (k w 3(1式中,k 是与波数相关的吸收系数,w 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 0T z

3、 12(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 =s r tan h (hcr 2kT s 0 C s (r ,T +(f 0 C f (r ,T (3函数tan h (x =e x -e -x e x +e -x (4s 是水汽数密度,f 是其它气体的数密度,0是S T P (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:N i =1i k c (r d s =C s (r ,296N i =1i (i 0i d s +C s (r ,260-19

4、960628,19970918.C s (r ,296Ni =1(296-T i 296-260i (i 0i d s +C f (r ,296N i =1i (f 0i d s (5式中,C s (r ,296=r tan h (hcr 2k (296 Cs (r ,296C s (r ,260=r tan h (hcr 2k (260 Cs (r ,260C f (r ,296=r tan h (hcr 2k (296 C f (r ,296C s (r ,T 、C f (r ,T 是水汽自加宽连续吸收系数和外加宽连续吸收系数,C s 、C f 的具体数据见图1.图1(a 水汽自身密度决定

5、的连续吸收参数(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:c =e -N i =1i k c (r d s (6大气均匀混和气体CH 4、N 2O 的7.6m 、7.8m 吸收带透过率模式如下3:=e-(w 3w e (7式中,w e 是环境气压740mm H g 和气温300K ,透过率=e -1时的纯吸收气体含量(单位:c m .w 3是有效吸收含量:w 3=w p zp 0(8p 0=740mm H g ,w 是CH 4、N 2O 的实际含量,经验系数取值:CH 4,=0.46;N 2O ,=0.48.气溶胶消光的透过率函数如下4:=e -r L(9L 是大气路

6、径(km ,r 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4m 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 (r ,T =C 1r 3e c 2r T -1.0(11式中,r 是波数,C 1=1.191068×10-5,C 2=1.438833,B (r ,T 是黑体辐射率(单位:10-7J c m 2s sr 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 0b t +1a B (r

7、 ,T s d a (12a 是分子吸收透过率,s 是分子散射和气溶胶散射透过率,b t 是总透过率:b t =a sB (r ,T 0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大气的气溶胶模式以能见度V IS <5k

8、m 的“雾霾大气”和V IS >23km 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4m 到m ,计算中使用的是41.08°N 、121.07°E 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4m 到m ,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、O 3吸收透过率、CH 4气体吸收透过率、N 2O 气体吸收透过率.4应用和讨论

9、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 ,图2到达地球大气外界的辐射率光谱(1986年1月2日,p 0=1022hPa ,T 0=251.86K ,晴空,41.08°N ,121.07°E 探空资料621应用气象学报9卷 图3水汽透过率和气溶胶消光透过率光谱(说明同图2 图4CO 2、O 3、CH 4和N 2O 透过率光谱(说明同图2基于本模型建立了NOAA 214、G

10、M S 25气象卫星的地球窄波段辐射率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 (+1+2R (sec -1+1+2R (sec -12(13式中R (0和R (分别为卫星视角为0和时的测值,1、2、1、2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

11、文献.A FCRL 2TR 285,1985.3A nding D avid .Band 2model m ethods fo r computing atmo spheric slant 2path mo lecular abso rp ti on .I R I A state 2of 27211期吴晓:地球大气透过率及辐射率计算821应用气象学报9卷the2art repo rt,714222127,Infrared and Op tical Senso r L abo rato ry,W illow R un L abo rato ries,T he Institute of Scien

12、ce and T echno logy,T he U nivevsity of M ich igan.1967.4M cC latchey R A,Fenn R W,Selby J E,V o lz F E,Garing J S.Op tical p roperties of the atmo sphere,A D 753075,A FCRL27220495,1972.2.A FCRL2TR27320745.1972.CALCULAT I ON OF EARTH AT MOSPHER I CTRANS M ISSIV IT Y AND RAD I ANCEW u X iao(N a tiona

13、 l S a tellite M eteorolog ica l Cen ter,B eij ing100081AbstractA si m p lified calcu lati on m ethod of the earth atm o sp heric sp ectrum tran s m issivity and the I R radiance arrived at the top of atm o sp here is in troduced.Sp ectral range is from4m tom.T he E lsasser band m odel and em p iric

14、al p aram eters are u sed to cal2 cu late the ab so rp ti on of H2O,CO2and O3.T he con tinuou s ab so rp ti on of H2O is calcu2 lated by LOW TRAN26em p irical equati on.T he calcu lated resu lts of tran s m issivity are co incided w ith tho se of LOW TRAN.B ased on the si m p lified tran s m issivity m odel,a ra2 diative tran sfer regressi on m odel is set up,and relevan