輻射在大氣中的傳輸課件

1、上午上午9時時13分分輻射在大氣中的傳輻射在大氣中的傳輸課件輸課件1第四章第四章 輻射在大氣中的傳輸輻射在大氣中的傳輸 上午上午9時時13分分輻射在大氣中的傳輻射在大氣中的傳輸課件輸課件24 輻射在大氣中的傳輸輻射在大氣中的傳輸 各種圖像探測器接收的信號都是以大氣作各種圖像探測器接收的信號都是以大氣作為傳輸媒介的電磁波。而大氣本身對輻射有為傳輸媒介的電磁波。而大氣本身對輻射有折折射、吸收和散射射、吸收和散射等作用，將造成輻射能量的衰等作用，將造成輻射能量的衰減，即大氣的傳輸特性直接影響圖像探測器的減，即大氣的傳輸特性直接影響圖像探測器的探測效果，很多技術指標的制定都與一定的大探測效果，很多技術

2、指標的制定都與一定的大氣條件相對應。氣條件相對應。上午上午9時時13分分輻射在大氣中的傳輻射在大氣中的傳輸課件輸課件3一、大氣層結構一、大氣層結構 根據(jù)大氣的溫度、成分、電離狀態(tài)和其他物理根據(jù)大氣的溫度、成分、電離狀態(tài)和其他物理性質在垂直方向將大氣劃分成若干層次：性質在垂直方向將大氣劃分成若干層次：4.1 大氣的構成大氣的構成 對流層集中了約對流層集中了約80%的大氣的大氣質量和質量和90%以上的水汽。對流以上的水汽。對流層溫度變化較大。層溫度變化較大。 平流層集中了約平流層集中了約20%的大氣的大氣質量，水汽非常少，臭氧含量質量，水汽非常少，臭氧含量非常豐富。非常豐富。 光電成像系統(tǒng)基本上工

3、作光電成像系統(tǒng)基本上工作在在對流層對流層或或平流層下部平流層下部(20-25)。平流層平流層平流層頂平流層頂中間層中間層中間層頂中間層頂熱成層熱成層對流層對流層對流層頂對流層頂T/Kz/km2010060上午上午9時時13分分輻射在大氣中的傳輻射在大氣中的傳輸課件輸課件44.1 大氣的構成大氣的構成 二、大氣的組成二、大氣的組成 大氣大氣是混合物，由多種元素和化合物混合而成，是混合物，由多種元素和化合物混合而成，可分為干潔大氣、水蒸氣以及其他懸浮的固體和液可分為干潔大氣、水蒸氣以及其他懸浮的固體和液體粒子。體粒子。1. 干潔大氣干潔大氣 干潔大氣干潔大氣是指不含水蒸汽和氣溶膠粒子的大氣。是指不

4、含水蒸汽和氣溶膠粒子的大氣。分為：分為： 常定成分：常定成分：在大氣中的含量隨時間、地點變化在大氣中的含量隨時間、地點變化很小。主要有氮、氧、氦、氫、氖、氬、氪和氙等，很小。主要有氮、氧、氦、氫、氖、氬、氪和氙等，占據(jù)了絕大部分干潔空氣的體積。占據(jù)了絕大部分干潔空氣的體積。上午上午9時時13分分輻射在大氣中的傳輻射在大氣中的傳輸課件輸課件54.1 大氣的構成大氣的構成 可變成分：可變成分：在大氣中的含量隨時間、地點的改在大氣中的含量隨時間、地點的改變而變化。主要有二氧化碳、一氧化碳、甲烷、臭變而變化。主要有二氧化碳、一氧化碳、甲烷、臭氧、氨、二氧化硫、一氧化氮和二氧化氮等，這些氧、氨、二氧化硫

5、、一氧化氮和二氧化氮等，這些氣體所占體積很小，但是對輻射的吸收和散射貢獻氣體所占體積很小，但是對輻射的吸收和散射貢獻大。大。2. 水蒸氣水蒸氣 由大氣層結構可知：由大氣層結構可知：大氣不干燥，含有水蒸氣，大氣不干燥，含有水蒸氣，并且水蒸氣的含量隨地理位置、溫度、季節(jié)及氣層并且水蒸氣的含量隨地理位置、溫度、季節(jié)及氣層高度而變化。水蒸氣主要集中在高度而變化。水蒸氣主要集中在4km以下的氣層中，以下的氣層中，在在14km以上的氣層中，其含量變化很小。以上的氣層中，其含量變化很小。 水蒸氣對輻射衰減非常嚴重，是光電成像系統(tǒng)水蒸氣對輻射衰減非常嚴重，是光電成像系統(tǒng)設計、分析和使用中設計、分析和使用中必須

6、重點考慮的因素必須重點考慮的因素。上午上午9時時13分分輻射在大氣中的傳輻射在大氣中的傳輸課件輸課件64.1 大氣的構成大氣的構成 描述大氣中水蒸氣含量的方法：描述大氣中水蒸氣含量的方法：水蒸氣分壓強水蒸氣分壓強ev，單位是標準大氣壓（，單位是標準大氣壓（atm）或毫巴）或毫巴（mb，1mb=100Pa）；）；體積比濃度，單位是體積比濃度，單位是%；混合比或質量密度比混合比或質量密度比單位質量空氣中所包含的水單位質量空氣中所包含的水蒸氣質量，單位是蒸氣質量，單位是g/kg；絕對濕度絕對濕度H單位體積空氣中所含水蒸氣的質量，單位體積空氣中所含水蒸氣的質量，單位是單位是g/m3；飽和水蒸氣含量飽和

7、水蒸氣含量一定溫度下一定溫度下單位體積空氣中所含單位體積空氣中所含有的水蒸氣質量的最大值，只與溫度有關；有的水蒸氣質量的最大值，只與溫度有關；(露點溫度露點溫度表示濕度表示濕度-露點與氣溫的差值表示大氣中水汽距離飽和的程度。露點與氣溫的差值表示大氣中水汽距離飽和的程度。)上午上午9時時13分分輻射在大氣中的傳輻射在大氣中的傳輸課件輸課件74.1 大氣的構成大氣的構成 相對濕度相對濕度Hr單位體積空氣中所含水蒸氣的質量與單位體積空氣中所含水蒸氣的質量與同溫度下飽和水蒸氣質量分數(shù)同溫度下飽和水蒸氣質量分數(shù)Ha之比，以百分數(shù)表之比，以百分數(shù)表示。示。raHHH絕對濕度絕對濕度H與水蒸氣壓強與水蒸氣壓

8、強ev的關系是：的關系是：, vvveHR TRT2=4.165 10 J/(kg K)是氣體常數(shù)， 是熱力學溫度 如果相對濕度如果相對濕度Hr=100%，對應的水蒸氣壓強稱，對應的水蒸氣壓強稱為為飽和水蒸氣壓強飽和水蒸氣壓強：273.15aavavdeH R TH Rt上午上午9時時13分分輻射在大氣中的傳輻射在大氣中的傳輸課件輸課件84.1 大氣的構成大氣的構成 3. 氣溶膠粒子氣溶膠粒子氣溶膠粒子氣溶膠粒子是分散在氣體中的固體微粒是分散在氣體中的固體微粒(半徑小于幾半徑小于幾十微米十微米)或液態(tài)粒子或液態(tài)粒子 (圖圖4-2不同成分的尺寸不同成分的尺寸)的的懸浮體系懸浮體系。 大氣氣溶膠粒

9、子濃度大氣氣溶膠粒子濃度由于重力原因隨高度按指由于重力原因隨高度按指數(shù)衰減，在對流層的這種變化趨勢為：數(shù)衰減，在對流層的這種變化趨勢為： 00 exp/N zNz h其中，其中，N是粒子濃度，是粒子濃度，z為高度，為高度，h0是與氣候和地區(qū)是與氣候和地區(qū)有關的特征高度，見表有關的特征高度，見表4-2(不同能見度條件下不同能見度條件下)。 氣溶膠粒子對光波將氣溶膠粒子對光波將產(chǎn)生散射產(chǎn)生散射，并且不同尺度，并且不同尺度的粒子對不同波長的光波散射也不一樣。氣溶膠粒的粒子對不同波長的光波散射也不一樣。氣溶膠粒子尺度的分布決定了光波的散射。子尺度的分布決定了光波的散射。上午上午9時時13分分輻射在大氣

10、中的傳輻射在大氣中的傳輸課件輸課件94.1 大氣的構成大氣的構成 目前，普遍采用目前，普遍采用廣義伽馬分布廣義伽馬分布來描述氣溶膠粒來描述氣溶膠粒子尺度分布的成因：子尺度分布的成因： 2expdn rarcr式中，式中，r是粒子半徑，是粒子半徑，n(r)是半徑是半徑r處單位半徑間隔內處單位半徑間隔內氣溶膠粒子濃度，氣溶膠粒子濃度，a、b、c、d是擬合參數(shù)，選擇不是擬合參數(shù)，選擇不同的擬合參數(shù)分別描述雨、霧、云等粒子的尺度分同的擬合參數(shù)分別描述雨、霧、云等粒子的尺度分布和宏觀的光學特性。布和宏觀的光學特性。三、大氣模式三、大氣模式上午上午9時時13分分輻射在大氣中的傳輻射在大氣中的傳輸課件輸課件

11、104.1 大氣的構成大氣的構成 大氣的成分隨地理位置、季節(jié)和溫度有很大變大氣的成分隨地理位置、季節(jié)和溫度有很大變化，這些變化對大氣的光學性質有明顯影響，局部化，這些變化對大氣的光學性質有明顯影響，局部區(qū)域大氣成分只沿高度方向變化。區(qū)域大氣成分只沿高度方向變化。描述大氣特征的主要參數(shù)：描述大氣特征的主要參數(shù)：氣壓、溫度、溫度遞減氣壓、溫度、溫度遞減率和密度等的地面值及它們的高度輪廓。并且這些率和密度等的地面值及它們的高度輪廓。并且這些參數(shù)復雜多變。參數(shù)復雜多變。1. 標準大氣標準大氣 標準大氣的定義：標準大氣的定義：能夠粗略地反映周年、中緯能夠粗略地反映周年、中緯度狀況的，得到國際上承認的假想

12、大氣溫度、壓力度狀況的，得到國際上承認的假想大氣溫度、壓力和密度的垂直分布。和密度的垂直分布。所定義的標準大氣多年作一次所定義的標準大氣多年作一次修正。修正。使用使用1976年美國標準大氣年美國標準大氣30km以下作為國家標準。以下作為國家標準。上午上午9時時13分分輻射在大氣中的傳輻射在大氣中的傳輸課件輸課件114.1 大氣的構成大氣的構成 標準大氣的典型用途：標準大氣的典型用途：用作壓力高度計校準，用作壓力高度計校準，飛機性能計算，飛機和火箭設計，彈道制表和氣象飛機性能計算，飛機和火箭設計，彈道制表和氣象制圖的基礎，假定空氣服從使溫度、壓力和密度與制圖的基礎，假定空氣服從使溫度、壓力和密度

13、與位勢發(fā)生關系的理想氣體定律和流體靜力學方程。位勢發(fā)生關系的理想氣體定律和流體靜力學方程。2. 分析模式分析模式 氣壓、密度和溫度等參數(shù)氣壓、密度和溫度等參數(shù)隨幾何高度的分布可隨幾何高度的分布可按照以下幾種分析模式進行擬合：按照以下幾種分析模式進行擬合：p93等密度模式，式等密度模式，式(4-6) ；等溫模式，式等溫模式，式(4-7) ；多元模式，式多元模式，式(4-8) 。上午上午9時時13分分輻射在大氣中的傳輻射在大氣中的傳輸課件輸課件124.2 大氣消光和大氣窗口大氣消光和大氣窗口 大氣大氣是混合物，由多種元素和化合物混合而成，是混合物，由多種元素和化合物混合而成，是復雜的光學介質。是復

14、雜的光學介質。 輻射在其中傳輸時將產(chǎn)生折射、吸收和散射等輻射在其中傳輸時將產(chǎn)生折射、吸收和散射等現(xiàn)象，從而導致輻射能量的衰減，影響光電成像系現(xiàn)象，從而導致輻射能量的衰減，影響光電成像系統(tǒng)對目標的探測。統(tǒng)對目標的探測。 大氣遙感大氣遙感上午上午9時時13分分輻射在大氣中的傳輻射在大氣中的傳輸課件輸課件134.2 大氣消光和大氣窗口大氣消光和大氣窗口 一、大氣消光一、大氣消光 大氣消光：大氣消光：大氣對輻射能量折射、吸收和散射大氣對輻射能量折射、吸收和散射等衰減作用稱為消光。等衰減作用稱為消光。大氣消光的基本特點：大氣消光的基本特點：在干潔大氣中，大氣消光決定于在干潔大氣中，大氣消光決定于空氣密度

15、空氣密度和輻射通和輻射通過的過的大氣層厚度大氣層厚度；大氣中有氣溶膠粒子時，其消光作用增強；大氣中有氣溶膠粒子時，其消光作用增強；在地面基本觀測不到波長小于在地面基本觀測不到波長小于0.3um以下的短波紫以下的短波紫外輻射；外輻射；地面觀測到的太陽光譜輻射中有明顯的氣體吸收帶地面觀測到的太陽光譜輻射中有明顯的氣體吸收帶結構。結構。上午上午9時時13分分輻射在大氣中的傳輻射在大氣中的傳輸課件輸課件144.2 大氣消光和大氣窗口大氣消光和大氣窗口 大氣的消光作用主要大氣的消光作用主要由大氣中各種由大氣中各種氣體成分氣體成分及及氣溶膠粒子氣溶膠粒子對輻射的對輻射的吸收和散射吸收和散射造成。造成。 輻

16、射在大氣中傳輸時與氣體成分和氣溶膠粒子輻射在大氣中傳輸時與氣體成分和氣溶膠粒子相互作用，原子或分子發(fā)生極化并依從入射光頻率相互作用，原子或分子發(fā)生極化并依從入射光頻率做強迫振動，從而發(fā)生能量交換：做強迫振動，從而發(fā)生能量交換：（1）輻射能轉換為原子或分子的次波輻射能。）輻射能轉換為原子或分子的次波輻射能。均勻介質均勻介質中次波疊加的結果沿折射方向傳播，無消光現(xiàn)象；中次波疊加的結果沿折射方向傳播，無消光現(xiàn)象；不均不均勻介質勻介質中的不均勻質點破壞次波的相干性，各方向出現(xiàn)中的不均勻質點破壞次波的相干性，各方向出現(xiàn)散射光，原方向散射光，原方向輻射能減少但無能量交換輻射能減少但無能量交換。（2）輻射能

17、轉換為原子或分子碰撞的平動能）輻射能轉換為原子或分子碰撞的平動能熱能。入熱能。入射輻射頻率等于共振子固有頻率時發(fā)生共振，入射輻射射輻射頻率等于共振子固有頻率時發(fā)生共振，入射輻射被吸收為熱能，原方向被吸收為熱能，原方向輻射能減少并有能量交換輻射能減少并有能量交換。上午上午9時時13分分輻射在大氣中的傳輻射在大氣中的傳輸課件輸課件154.2 大氣消光和大氣窗口大氣消光和大氣窗口 二、波蓋耳定律二、波蓋耳定律波蓋耳定律：波蓋耳定律：輻射通過介質的消光作用與入射輻射輻射通過介質的消光作用與入射輻射能量、衰減介質密度和所經(jīng)過的路徑成正比：能量、衰減介質密度和所經(jīng)過的路徑成正比： ,dsksss ds k

18、 是光譜質量消光系數(shù)上式的解即為上式的解即為輻射衰減規(guī)律輻射衰減規(guī)律： 0,0 exp,0s0sskss ds 其中是的初始光譜輻射量如果介質是均勻的光學介質，即如果介質是均勻的光學介質，即(s)=，k(,s)=k()，則由上式得到簡化的波蓋耳定律：，則由上式得到簡化的波蓋耳定律：上午上午9時時13分分輻射在大氣中的傳輻射在大氣中的傳輸課件輸課件164.2 大氣消光和大氣窗口大氣消光和大氣窗口 ,0 exp,0 exp,0 exp,skskwlwslks 是光程上單位界面的介質質量，=是介質的光學厚度引入引入大氣光譜透射比大氣光譜透射比描述輻射通過大氣時的透射性描述輻射通過大氣時的透射性質，定

19、義為：質，定義為： ,exp,0ssks 如果是某一波段內的大氣透射性質，定義平均透射如果是某一波段內的大氣透射性質，定義平均透射比比: 21211expks d 大氣不同成分與不同物理過程造成的消光效應具有大氣不同成分與不同物理過程造成的消光效應具有線性疊加性線性疊加性，總消光特征量是各分量之和：，總消光特征量是各分量之和：上午上午9時時13分分輻射在大氣中的傳輻射在大氣中的傳輸課件輸課件174.2 大氣消光和大氣窗口大氣消光和大氣窗口 ,mmppksssss式中 、 表示吸收和散射，下標m、p表示分子和氣溶膠粒子此時，總透射比是各單項透射比之積：此時，總透射比是各單項透射比之積：,mmpp

20、sssss 并且各單項透射比可進一步分解為各大氣成分的透并且各單項透射比可進一步分解為各大氣成分的透射比。射比。波蓋耳定律使用的波蓋耳定律使用的注意事項注意事項：假定消光系數(shù)與輻射強度、吸收介質濃度無關；不假定消光系數(shù)與輻射強度、吸收介質濃度無關；不考慮的功率密度閾值：考慮的功率密度閾值：107W/cm2。上午上午9時時13分分輻射在大氣中的傳輻射在大氣中的傳輸課件輸課件184.2 大氣消光和大氣窗口大氣消光和大氣窗口 三、大氣窗口三、大氣窗口光電成像系統(tǒng)常用的大氣窗口有：光電成像系統(tǒng)常用的大氣窗口有：可見光；可見光；近紅外，近紅外，0.761.1um；短波紅外，短波紅外，12um；中紅外，中

21、紅外，35um；遠紅外，遠紅外，814um。假定粒子之間彼此獨立地散射電磁波，不考慮多次假定粒子之間彼此獨立地散射電磁波，不考慮多次散射的影響。散射的影響。上午上午9時時13分分輻射在大氣中的傳輻射在大氣中的傳輸課件輸課件194.3 大氣吸收和散射計算大氣吸收和散射計算 一、大氣的吸收一、大氣的吸收大氣吸收的精確計算方法：大氣吸收的精確計算方法：線形法和吸收帶法。線形法和吸收帶法。1. 線形法線形法 在某一波長范圍內，用吸收比描述吸收線，不在某一波長范圍內，用吸收比描述吸收線，不同波長處有不同大小的吸收，從而形成同波長處有不同大小的吸收，從而形成吸收線吸收線。單條吸收線的形狀分為：單條吸收線的

22、形狀分為：洛倫茲線形、多普勒線形、混合線形，式洛倫茲線形、多普勒線形、混合線形，式4-16。2. 吸收帶模式吸收帶模式上午上午9時時13分分輻射在大氣中的傳輻射在大氣中的傳輸課件輸課件204.3 大氣吸收和散射計算大氣吸收和散射計算 常用的吸收帶模式有：常用的吸收帶模式有：Elsasser周期模式、周期模式、Goody統(tǒng)計模式和隨機統(tǒng)計模式和隨機Elsasser模式。其中，模式。其中， Elsasser周周期模式、期模式、Goody統(tǒng)計模式的透射比滿足式統(tǒng)計模式的透射比滿足式4-17。3. 大氣吸收的工程計算方法大氣吸收的工程計算方法 吸收起主要作用的大氣成分吸收起主要作用的大氣成分是水蒸氣、

23、二氧化是水蒸氣、二氧化碳和臭氧。臭氧在高層空間含量較高，二氧化碳含碳和臭氧。臭氧在高層空間含量較高，二氧化碳含量較穩(wěn)定，水蒸氣含量隨氣象條件變化較大。量較穩(wěn)定，水蒸氣含量隨氣象條件變化較大。(1) 集合法集合法 水蒸氣水蒸氣上午上午9時時13分分輻射在大氣中的傳輻射在大氣中的傳輸課件輸課件214.3 大氣吸收和散射計算大氣吸收和散射計算 水蒸氣的吸收水蒸氣的吸收用截面積為用截面積為1cm2，長度等于，長度等于1km海平海平面水平輻射路程的空氣柱中所含水蒸氣凝結成液態(tài)面水平輻射路程的空氣柱中所含水蒸氣凝結成液態(tài)水后的水柱長度水后的水柱長度可降水分可降水分w0表示：表示：30/ 1041g/cmo

24、rawH HC水水，時為 對于給定的溫度和相對濕度，對于給定的溫度和相對濕度，首先首先由上式確定可由上式確定可降水分，并由傳輸路徑長度降水分，并由傳輸路徑長度L確定路徑可將水分確定路徑可將水分w0L；然后然后由附表由附表4-3海平面水平路徑水蒸氣含量得到對應海平面水平路徑水蒸氣含量得到對應的光透射比。的光透射比。 二氧化碳二氧化碳上午上午9時時13分分輻射在大氣中的傳輻射在大氣中的傳輸課件輸課件224.3 大氣吸收和散射計算大氣吸收和散射計算 二氧化碳的吸收帶二氧化碳的吸收帶主要位于主要位于2.7um、4.3um、10um和和14.7um處。二氧化碳在大氣中的比例比較穩(wěn)定，處。二氧化碳在大氣中

25、的比例比較穩(wěn)定，可以認為二氧化碳的吸收和氣象條件沒有關系?？梢哉J為二氧化碳的吸收和氣象條件沒有關系。 高度修正和斜程處理高度修正和斜程處理 由于分子密度、氣壓和溫度等參數(shù)對大氣的吸由于分子密度、氣壓和溫度等參數(shù)對大氣的吸收均隨著海拔高度的變化而變化，當路徑為一定海收均隨著海拔高度的變化而變化，當路徑為一定海拔或某一斜程時必須進行修正。拔或某一斜程時必須進行修正。高度修正高度修正:0exp0.05938,exp0.178,LzLLz水蒸氣二氧化碳等效路徑長度等效路徑長度:上午上午9時時13分分輻射在大氣中的傳輻射在大氣中的傳輸課件輸課件234.3 大氣吸收和散射計算大氣吸收和散射計算 斜程修正斜

26、程修正:水蒸氣等效海平面可降水分量水蒸氣等效海平面可降水分量: 211211 exp0.059380.05938eezzwwzzz二氧化碳等效路徑長度二氧化碳等效路徑長度: 211211 exp1780.178eezzLLzzz(2) LOWTRAN法法上午上午9時時13分分輻射在大氣中的傳輻射在大氣中的傳輸課件輸課件244.3 大氣吸收和散射計算大氣吸收和散射計算 LOWTRAN模式模式是美國空軍地球物理實驗室提是美國空軍地球物理實驗室提出來的一種地分辨力大氣模式，算法較簡單，精度出來的一種地分辨力大氣模式，算法較簡單，精度約為約為10%15%。大多數(shù)光電成像系統(tǒng)分析都采用。大多數(shù)光電成像系

27、統(tǒng)分析都采用LOWTRAN分析大氣傳輸特性。分析大氣傳輸特性。 LOWTRAN模式模式是一種單參量模式，給出了不是一種單參量模式，給出了不同吸收氣體在各波段的廣義吸收系數(shù)同吸收氣體在各波段的廣義吸收系數(shù)Lv。 Lv和修正和修正的光學質量的光學質量w與透射比與透射比具有以下函數(shù)關系：具有以下函數(shù)關系：00,nwvvPL wF LdwP式中，式中，n是修正系數(shù)，水蒸氣、二氧化碳和臭氧分別是修正系數(shù)，水蒸氣、二氧化碳和臭氧分別是是0.9、0.75和和0.4。上午上午9時時13分分輻射在大氣中的傳輻射在大氣中的傳輸課件輸課件254.3 大氣吸收和散射計算大氣吸收和散射計算 二、大氣的散射二、大氣的散射

28、散射系數(shù)散射系數(shù)()：描述某點向全空間的散射總數(shù)。描述某點向全空間的散射總數(shù)。()與路程與路程L的散射透射比滿足波蓋爾定律：的散射透射比滿足波蓋爾定律： ,expLL 角散射系數(shù)角散射系數(shù)(,)：描述向單位立體角內的散射數(shù)稱描述向單位立體角內的散射數(shù)稱為角散射系數(shù)。為角散射系數(shù)。是散射角是散射角-散射輻射與入射輻射方散射輻射與入射輻射方向的夾角。向的夾角。 40,dwdw ，是立體角元散射系數(shù)散射系數(shù)()與角散射系數(shù)與角散射系數(shù)(,)的關系滿足：的關系滿足：上午上午9時時13分分輻射在大氣中的傳輻射在大氣中的傳輸課件輸課件264.3 大氣吸收和散射計算大氣吸收和散射計算 散射截面：散射截面：單

29、個粒子的散射系數(shù)單個粒子的散射系數(shù)()稱為散射截面，稱為散射截面，單位是單位是cm2/粒子數(shù)。粒子數(shù)。散射系數(shù)與散射粒子濃度散射系數(shù)與散射粒子濃度N成正比：成正比： N 如果大氣中含有如果大氣中含有m種不同類型的粒子群時，散射種不同類型的粒子群時，散射系數(shù)有：系數(shù)有： 1miiiN 散射相函數(shù)散射相函數(shù)F()：描述描述方向方向上上單位立體角內單位立體角內散射輻散射輻射的相對大小。射的相對大小。上午上午9時時13分分輻射在大氣中的傳輻射在大氣中的傳輸課件輸課件274.3 大氣吸收和散射計算大氣吸收和散射計算 確定散射系數(shù)的方法：確定散射系數(shù)的方法：1. 瑞利散射瑞利散射 當粒子半徑遠遠小于輻射波

30、長時，散射服從瑞當粒子半徑遠遠小于輻射波長時，散射服從瑞利散射規(guī)則：利散射規(guī)則： ,4F 體積后向散射系數(shù)：體積后向散射系數(shù)： ,4F 當溫度、氣壓和高度改變時散射系數(shù)與角散射當溫度、氣壓和高度改變時散射系數(shù)與角散射系數(shù)均需要修正，修正因子相同：系數(shù)均需要修正，修正因子相同：上午上午9時時13分分輻射在大氣中的傳輻射在大氣中的傳輸課件輸課件284.3 大氣吸收和散射計算大氣吸收和散射計算 000,0TPP T 下標 表示標準大氣壓海平面值 瑞利散射粒子瑞利散射粒子主要是氣體分子，分子散射與波主要是氣體分子，分子散射與波長的四次方成反比。長的四次方成反比。2. 邁邁(Mie)散射散射邁邁(Mie

31、)散射：散射：描述球形氣溶膠粒子散射的理論。描述球形氣溶膠粒子散射的理論。邁邁(Mie)散射散射用用相函數(shù)相函數(shù)描述時，主要考慮前向散射。描述時，主要考慮前向散射。邁散射的計算方法：確定散射效率因子邁散射的計算方法：確定散射效率因子Qs(a,m)、吸、吸收效率因子收效率因子Qa(a,m)和衰減效率因子和衰減效率因子Qe(a,m) 。邁邁(Mie)散射截面與效率因子的關系：散射截面與效率因子的關系：上午上午9時時13分分輻射在大氣中的傳輻射在大氣中的傳輸課件輸課件294.3 大氣吸收和散射計算大氣吸收和散射計算 2, , ,iirmr Q a mis a e ，m是復折射率，3. 無選擇性散射無

32、選擇性散射 當散射粒子半徑遠遠大于輻射波長時，粒子對當散射粒子半徑遠遠大于輻射波長時，粒子對入射輻射的反射和折射占主要地位，在宏觀上形成入射輻射的反射和折射占主要地位，在宏觀上形成散射，與波長無關，所以稱為散射，與波長無關，所以稱為無選擇性散射。無選擇性散射。 散射系數(shù)等于單位體積內所含半徑散射系數(shù)等于單位體積內所含半徑ri的的N個粒子個粒子的截面積之總和：的截面積之總和：21Niir 霧滴的半徑約為霧滴的半徑約為160um，比可見光波長大，比可見光波長大12個數(shù)量級，對可見光的散射與波長沒有關系。個數(shù)量級，對可見光的散射與波長沒有關系。上午上午9時時13分分輻射在大氣中的傳輻射在大氣中的傳輸

33、課件輸課件304.3 大氣吸收和散射計算大氣吸收和散射計算 雨在紅外波段的散射系數(shù)為：雨在紅外波段的散射系數(shù)為：0.670.248rainVV， 是雨速4. 單次散射和多次散射單次散射和多次散射研究散射對成像過程的影響：研究散射對成像過程的影響：研究自然光時側重于研究自然光時側重于角散射角散射；研究太陽輻射的衰減時側重于研究太陽輻射的衰減時側重于總散射總散射；角散射角散射和和總散射總散射都考慮。都考慮。上午上午9時時13分分輻射在大氣中的傳輻射在大氣中的傳輸課件輸課件314.3 大氣吸收和散射計算大氣吸收和散射計算 對于一個成像系統(tǒng)，大氣消光對成像的影響是對于一個成像系統(tǒng)，大氣消光對成像的影響

34、是吸收和散射造成的。吸收使輻射能量衰減，但不會吸收和散射造成的。吸收使輻射能量衰減，但不會造成圖像細節(jié)的模糊；散射既使輻射能量衰減，又造成圖像細節(jié)的模糊；散射既使輻射能量衰減，又由于部分散射光進入成像系統(tǒng)的接收器，從而造成由于部分散射光進入成像系統(tǒng)的接收器，從而造成圖像細節(jié)的損失。圖像細節(jié)的損失。 多次散射多次散射-附加氣柱附加氣柱三、利用氣象學距離處理消光的方法三、利用氣象學距離處理消光的方法上午上午9時時13分分輻射在大氣中的傳輻射在大氣中的傳輸課件輸課件324.3 大氣吸收和散射計算大氣吸收和散射計算 大氣透明度：大氣透明度：氣象學上，把氣象學上，把白光白光通過通過1km水平路程水平路程

35、的大氣透射比稱為大氣透明度。的大氣透射比稱為大氣透明度。1. 氣象學的透明度和能見距離氣象學的透明度和能見距離能見度能見度/能見距離：能見距離：氣象學上，在一定大氣透明度下氣象學上，在一定大氣透明度下人眼能發(fā)現(xiàn)（能清楚的識別輪廓）以人眼能發(fā)現(xiàn)（能清楚的識別輪廓）以地平線附近的地平線附近的天空天空為背景為背景視角大于視角大于30的黑色目標物的黑色目標物的最大距離的最大距離Rv稱為能見度稱為能見度/能見距離。能見距離。能見度能見度/能見距離能見距離是反映大氣透明度的一個指標。是反映大氣透明度的一個指標。上午上午9時時13分分輻射在大氣中的傳輻射在大氣中的傳輸課件輸課件334.3 大氣吸收和散射計算

36、大氣吸收和散射計算 光電成像器件或觀察者對距離光電成像器件或觀察者對距離R處的目標物與景處的目標物與景物成像，其表觀對比度物成像，其表觀對比度CR： tbRbLRLRCLR 式中，式中，Lt(R)和和Lb(R)分別為光電成像器件或觀察者分別為光電成像器件或觀察者實實際接收到際接收到的目標和背景的表觀亮度。的目標和背景的表觀亮度。 由波蓋耳定律，有傳輸由波蓋耳定律，有傳輸s路徑長度后的傳輸方程路徑長度后的傳輸方程: ,vvdLskssLsJsdsJs 是附加源函數(shù)上午上午9時時13分分輻射在大氣中的傳輻射在大氣中的傳輸課件輸課件344.3 大氣吸收和散射計算大氣吸收和散射計算 0000000,0

37、,0,0,exp1 ;1,/,0exp,expexptbRRtvCvbRRsRvvLLCLLRk dsCC TLRLk dsLRk Jk ds dsk ds 因此，距離因此，距離R處的表觀對比度處的表觀對比度CR可以改寫成：可以改寫成：其中，其中，C0是目標和背景的固有對比度，是目標和背景的固有對比度，是大氣透射是大氣透射比，比，L是路徑的氣柱亮度，是路徑的氣柱亮度，TC是大氣對比度傳遞函數(shù)。是大氣對比度傳遞函數(shù)。上午上午9時時13分分輻射在大氣中的傳輻射在大氣中的傳輸課件輸課件354.3 大氣吸收和散射計算大氣吸收和散射計算 對于水平路徑，大氣消光系數(shù)對于水平路徑，大氣消光系數(shù)k，角散射系數(shù)

38、及，角散射系數(shù)及氣柱所受到的自然照明強度不隨路程氣柱所受到的自然照明強度不隨路程s的變化而變化，的變化而變化，此時有此時有 0expRCCTRRk RC 人眼的能見距離：人眼的能見距離： (人眼發(fā)現(xiàn)目標的閾值對比度人眼發(fā)現(xiàn)目標的閾值對比度為為0.02，固有對比度為，固有對比度為1)13.912ln0.02vRkk 因此，在給定的大氣能見距離因此，在給定的大氣能見距離Rv下，大氣透射比下，大氣透射比和大氣透明度分別為：和大氣透明度分別為： 113.9123.912exp,RvvRRRR 上午上午9時時13分分輻射在大氣中的傳輻射在大氣中的傳輸課件輸課件364.3 大氣吸收和散射計算大氣吸收和散射計算 2. 氣溶膠粒子衰減的經(jīng)驗模式氣溶膠粒子衰減的經(jīng)驗模式(1) 霾衰減的經(jīng)驗公式霾衰減的經(jīng)驗公式 霾的衰減系數(shù)：霾的衰減系數(shù)： 1/300.585, 63.912,1.3, 6101.6, 50vvqvvvRRkmqkmRkmRRkm 其中，其中，0取取0.55um或或0.61um。(2) 霧衰減的經(jīng)驗公式霧衰減的經(jīng)驗公式上午上午9時時13分分輻射在大氣中的傳輻射在大氣中的傳輸課件輸課件374.3 大氣吸收和散射計算大氣吸收和散射計算 ,44;vvAARR 是經(jīng)驗