大气中的热红外辐射传输.ppt

第五章大气中的热红外辐射传输,热红外遥感,所有的物质，只要其温度超过绝对零度，就会不断发射红外能量。常温的地表物体发射的红外能量主要在大于3微米的中远红外区，是热辐射。热红外辐射不仅与物质的表面状态有关，而且是物质内部组成和温度的函数。在大气传输过程中，它能通过3-5微米和8-14微米两个窗口。热红外遥感就是利用星载或机载传感器收集，记录地物的这种热红外信息，并利用这种热红外信息来识别地物和反演地表参数和温度、湿度和热惯量等。,关于热辐射,空间所有的物体都通过辐射方式交换着能量，如果没有其它方式的能量交换，则一物体热状态的变化就决定于放射与吸收辐射能量的差值。当物体的辐射能量等于吸收的外来辐射能量，这时该物体处于热平衡状态，因而我们可以用一函数温度来描写它。热力学定律可以用于研究平衡辐射的吸收与放射的规律。一般来说，物体的辐射能量收支并不相等，物体处于非辐射平衡状态。但是如果辐射热交换过程相当的慢，以致物体中的内能的分布来得及变化均匀，并继续处于热平衡状态，那这时的辐射可视为具有准平衡性质。此时，物体的温度是在变化的，但每一给定的瞬时，物体的状态都可以看作是平衡的，仍可用一定的温度来描述它。地球大气中的辐射过程，一般认为在地面以上至60km的大气仍可视为处于局地辐射平衡状态。地表与大气耦合面能量交换过程复杂，一般在几个微米的表层内，处于非热平衡状态。,热红外遥感系统,热红外遥感在海面温度、陆面温度、大气温度、大气水汽、云顶温度的遥测中具有无可替代的地位。热红外遥感传感器的发展十分迅速，现在使用和即将投入使用的热红外传感器达几十种之多。我们把主要的热红外传感器的有关信息列于下表。,现在及将来地球观测计划红外传感器概览(星载部分),现在及将来地球观测计划红外传感器概览(星载部分),主要的航空成像红外光谱仪,地球表面热量平衡示意图,地球放射,大气（云）放射,显热,潜热,分子热传导,反射大气下行辐射,大气放射,地表温度是地球表面与大气相互作用过程中的一个动态的热平衡参量，它综合了地表与大气之间能量交换的全部结果。,直接通过大气到达地表,热外遥感应用,热红外遥感是一种重要的对地观测手段地表温度与海面温度热红外遥感在环境动态监测中具有宏观、动态的优点，如农作物旱情遥感监测、全球环境变化和中长期天气预报研究；热红外遥感信息机理研究是遥感定量化的关键环节与海面温度相比，陆面温度由于地表的复杂性面临更多的困难。,遥感反演大气水汽、温度廓线,大气热红外辐射的性质大气的长波辐射性质很复杂，不仅与吸收物质(水汽，CO2与O2)分布有关，而且与大气温度、压力有关。水汽（H2O）在6.3微米有一个较强的吸收带，二氧化碳(CO2)分别在4.3微米和15微米有较强的吸收带，O3在9.6微米处一个窄的吸收带，所以能称之为窗区的只有3.54.0微米，89.5微米和10.512.5微米三个波段。水汽红外区吸收带很强，又占有较宽的波段，是最主要的吸收物质，即使在大气窗区也仍然有不可忽略的弱吸收作用，如果对海面温度的测量精度要求在0.5以内，则修正大气效应便成为SST的主要问题。大气在14微米以上，可以看成是近于黑体。地面14微米以上的远红外辐射，不能透过大气传向空间。,除非有云或尘埃等大颗粒质点较多时，大气对长波辐射的散射削弱极小，可以忽略不计。即使有云时，云中对长波的吸收作用很大，较薄的云层已可以视为黑体。大气不仅是削弱热红外辐射的介质，而且它本身也发射热红外辐射，有时甚至发射的辐射会超出吸收的部分。总之，热红外辐射在大气中的传输，是一种漫射辐射在无散射但有吸收又有发射的介质中的传输。,热红外光谱和温室效应,地气系统维持辐射平衡状态，吸收太阳辐射的同时，也向太空发射辐射，地气系统发射的辐射称为热红外辐射。由能量守恒原理，令表示地气系统的全球反照率，则由斯蒂芬-玻尔兹曼发射定律，我们得到平衡方程：Sae2(1)=Te44ae2ae是地球半径；S是太阳常数，代表在大气顶获得的能量；Te代表地气系统的平衡温度。于是有：Te=S(1)/41/4约为255K,根据第1章的普朗克定律和维恩位移定律可知，由地球和大气发射的辐亮度小于太阳辐射的强度，而地球辐射场的峰值强度的波长大于太阳辐射峰值强度的波长。地气系统发射的能量也称为热红外辐射或地球辐射。大气中各种气体能够捕获热红外辐射是大气的特性，所以称为大气效应，也称为温室效应。,大气长波辐射传输的特点,通常假定局地热平衡的无散射平面平行大气；各种气体成份在长波波段有很多吸收带；长波波段分子散射截面很小，可以忽略空气分子Rayleigh散射截面与波长四次方成反比，地气热辐射98%在4120微米范围沙尘、云降水粒子在长波区散射明显小于吸收作用，近似时可不考虑散射作用一般气溶胶对长波辐射传输影响小；沙尘粒子尺度和数密度较大，云滴、雨滴的尺度更大，其对长波辐射的散射和吸收需要考虑,长波辐射传输中，介质气层的发射作用不能忽略，用Planck函数表示。当气层温度超过入射光源的温度，气层发射的能量会超过它吸收的能量，使向前传输的辐射增强；太阳辐射可近似为平行辐射，而地气系统长波辐射各处都是光源，即地面和大气辐射是漫射辐射，因此在平面平行大气中红外波段辐射传输与方位无关，只与天顶角有关大气垂直方向密度不均匀，向上和向下传输不同，常将传输方程表达成向上和向下两种形式,大气长波辐射传输的特点,大气顶没有长波向下辐射源（边界条件）；地面对长波辐射的吸收有两个特点：吸收率几乎不随波长变化；吸收率接近黑体,大气长波辐射传输的特点,无散射大气LW辐射传输方程,辐射传输的普遍方程考虑局域问题时，大气处于热力学平衡状态，同时是平面平行结构。按波数域表达为,向上和向下强度的解为,无散射大气LW辐射传输方程,热红外辐射的大气传输方程,（1）地球与大气都是发射红外辐射的辐射源；（2）通过大气中的任一平面射出的都是具有各个方向的漫射辐射；（3）只考虑吸收作用，忽略散射；（4）必须把大气的发射和吸收同时考虑；（5）假定大气是水平均一的。,通过大气中某一水平面的长波辐射通量密度应当由该面上的辐射亮度对半球空间积分求得，即：一般说，大气中是的函数，但是与无关，所以有,若只考虑经过气层的吸收削弱时，方向辐射亮度的变化为：上式中为气层中吸收物质的订正光学质量，不随z而变。,在大气中任一高度处，向上和向下的辐射为L,L,辐射通量密度为F，F。高度坐标定义地面为0，向上增加；对应的订正光学质量为u，减少，增加。自至大气上界的光学质量为，的符号表示产生向下辐射的光学质量，表示整层向上辐射的光学质量。先考虑高度以上气层向下的辐射。对于光学质量为du的气层元，自方向，射入此气层的辐射要经过光学质量的吸收。此微分层对于的吸收率为：,按照基尔霍夫定律，也就是气层元在方向上的放射率。气层在方向放射的辐射亮度为:式中，是绝对黑体辐射亮度，可由温度、波长按普朗克定律定出。向下辐射经过du气层，在方向的变化为,上式是同时考虑气层的吸收削弱和放射增强的长波辐射亮度传输方程。同样，对于向上辐射也有或者写为这种形式的传输方程又称为Schwarzchild方程。,这个传输方程是一个一阶线性微分方程。给出边条件就可得解。下面分别对于L及L给出边界条件。(1)在大气上界处，由于宇宙空间没有长波辐射投入，故有：时，。(2)在地面上，地表热红外辐射可以根据地表发射率和地表温度根据普朗克定律计算得到。如果把地表近似为黑体，温度为，则有：时，。将上述边条件代入传输方程的解中，就可得出在高度上的及：,对于大多数陆地地表而言，地表比辐射率小于1，不能简单作为黑体处理，我们必须考虑地表反射的大气下行辐射项的影响，辐射传输方程更加复杂。,3.遥感传感器宽通道的热红外辐射传输方程Chandrasekhar(1960)把传感器接收的热红外辐射表达为三项之和。考虑到传感器的波长响应函数，传感器接收到的信号可以用以下的表达式来表达。其中,表示大气的下行辐射，表示传感器接收的总辐射；表示温度为T时的黑体辐射；表示地表比辐射率，表示整层大气的总透过率，表示地表的多向反射率分布函数；表示传感器第通道的波长响应函数。分别表示传感器的天顶角和方位角，分别表示大气下行辐射的天顶角和方位角。方程中右边第一项表示地表热红外辐射经大气吸收衰减后到达传感器的辐射，第二项表示大气上行辐射项；第三项表示大气下行辐射项经地表反射后通过大气传输到传感器的辐射。在地表朗伯体假设的条件下，若分别用和表示大气上行辐射和大气下行辐射，则方程可以写为以下的形式：其中,