辐射基础知识

关于辐射基础知识第2页,共79页，2024年2月25日，星期天电磁辐射是气象卫星遥感的基础图象基本识别应用卫星资料探测原理电磁波谱基本辐射量基本辐射定律辐射在地球大气系统传输规律第3页,共79页，2024年2月25日，星期天一、电磁波谱电磁波：是能量的一种，凡是能够释出能量的物体，都会释出电磁波。（高于绝对零度）电磁波谱：为了对各种电磁波有个全面的了解，人们按照波长或频率的顺序把电磁波排列起来，这就是电磁波谱第4页,共79页，2024年2月25日，星期天电磁波跟水波声波等一样λ--电磁波波长ƒ--电磁波频率c--电磁波传播速度波数—C的倒数第5页,共79页，2024年2月25日，星期天电磁波谱第6页,共79页，2024年2月25日，星期天第7页,共79页，2024年2月25日，星期天γ射线放射性元素蜕变时产生从10-11—10-4纳米能量很高，能穿透非常稠密的物质第8页,共79页，2024年2月25日，星期天Χ射线原子内部的电子从激发态恢复到稳态产生的有较高的频率0.0045—10-5微米能穿透密度很大的物质第9页,共79页，2024年2月25日，星期天紫外线原子和分子内部电子状态的改变引起的0.35—0.0045微米频率较高各种物质对短的紫外线波都有强烈的吸收第10页,共79页，2024年2月25日，星期天可见光狭窄的波长间隔0.35—0.76微米对人眼的网膜施以一种特殊的刺激而引起视觉短紫外（紫蓝绿黄橙红）红外长第11页,共79页，2024年2月25日，星期天红外线0.76—1000微米分子原子的振动转动产生短（近中远）长在红外线照射下，组织温度升高，热辐射、温度辐射第12页,共79页，2024年2月25日，星期天微波1毫米-30厘米微波炉、天气雷达10厘米无线电波大于30厘米第13页,共79页，2024年2月25日，星期天在气象卫星遥感中，主要采用可见光波段(0.35-0.76微米)红外波段(0.76-1000微米)微波波段(1mm-30cm)

（图像）第14页,共79页，2024年2月25日，星期天微波1.58厘米探测有云时的洪水第15页,共79页，2024年2月25日，星期天AMSU-A微波反演可降水总量第16页,共79页，2024年2月25日，星期天(1)与波相关的几个量

电磁波在真空中的传播速度是

2.997925±0.000003×1010cm/s

3×108m/s

每秒30万公里二、基本的辐射量第17页,共79页，2024年2月25日，星期天电磁波的量子特性从量子观点看：电磁辐射可以看作是一粒一粒以光速c运动的粒子流，这些粒子称为光量子第18页,共79页，2024年2月25日，星期天光谱—任何物体只要其温度大于0K都会发出电磁辐射。电磁辐射能量的大小与波长成反比，波长越短，能量越大。第19页,共79页，2024年2月25日，星期天与能量相关的几个量辐射能电磁波携带的能量或物体发射的全部能量用来量度辐射做物理功的本领第20页,共79页，2024年2月25日，星期天辐射通量(j/s,w)单位时间内通过某一表面的辐射能表示了辐射能传递的时间速率第21页,共79页，2024年2月25日，星期天辐射通量密度(wm-2)通过单位面积的辐射通量第22页,共79页，2024年2月25日，星期天辐照度投入到平表面上的辐射通量密度出射度(辐出度,辐射率)辐射体表面射出的辐射通量密度第23页,共79页，2024年2月25日，星期天电磁辐射包括太阳辐射、热辐射、无线电波等，

它的波长范围很广

从10-10微米（宇宙射线）到1010微米（无线电波）第24页,共79页，2024年2月25日，星期天电磁辐射包括太阳辐射热辐射无线电波等第25页,共79页，2024年2月25日，星期天太阳高度角：是指太阳光的入射方向和地平面之间的夹角太阳方位角：太阳方位角即太阳所在的方位，指太阳光线在地平面上的投影与当地子午线（南向）的夹角第26页,共79页，2024年2月25日，星期天当辐射通过介质时，

部分将透过，

部分被吸收，

部分被反射（散射）。

三部分辐射的总和等于入射到介质的辐射能量。第27页,共79页，2024年2月25日，星期天吸收率反射率透过率第28页,共79页，2024年2月25日，星期天辐射定律

（基本辐射定律）第29页,共79页，2024年2月25日，星期天黑体如果某一物体在任何温度下，对任意方向和任意波长，其吸收率（或发射率）都等于1第30页,共79页，2024年2月25日，星期天灰体如果物体的吸收率与波长无关，且为小于1的常数第31页,共79页，2024年2月25日，星期天选择性辐射体物体的吸收率（或发射率）随波长而变在自然界中绝大多数物体是选择性辐射体第32页,共79页，2024年2月25日，星期天不少选择性辐射体在某些波长间隔内的吸收率随波长变化很小，可以近似看作灰体

在红外波段，不少物体的吸收率近似为1，可看做黑体第33页,共79页，2024年2月25日，星期天发射率（比辐射率）将辐射体的辐射通量密度与具有同一温度的黑体的辐射通量密度作比值其值介于0与1之间第34页,共79页，2024年2月25日，星期天辐射平衡

如果一个物体在某一温度从外界得到辐射能量，恰等于物体因辐射而失去的能量，

则物体的热辐射达到平衡，

使温度保持不变第35页,共79页，2024年2月25日，星期天大气中没有完全的热力平衡

局地热力平衡

设想大气中存在如下状态

气体的每一体积元处在热力平衡状态中（对这个体积温度而言）第36页,共79页，2024年2月25日，星期天以下定律

都在热力平衡条件下成立第37页,共79页，2024年2月25日，星期天当黑体的温度升高时，最大辐射值朝短波方向移动

太阳6000K，最大辐射波长0.47微米

地球256K，最大辐射波长10微米

维恩位移定律第38页,共79页，2024年2月25日，星期天第39页,共79页，2024年2月25日，星期天黑体的全波长辐射本领与绝对温度的4次方成正比

黑体温度只要有很小的变化，就会引起辐射很大的变化

对于用辐射精确推算温度十分有利

斯帝芬-波耳兹曼定律第40页,共79页，2024年2月25日，星期天第41页,共79页，2024年2月25日，星期天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

基尔霍夫定律第42页,共79页，2024年2月25日，星期天一物体是好的吸收体

也是好的发射体

反之亦然

基尔霍夫定律第43页,共79页，2024年2月25日，星期天亮度温度Tb

如果物体发射的辐射亮度（辐射强度）与温度为Tb的黑体辐射亮度相等

黑体的温度Tb

叫做该物体的亮度温度第44页,共79页，2024年2月25日，星期天亮度温度比实际温度低第45页,共79页，2024年2月25日，星期天亮度温度是

用卫星测到的辐射能的值

计算出来的(使用辐射定律)第46页,共79页，2024年2月25日，星期天黑体物体卫星100100120100100实际温度亮度温度辐射能辐射能第47页,共79页，2024年2月25日，星期天亮度温度

10.3—12.5微米

等效黑体温度TBB

BlackBodyTemperature第48页,共79页，2024年2月25日，星期天在无云或少云区

TBB是地表黑体辐射温度,值较高

TBB高值区常与高气压系统相对应第49页,共79页，2024年2月25日，星期天在云区里

TBB是云顶的辐射温度,值较低

TBB低值区一般为云区

尤其是夏季和热带地区第50页,共79页，2024年2月25日，星期天冬季高纬地区和青藏高原

地表温度很低(等于或低于云顶)

难以区分无云区和中低云区第51页,共79页，2024年2月25日，星期天第52页,共79页，2024年2月25日，星期天OLR产品不是卫星观测的直接结果，是要利用经验的理论的方法，通过计算所得到的,属于所谓二次产品。OutgoingLongwaveRadiation

OLR(5-50微米)

第53页,共79页，2024年2月25日，星期天OutgoingLongwaveRadiation

OLR(5-50微米)

窗区亮温等效通量温度第54页,共79页，2024年2月25日，星期天OLR(W/m2)和TBB

不同：物理意义、单位

相同：时间变化和空间分布

第55页,共79页，2024年2月25日，星期天OLR应用OLR与热带大气环流OLR与大气低频振荡OLR反演的热带散度风对ENSO的监测OLR与亚洲季风OLR与中国旱涝及西太平洋台风OLR与强地震预报第56页,共79页，2024年2月25日，星期天OLR产品要大范围、长时间的累计，才更能显示出其潜在的价值。第57页,共79页，2024年2月25日，星期天举例云量大，OLR低，数值红外云图云顶温度低，OLR低，对流强OLR小，对流强，上升强，低层辐合，高层辐散；凝结释放潜热量大雨量大晴空洋面上OLR=SST用OLR〈240W/m2表征ITCZ，最小值连线第58页,共79页，2024年2月25日，星期天OLR表征ITCZ第59页,共79页，2024年2月25日，星期天四、太阳和地气系统的辐射光谱第60页,共79页，2024年2月25日，星期天太阳辐射在大气中的传输特性

太阳是一个巨大的火球

直径约139.14万公里

是地球直径的104倍

太阳离地球的平均距离为1.495×108公里第61页,共79页，2024年2月25日，星期天太阳常数

太阳常数是指在不考虑大气作用，在平均日—地距离处，垂直于太阳入射的表面上接收到太阳的辐照度。根据高空气球，飞机，卫星测量到的太阳常数数值为1353瓦/米2，其估计误差为±21瓦/米2。太阳常数的变化与太阳黑子数有关。由太阳常数可以计算单位时间内太阳辐射的总能量第62页,共79页，2024年2月25日，星期天地球表面测量到的太阳辐射光谱曲线

它是波长的函数

太阳辐射能主要集中于0.3—3微米

辐照度最大值位于0.47微米

大约1/4的太阳辐射能在小于0.47波段

太阳辐射能总数的46%在0.4-0.76可见光波段第63页,共79页，2024年2月25日，星期天地球表面测量到的太阳辐射光谱曲线

它是波长的函数

太阳辐射能主要集中于0.3—3微米

辐照度最大值位于0.47微米

大约1/4的太阳辐射能在小于0.47波段

太阳辐射能总数的46%在0.4-0.76可见光波段第64页,共79页，2024年2月25日，星期天太阳波谱及其辐射能量所占的比重第65页,共79页，2024年2月25日，星期天地球-大气系统的辐射

红外辐射

95%集中于4-120微米

最大辐射相应波长在10微米附近第66页,共79页，2024年2月25日，星期天地球接收太阳的短波辐射，

放出红外长波辐射第67页,共79页，2024年2月25日，星期天95%集中于4-120微米

最大辐射相应波长在10微米附近第68页,共79页，2024年2月25日，星期天第69页,共79页，2024年2月25日，星期天太阳辐射能0.3-3.0微米，太阳温度高达6000K，最大辐射能位于0.47微米；地球大气系统发出的辐射主要是红外辐射，温度300K地球大气辐射发出的能量的95%集中于4-120微米，最大辐射波长10微米。第70页,共79页，2024年2月25日，星期天第71页,共79页，2024年2月25日，星期天第72页,共79页，2024年2月25日，星期天通过大气的太阳辐射或地球大气系统辐射将被大气中某些气体所吸收，这些吸收随波长的变化很大，在某些波段的吸收很强，而在另一些波段的吸收则很弱，在这些吸收最弱的波段，太阳辐射和地球大气辐射可以象光通过窗户那样透过大气，这些波段称做大气窗。第73页,共79页，2024年2月25日，星期天大气窗—地表反射的太阳辐射和地球大气系统发射的辐射在通过大气到达卫星的途中，将被大气中某些气体所吸收，这些吸收随波长的变化很大，在某些波段的吸收很强（这些波段称做吸收带），而在另一些波段的吸收则很弱，在这些吸收最弱的波段，太阳辐射和地球大气辐射可以象光通过窗户那样透过大气，故这些波段称做大气窗第74页,共79页，2024年2月25日，星期天(1)臭氧的吸收主要位于太阳光的紫外区0．2—0