第一節(jié) 地球大氣的能量來源

1、第二章第二章 千變萬化的天氣現(xiàn)象千變萬化的天氣現(xiàn)象1 地球大氣的能量來源三個主要內容（1）電磁波譜（2）大氣對太陽輻射傳播的影響（3） 長短波輻射能量分配 1.1 電磁波譜 太陽能以電磁波的形式到達地球。 電磁波是一種能在宇宙空間傳播的能量形式，一般依據(jù)波長或頻率來分類。 能量以電磁波的形式傳遞稱為輻射（radiation）。 1.1 電磁波譜 太陽光譜是連續(xù)的，且輻射特性與絕對黑體輻射特性近似； 能量各波段所占比例不同，近紫外、可見光、近紅外和中紅外部分約占太陽總輻射的84.62%；X射線、射線、遠紫外、遠紅外及微波波段的總能量不到1%。 地表接受的太陽輻射曲線與大氣外的曲線不同，差異主要由

2、大氣引起。 吸收：水、氧、臭氧、二氧化碳等；散射。1.2 大氣對太陽輻射傳播的影響 折射 反射 吸收 散射1.2 大氣對太陽輻射傳播的影響主要吸收帶：水汽： 0.94 m ， 1.13 m ，1.38 m ， 1.86 m ， 2.5-3.0 m ， 3.24 m ， 5-7 m ，7.13 m ，24 m以上（微波）；二氧化碳：2.8 m ，4.3 m臭氧：0.2-0.32 m ，0.6 m ，9.6 m氧氣：0.2 m ，0.6 m ，0.76 m1.2 大氣對太陽輻射傳播的影響散射：輻射在傳播過程中遇到小微粒而使傳播方向改變，散射：輻射在傳播過程中遇到小微粒而使傳播方向改變，并向各個方向

3、散開。其實質是電磁波的衍射。并向各個方向散開。其實質是電磁波的衍射。由于粒子的散射作用使電磁波在原傳播方向上的由于粒子的散射作用使電磁波在原傳播方向上的輻射強度減弱，增加了向其它各方向的輻射輻射強度減弱，增加了向其它各方向的輻射三種散射類型：三種散射類型： 瑞利散射瑞利散射 米氏散射米氏散射 無選擇性散射無選擇性散射I-4I-21.2 大氣對太陽輻射傳播的影響瑞利散射率與波長的四次方成反比，因此，瑞利散射的強度隨著波長變短而迅速增大。紫外線是紅光散射的30倍，0.4微米的藍光是4微米紅外線散射的1萬倍（多波段中不使用藍紫光的原因） 瑞利散射對可見光的影響較大，對紅外輻射的影響很小，對微波的影響

4、可以不計。瑞利散射1.2 大氣對太陽輻射傳播的影響 大氣中的微粒如煙、塵埃、小水滴及氣溶膠等引起的散射，粒子直徑與輻射的波長相當。這種散射的強度對氣候影響大。 米氏散射的散射強度與波長的二次方成反比， 即 I-2 且散射光的向前方向比向后方向的散射強度更強，方向性較明顯 云霧對紅外線（0.76-15 m ）的散射主要氏米氏散射云、霧的粒子大小與紅外線的波長接近，所以云霧對對紅外線的米氏散射不可忽視。米散射(Mie scattering)1.2 大氣對太陽輻射傳播的影響 大氣中的微粒如煙、塵埃、小水滴及氣溶膠等引起的散射，粒子直徑與輻射的波長相當。這種散射的強度受氣候影響大。 米散射的散射強度與

5、波長的二次方成反比， 即 I-2 且散射光的前向散射比后向散射強度更強，方向性較明顯 云霧對紅外線（0.76-15 m ）的散射主要是米散射。 云、霧的粒子大小與紅外線的波長接近，所以云霧對對紅外線的米散射不可忽視。米散射(Mie scattering)（水汽與霞光）1.2 大氣對太陽輻射傳播的影響發(fā)生在大氣粒子的直徑比波長大得多時。散射的特點時散射強度與波長無關，任何波長的散射強度相同無選擇性散射(Non-selective scattering)1.2 大氣對太陽輻射傳播的影響 散射強度遵循的規(guī)律與波長密切相關。在大氣狀況相同時，同時會出現(xiàn)各種類型的散射。 對于大氣分子、原子引起的瑞利散射

6、主要發(fā)生在可見光和近紅外波段。波長超過1m 后，瑞利散射的影響大大減弱，而米氏散射的影響逐漸超過瑞利散射。 大氣中的云層、小雨滴等，由于直徑較大，對不同波長產(chǎn)生不同散射作用。對于可見光而言只有無選擇性散射發(fā)生 , 云層越厚無選擇散射越強。云霧對紅外線（0.76-15 m ）的散射主要是米氏散射；對于微波而言，粒子的直徑比微波波長小很多，則屬于瑞利散射的類型，散射強度與波長四次方成反比，波長越長，散射強度越小。在這一條件下，微波探測便可以發(fā)揮優(yōu)越性，將有最小散射、最大透射，而具有“穿云透霧”的能力。散射特征總結主要發(fā)生在云層頂部取決于云量和云霧，且波段不同大氣影響不同，削弱了電磁波強度大氣反射1

7、.2 大氣對太陽輻射傳播的影響電磁波穿過大氣層時，會產(chǎn)生傳播方向改變，即折射現(xiàn)象。大氣密度越大，折射率越大；離地面高度越大，空氣越稀薄，折射率越小。地面接收的電磁波方向與實際太陽輻射方向偏離了一個角度，稱為折射值。折射折射改變了太陽輻射的方向，并不改變太陽輻射的強度。1.2 大氣對太陽輻射傳播的影響大氣折射大氣折射對電磁波傳播的影響？電磁波通過大氣層時較少被反射、吸收或散射的透過率較高的波段，稱為大氣窗口。太陽輻射經(jīng)過大氣傳輸后，主要是反射、吸反射、吸收和散射收和散射的共同影響衰減了輻射強度，剩余部分即為透過透過部分。1.2 大氣對太陽輻射傳播的影響 遙感傳感器只能選擇透過率較高的波段透過率較

8、高的波段才有意義。（反照率， 反演）0.3-1.3m：即紫外、可見光、近紅外波段。這一波段是攝影成像的最佳波段，也是許多衛(wèi)星傳感器掃描成像的常用波段。比如，Landsat 衛(wèi)星的TM的1-4波段，SPOT衛(wèi)星的HRV波段等。1.5-1.8m, 2.0-3.5m，即近、短波、中紅外波段，在白天日照條件好的時候掃描成像常用這些波段，比如TM的5、7波段等用以探測植物含水量以及云、雪或用于地質制圖等。3.5-5.5m，即中紅外波段，物體的熱輻射較強。這一區(qū)間除了地面物體反射光譜反射太陽輻射外，地面物體也有自身的發(fā)射能量。如NOAA衛(wèi)星的 AVHRR傳感器用3.55-3.93m探測海面溫度，獲得晝夜云

9、圖。8-14m，即遠紅外波段。主要來自物體熱輻射的能量，適于夜間成像，測量探測目標的地物溫度。0.8-2.5cm至更長, 即微波波段，由于微波穿云透霧的能力，這一區(qū)間可以全天候工作。而且工作方式為主動遙感。其常用的波段為0.8cm，3cm，5cm, 10cm等等, 有時也可將該窗口擴展為0.05cm至300cm 波段。主要的大氣窗口光譜段1.2 大氣對太陽輻射傳播的影響1.3 輻射能量分配38地面輻射平衡？大氣輻射平衡？1.3 輻射能量分配地氣系統(tǒng)輻射差額 收入部分是地面和大氣吸收的太陽輻射；支出部分為發(fā)射到宇宙空間去的地面和大氣的長波輻射 地氣系統(tǒng)輻射平衡隨緯度增高由正值變?yōu)樨撝?，?5S35N之間為正值，在此范圍以外的中、高緯度地區(qū)則為負值。 輻射平衡的這種分布正是引起高低緯度之間大氣環(huán)流和洋流產(chǎn)生的基本原因。 1.3 輻射能量分配1.3 輻射能量分配 在一定地理環(huán)境中形成、發(fā)展和演變的天氣系統(tǒng)是天氣變化的主要原因。 比如極地和高緯地區(qū)，終年嚴寒、干燥。這一環(huán)境特性成為極地和高緯地區(qū)