大氣中的熱紅外輻射傳輸[精選ppt課件

1、熱紅外遙感 空間一切的物體都經(jīng)過輻射方式交換著能量，假設(shè)沒有其它方式的能量交換，那么一物體熱形狀的變化就決議于放射與吸收輻射能量的差值。當(dāng)物體的輻射能量等于吸收的外來輻射能量，這時(shí)該物體處于熱平衡形狀，因此我們可以用一函數(shù)溫度 來描寫它。熱力學(xué)定律可以用于研討平衡輻射的吸收與放射的規(guī)律。 普通來說，物體的輻射能量收支并不相等，物體處于非輻射平衡形狀。但是假設(shè)輻射熱交換過程相當(dāng)?shù)穆?，以致物體中的內(nèi)能的分布來得及變化均勻，并繼續(xù)處于熱平衡形狀，那這時(shí)的輻射可視為具有準(zhǔn)平衡性質(zhì)。此時(shí)，物體的溫度是在變化的，但每一給定的瞬時(shí)，物體的形狀都可以看作是平衡的，仍可用一定的溫度來描畫它。 地球大氣中的輻射過

2、程，普通以為在地面以上至60km的大氣仍可視為處于局地輻射平衡形狀。地表與大氣耦合面能量交換過程復(fù)雜，普通在幾個(gè)微米的表層內(nèi)，處于非熱平衡形狀。 熱紅外遙感在海面溫度、陸面溫度、大氣溫度、大氣水汽、云頂溫度的遙測(cè)中具有無可替代的位置。熱紅外遙感傳感器的開展非常迅速，如今運(yùn)用和即將投入運(yùn)用的熱紅外傳感器達(dá)幾十種之多。我們把主要的熱紅外傳感器的有關(guān)信息列于下表。傳 感 器衛(wèi)星/方案波段數(shù)光譜范圍( )空間分辨率(程度/垂直)視 場(chǎng)(度)瞬時(shí)視角mrad用 途AIRS大氣紅外探測(cè)儀EOS(美國(guó))2300;63.74-15.413.5km-1km49.51.1大氣溫度濕度ASTER高級(jí)空間熱輻射熱反射

3、探測(cè)器EOS(美國(guó))148-1290m/無 21urad陸地外表,水和云ATSR縱向掃描輻射儀ERS-1(歐空局)2(MWR)3.7,11.012.01km1km 1km1km云,海面溫度AVHRR甚高分辨率輻射儀NOAA-11 (美國(guó))50.58-12.41.1km星下點(diǎn)/無 1.4海面溫度植被,氣溶膠CERES云和地球輻射能系統(tǒng)EOS(美國(guó))30.3-12.021km星下點(diǎn)/無7824地球輻射平衡HiRDLA高分辨率臨界動(dòng)態(tài)分辨儀EOS(美國(guó))216.0-18.010km/1km 1km10km大氣溫度水分及化學(xué)GLI全球成像儀ADEOSII(日本)34可見光,近紅外,熱紅外1km 碳循環(huán)

4、HIRS/21高分辨率紅外輻射探測(cè)儀NOAA-11 (美國(guó))200.69-14.9520.4m/無 大氣溫度濕度ILAS改良型臨邊大氣光譜儀ADEOS(日本)30.753-11.7713km/2km 大氣IR-MSS紅外多光譜掃描儀CBERS(中國(guó)/巴西)40.5-12.578m,156m/無8.78 中等分辨率制圖ISTOK-1紅外光譜輻射儀系統(tǒng)PRIRODA-1(俄羅斯)640.4-16.00.75-3km/無 大氣輻射LISS-3線構(gòu)成像自掃描傳感器3型IRS-1C/1D (印度)40.52-17.523.5m/無 陸地和水資源管理如今及未來地球觀測(cè)方案紅外傳感器概覽(星載部分) m如今

5、及未來地球觀測(cè)方案紅外傳感器概覽(星載部分) MODIS中等高分辨率成像光譜輻射儀EOS美國(guó)360.4-14.5250m,500m,1km/無 250,5001000m 地球物理過程大氣海洋陸地SCARAB輻射收支掃描儀POEM/ENVISAT-1(歐)40.2-50.060km/無1004848全球輻射收支SR掃描輻射儀FY-2中國(guó)30.55-12.05.73km/無 160urad氣候SROM海洋監(jiān)測(cè)光譜輻射儀ALMAZ-IB(中/俄)110.405-12.5600m星下點(diǎn)/無 海洋葉綠素生物消費(fèi)率TMG溫室氣體干涉監(jiān)測(cè)儀ADEOS(日本) 0.33-14.010km/2-6km 10溫室

6、氣體制圖VIRS可見光紅外光掃描儀TRMM(美國(guó),日本)53.75,10.812.02km/無 云輻射VISSR可見光紅外光旋轉(zhuǎn)式輻射掃描儀GMS(日本)20.5-0.7510.5-12.51.25-2.5km/無 地球制圖云覆蓋VISSR可見光紅外光自旋輻射掃描儀METEOSAT(歐空局)30.5-12.52.52.5km55km/無180.14 地球大氣觀測(cè)主要的航空成像紅外光譜儀傳 感 器國(guó) 別波段數(shù)波段范圍()任務(wù)期間視 場(chǎng)(度)瞬時(shí)視場(chǎng)mrad用 途AMSS航空多光譜掃描儀澳大利亞68.5-12.0始于1985年922.13.1環(huán)境監(jiān)測(cè)ASTER模擬儀器美國(guó)208-12始于1991年

7、65或1042或5.0云,陸地丈量CIS中國(guó)成像光譜儀中國(guó)123.53-3.9410.5-12.5始于1993年801.21.2陸地外表觀測(cè)DAIS-7915數(shù)值式航空成像光譜儀 美國(guó)163.0-5.08.7-12.7始于1993年64-783.3,2.5或5.0陸地海洋生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)DAIS-16115數(shù)值式航空成像光譜儀 美國(guó)6123.0-5.08.0-12.0始于1994年783陸地海洋生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)GER-63通道掃描儀美國(guó)68.0-12.5始于1986年903.3,2.5或5.0環(huán)境監(jiān)測(cè)地質(zhì)研討ISM紅外成像光譜儀法國(guó)641.6-3.2始于1991年40可選1.211地質(zhì)云雪植被MAS

8、MODIS航空模擬儀器美國(guó)500.547-14.521始于1992年85.922.5地球物理大氣海洋陸地外表MIVI多光譜紅外及可見光光譜儀美國(guó)108.2-12.7始于1993年702.0地質(zhì)和環(huán)境研討MUSIS多光譜紅外照相機(jī)美國(guó)90902.5-7.06.0-14.5始于1989年1.30.5化學(xué)蒸發(fā)光譜特征SMIFTS空間可調(diào)成像傅立葉變換光譜儀美國(guó)1001.0-5.2始于1993年0.70.77陸地外表觀測(cè)地球外表熱量平衡表示圖土壤熱通土壤熱通量量經(jīng)過大氣云散經(jīng)過大氣云散射射地球反射太陽輻地球反射太陽輻射射地球放射大氣云放射顯熱潛熱分子熱傳導(dǎo)光協(xié)作用光協(xié)作用反射大氣下行輻射大氣放射射入太

9、陽輻射射入太陽輻射行星反照率行星反照率紅外熱輻射紅外熱輻射1006931云和大氣反云和大氣反射射大氣吸收大氣吸收云云 地表溫度是地球外表與大氣相互作用過程中的一個(gè)動(dòng)態(tài)的熱平衡參量，它綜合了地表與大氣之間能量交換的全部結(jié)果。直接經(jīng)過大氣到達(dá)地表熱外遙感運(yùn)用 熱紅外遙感是一種重要的對(duì)地觀測(cè)手段地表溫度與海面溫度 熱紅外遙感在環(huán)境動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)中具有宏觀、動(dòng)態(tài)的優(yōu)點(diǎn)，如農(nóng)作物旱情遙感監(jiān)測(cè)、全球環(huán)境變化和中長(zhǎng)期天氣預(yù)告研討； 熱紅外遙感信息機(jī)理研討是遙感定量化的關(guān)鍵環(huán)節(jié) 與海面溫度相比，陸面溫度由于地表的復(fù)雜性面臨更多的困難。遙感反演大氣水汽、溫度廓線大氣在大氣在14微米以上，可以看成是近于黑體。地面微米以

10、上，可以看成是近于黑體。地面14微米以上微米以上的遠(yuǎn)紅外輻射，不能透過大氣傳向空間。的遠(yuǎn)紅外輻射，不能透過大氣傳向空間。射輻射在無散射但有吸收又有發(fā)射的介質(zhì)中的傳輸。射輻射在無散射但有吸收又有發(fā)射的介質(zhì)中的傳輸。rrr海洋0.96雪0.995石灰石0.91砂土0.89麥地0.93草地0.84黃土0.85黑土0.87(;,)(;,)(;,)d IIJd( ,)( ,)( ,)dIIBd ( ,)( ,)( ,)dIIBd 熱紅外輻射的大氣傳輸方程1地球與大氣都是發(fā)射紅外輻射的輻射源；2經(jīng)過大氣中的任一平面射出的都是具有各個(gè)方向的漫射輻射；3只思索吸收作用，忽略散射；4必需把大氣的發(fā)射和吸收同時(shí)思

11、索；5假定大氣是程度均一的。 經(jīng)過大氣中某一程度面的長(zhǎng)波輻射通量密度 該當(dāng)由該面上的輻射亮度 對(duì)半球空間積分求得，即： 普通說，大氣中 是 的函數(shù)，但是與 無關(guān)，所以有 LdLdFsincos),(2/020LdLFsincos)(22/0Fu假設(shè)只思索經(jīng)過氣層的吸收減弱時(shí)，假設(shè)只思索經(jīng)過氣層的吸收減弱時(shí)， 方向輻射亮度方向輻射亮度 的變化為：的變化為： 上式中上式中 為氣層中吸收物質(zhì)的訂正光學(xué)質(zhì)量，為氣層中吸收物質(zhì)的訂正光學(xué)質(zhì)量， 不隨不隨z而變。而變。 L,0dLLkdLkdz 1sec Lkdu0,secdzduk0,在大氣中任一高度處，向上和向下的輻射為L(zhǎng),L,輻射通量密度為F ， F

12、。高度坐標(biāo)定義地面為0，向上添加；對(duì)應(yīng)的訂正光學(xué)質(zhì)量為u，減少，添加。自至大氣上界的光學(xué)質(zhì)量為 ，的符號(hào)表示產(chǎn)生向下輻射的光學(xué)質(zhì)量， 表示整層向上輻射的光學(xué)質(zhì)量。先思索高度以上氣層向下的輻射。對(duì)于光學(xué)質(zhì)量為du的氣層元，自 方向，射入此氣層的輻射 要經(jīng)過 光學(xué)質(zhì)量的吸收。此微分層對(duì)于 的吸收率為 ：uzu0 ,Ldusec ,LAAdLLkdu0,sec按照基爾霍夫定律，按照基爾霍夫定律， 也就是氣層元在也就是氣層元在 方向上的放射率。氣層在方向上的放射率。氣層在 方向放射的輻射亮度為方向放射的輻射亮度為 : 式中式中 ，是絕對(duì)黑體輻射亮度，可由溫度、波長(zhǎng)按普朗克，是絕對(duì)黑體輻射亮度，可由溫度

13、、波長(zhǎng)按普朗克定律定出。定律定出。向下輻射向下輻射 經(jīng)過經(jīng)過du氣層，在氣層，在 方向的變化為方向的變化為 AAB ,TBdukBA,0,secBETT,1 ,LdL ,TBdukLdukdL,0,0,secsec)(sec, 0,TBLdukdL上式是同時(shí)思索氣層的吸收減弱和放射加強(qiáng)的長(zhǎng)波輻射亮度傳輸方程。上式是同時(shí)思索氣層的吸收減弱和放射加強(qiáng)的長(zhǎng)波輻射亮度傳輸方程。同樣，對(duì)于向上輻射也有同樣，對(duì)于向上輻射也有 或者寫為或者寫為 這種方式的傳輸方程又稱為這種方式的傳輸方程又稱為SchwarzchildSchwarzchild方程。方程。 )(sec,TBLdukdL)(sec, 0,TBLk

14、dudL)(sec, 0,TBLkdudL這個(gè)傳輸方程是一個(gè)一階線性微分方程。給出邊條件就可得解。下面分這個(gè)傳輸方程是一個(gè)一階線性微分方程。給出邊條件就可得解。下面分別對(duì)于別對(duì)于LL及及LL給出邊境條件。給出邊境條件。(1) (1) 在大氣上界在大氣上界 處，由于宇宙空間沒有長(zhǎng)波輻射投入，故有：處，由于宇宙空間沒有長(zhǎng)波輻射投入，故有： 時(shí)，時(shí)， ， 。 (2) (2) 在地面上，在地面上， 地表熱紅外輻射可以根據(jù)地表發(fā)射率和地表溫度地表熱紅外輻射可以根據(jù)地表發(fā)射率和地表溫度根據(jù)普朗克定律計(jì)算得到。假設(shè)把地表近似為黑體，溫度為根據(jù)普朗克定律計(jì)算得到。假設(shè)把地表近似為黑體，溫度為 ，那么有：，那么

15、有： 時(shí)，時(shí)， 。 將上述邊條件代入傳輸方程的解中，就可得出在高度上的將上述邊條件代入傳輸方程的解中，就可得出在高度上的 及及 ：uuzuuzLuz ,() 0Fuz()00uuT00uuLuBT ,()00（）)(,zLLz ,( )LzkBeduuzTkduu ,sec( )sec,0000kBeduuzTku000,secsec,duuukTdukuTeBdueBkzLsec00,000,0,sec0, 0,0sec)(sec,sec0, 00,00,00secukTukuTedueBkB對(duì)于大多數(shù)陸地地表而言，地表比輻射率小于1，不能簡(jiǎn)單作為黑體處置，我們必需思索地表反射的大氣下行輻射

16、項(xiàng)的影響，輻射傳輸方程更加復(fù)雜。3. 遙感傳感器寬通道的熱紅外輻射傳輸方程 Chandrasekhar (1960)把傳感器接納的熱紅外輻射表達(dá)為三項(xiàng)之和。思索到傳感器的波長(zhǎng)呼應(yīng)函數(shù)，傳感器接納到的信號(hào)可以用以下的表達(dá)式來表達(dá)。 其中 ddtLfdpdpptTpBfdtTBfRsbiisiisincos),()(), ,()(),()()(),()(),()(),(dppptTBLps),()()( 表示大氣的下行輻射， 表示傳感器接納的總輻射； 表示溫度為T時(shí)的黑體輻射； 表示地表比輻射率， 表示整層大氣的總透過率， 表示地表的多向反射率分布函數(shù)； 表示傳感器第通道的波長(zhǎng)呼應(yīng)函數(shù)。 分別表示傳感器的天頂角和方位角，