大氣中的熱紅外輻射傳輸

大氣中的熱紅外輻射傳輸?shù)谝豁?，共二十九頁，編輯?023年，星期五熱紅外遙感

所有的物質(zhì)，只要其溫度超過絕對零度，就會不斷發(fā)射紅外能量。常溫的地表物體發(fā)射的紅外能量主要在大于3微米的中遠(yuǎn)紅外區(qū)，是熱輻射。熱紅外輻射不僅與物質(zhì)的表面狀態(tài)有關(guān)，而且是物質(zhì)內(nèi)部組成和溫度的函數(shù)。在大氣傳輸過程中，它能通過3-5微米和8-14微米兩個(gè)窗口。

熱紅外遙感就是利用星載或機(jī)載傳感器收集，記錄地物的這種熱紅外信息，并利用這種熱紅外信息來識別地物和反演地表參數(shù)和溫度、濕度和熱慣量等。第二頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期五關(guān)于熱輻射空間所有的物體都通過輻射方式交換著能量，如果沒有其它方式的能量交換，則一物體熱狀態(tài)的變化就決定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)該物體處于熱平衡狀態(tài)，因而我們可以用一函數(shù)溫度來描寫它。熱力學(xué)定律可以用于研究平衡輻射的吸收與放射的規(guī)律。一般來說，物體的輻射能量收支并不相等，物體處于非輻射平衡狀態(tài)。但是如果輻射熱交換過程相當(dāng)?shù)穆灾挛矬w中的內(nèi)能的分布來得及變化均勻，并繼續(xù)處于熱平衡狀態(tài)，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)，物體的狀態(tài)都可以看作是平衡的，仍可用一定的溫度來描述它。地球大氣中的輻射過程，一般認(rèn)為在地面以上至60km的大氣仍可視為處于局地輻射平衡狀態(tài)。地表與大氣耦合面能量交換過程復(fù)雜，一般在幾個(gè)微米的表層內(nèi)，處于非熱平衡狀態(tài)。第三頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期五熱紅外遙感系統(tǒng)熱紅外遙感在海面溫度、陸面溫度、大氣溫度、大氣水汽、云頂溫度的遙測中具有無可替代的地位。熱紅外遙感傳感器的發(fā)展十分迅速，現(xiàn)在使用和即將投入使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。第四頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期五傳

感

器衛(wèi)星/計(jì)劃波段數(shù)光譜范圍()空間分辨率(水平/垂直)視

場(度)瞬時(shí)視角mrad用

途AIRS大氣紅外探測儀EOS(美國)2300;63.74-15.413.5km-1km49.51.1大氣溫度濕度ASTER高級空間熱輻射熱反射探測器EOS(美國)148-1290m/無

21urad陸地表面,水和云ATSR縱向掃描輻射儀ERS-1(歐空局)2(MWR)3.7,11.012.01km×1km

1km×1km云,海面溫度AVHRR甚高分辨率輻射儀NOAA-11(美國)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)30.3-12.021km星下點(diǎn)/無7824地球輻射平衡HiRDLA高分辨率臨界動態(tài)分辨儀EOS(美國)216.0-18.010km/1km

1km×10km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)HIRS/21高分辨率紅外輻射探測儀NOAA-11(美國)200.69-14.9520.4m/無

大氣溫度濕度ILAS改進(jìn)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/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線形成像自掃描傳感器3型IRS-1C/1D(印度)40.52-17.523.5m/無

陸地和水資源管理現(xiàn)在及將來地球觀測計(jì)劃紅外傳感器概覽(星載部分)

第五頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期五現(xiàn)在及將來地球觀測計(jì)劃紅外傳感器概覽(星載部分)

MODIS中等高分辨率成像光譜輻射儀EOS（美國）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10048×48全球輻射收支SR掃描輻射儀FY-2中國30.55-12.05.73km/無

160urad氣象SROM海洋監(jiān)測光譜輻射儀ALMAZ-IB(中/俄)110.405-12.5600m星下點(diǎn)/無

海洋葉綠素生物生產(chǎn)率TMG溫室氣體干涉監(jiān)測儀ADEOS(日本)

0.33-14.010km/2-6km

10溫室氣體制圖VIRS可見光紅外光掃描儀TRMM(美國,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)30.5-12.52.5×2.5km5×5km/無180.14

地球大氣觀測第六頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期五主要的航空成像紅外光譜儀傳

感

器國

別波段數(shù)波段范圍()工作期間視

場(度)瞬時(shí)視場mrad用

途AMSS航空多光譜掃描儀澳大利亞68.5-12.0始于1985年922.1×3.1環(huán)境監(jiān)測ASTER模擬儀器美國208-12始于1991年65或1042或5.0云,陸地測量CIS中國成像光譜儀中國123.53-3.9410.5-12.5始于1993年801.2×1.2陸地表面觀測DAIS-7915數(shù)值式航空成像光譜儀

美國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DAIS-16115數(shù)值式航空成像光譜儀

美國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GER-63通道掃描儀美國68.0-12.5始于1986年903.3,2.5或5.0環(huán)境監(jiān)測地質(zhì)研究ISM紅外成像光譜儀法國641.6-3.2始于1991年40可選1.2×11地質(zhì)云雪植被MASMODIS航空模擬儀器美國500.547-14.521始于1992年85.922.5地球物理大氣海洋陸地表面MIVI多光譜紅外及可見光光譜儀美國108.2-12.7始于1993年702.0地質(zhì)和環(huán)境研究MUSIS多光譜紅外照相機(jī)美國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1001.0-5.2始于1993年0.70.77陸地表面觀測第七頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期五地球表面熱量平衡示意圖土壤熱通量經(jīng)過大氣（云）散射地球反射太陽輻射地球放射大氣（云）放射顯熱潛熱分子熱傳導(dǎo)光合作用反射大氣下行輻射大氣放射射入太陽輻射行星反照率紅外熱輻射1006931云和大氣反射大氣吸收（云）地表溫度是地球表面與大氣相互作用過程中的一個(gè)動態(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。直接通過大氣到達(dá)地表熱外遙感應(yīng)用第八頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期五

·熱紅外遙感是一種重要的對地觀測手段

地表溫度與海面溫度

·熱紅外遙感在環(huán)境動態(tài)監(jiān)測中具有宏觀、動態(tài)的優(yōu)點(diǎn)，如農(nóng)作物旱情遙感監(jiān)測、全球環(huán)境變化和中長期天氣預(yù)報(bào)研究；

·熱紅外遙感信息機(jī)理研究是遙感定量化的關(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。 第九頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期五遙感反演大氣水汽、溫度廓線第十頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期五大氣熱紅外輻射的性質(zhì)大氣的長波輻射性質(zhì)很復(fù)雜，不僅與吸收物質(zhì)(水汽，CO2與O2)分布有關(guān)，而且與大氣溫度、壓力有關(guān)。水汽（H2O）在6.3微米有一個(gè)較強(qiáng)的吸收帶，二氧化碳(CO2)分別在4.3微米和15微米有較強(qiáng)的吸收帶，O3在9.6微米處一個(gè)窄的吸收帶，所以能稱之為窗區(qū)的只有3.5—4.0微米，8—9.5微米和10.5—12.5微米三個(gè)波段。

水汽紅外區(qū)吸收帶很強(qiáng)，又占有較寬的波段，是最主要的吸收物質(zhì)，即使在大氣窗區(qū)也仍然有不可忽略的弱吸收作用，如果對海面溫度的測量精度要求在±0.5℃以內(nèi)，則修正大氣效應(yīng)便成為SST的主要問題。大氣在14微米以上，可以看成是近于黑體。地面14微米以上的遠(yuǎn)紅外輻射，不能透過大氣傳向空間。第十一頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期五 除非有云或塵埃等大顆粒質(zhì)點(diǎn)較多時(shí)，大氣對長波輻射的散射削弱極小，可以忽略不計(jì)。即使有云時(shí)，云中對長波的吸收作用很大，較薄的云層已可以視為黑體。

大氣不僅是削弱熱紅外輻射的介質(zhì)，而且它本身也發(fā)射熱紅外輻射，有時(shí)甚至發(fā)射的輻射會超出吸收的部分。 總之，熱紅外輻射在大氣中的傳輸，是一種漫射輻射在無散射但有吸收又有發(fā)射的介質(zhì)中的傳輸。第十二頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期五熱紅外光譜和溫室效應(yīng)地氣系統(tǒng)維持輻射平衡狀態(tài)，吸收太陽輻射的同時(shí)，也向太空發(fā)射輻射，地氣系統(tǒng)發(fā)射的輻射稱為熱紅外輻射。由能量守恒原理，令表示地氣系統(tǒng)的全球反照率，則由斯蒂芬-玻爾茲曼發(fā)射定律，我們得到平衡方程：S·ae2(1)=Te4·4ae2

ae是地球半徑；S是太陽常數(shù)，代表在大氣頂獲得的能量；Te代表地氣系統(tǒng)的平衡溫度。

于是有：Te

=[S(1)/4

]1/4

約為255K第十三頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期五根據(jù)第1章的普朗克定律和維恩位移定律可知，由地球和大氣發(fā)射的輻亮度小于太陽輻射的強(qiáng)度，而地球輻射場的峰值強(qiáng)度的波長大于太陽輻射峰值強(qiáng)度的波長。地氣系統(tǒng)發(fā)射的能量也稱為熱紅外輻射或地球輻射。大氣中各種氣體能夠捕獲熱紅外輻射是大氣的特性，所以稱為大氣效應(yīng)，也稱為溫室效應(yīng)。第十四頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期五大氣長波輻射傳輸?shù)奶攸c(diǎn)通常假定局地?zé)崞胶獾臒o散射平面平行大氣；各種氣體成份在長波波段有很多吸收帶；長波波段分子散射截面很小，可以忽略空氣分子Rayleigh散射截面與波長四次方成反比，地氣熱輻射98%在4~120微米范圍沙塵、云降水粒子在長波區(qū)散射明顯小于吸收作用，近似時(shí)可不考慮散射作用一般氣溶膠對長波輻射傳輸影響??；沙塵粒子尺度和數(shù)密度較大，云滴、雨滴的尺度更大，其對長波輻射的散射和吸收需要考慮第十五頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期五長波輻射傳輸中，介質(zhì)氣層的發(fā)射作用不能忽略，用Planck函數(shù)表示。當(dāng)氣層溫度超過入射光源的溫度，氣層發(fā)射的能量會超過它吸收的能量，使向前傳輸?shù)妮椛湓鰪?qiáng)；太陽輻射可近似為平行輻射，而地氣系統(tǒng)長波輻射各處都是光源，即地面和大氣輻射是漫射輻射，因此在平面平行大氣中紅外波段輻射傳輸與方位無關(guān)，只與天頂角有關(guān)大氣垂直方向密度不均勻，向上和向下傳輸不同，常將傳輸方程表達(dá)成向上和向下兩種形式大氣長波輻射傳輸?shù)奶攸c(diǎn)第十六頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期五大氣頂沒有長波向下輻射源（邊界條件）；地面對長波輻射的吸收有兩個(gè)特點(diǎn)：吸收率幾乎不隨波長變化；吸收率接近黑體海洋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大氣長波輻射傳輸?shù)奶攸c(diǎn)第十七頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期五無散射大氣LW輻射傳輸方程輻射傳輸?shù)钠毡榉匠炭紤]局域問題時(shí)，大氣處于熱力學(xué)平衡狀態(tài)，同時(shí)是平面平行結(jié)構(gòu)。按波數(shù)域表達(dá)為第十八頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期五向上和向下強(qiáng)度的解為無散射大氣LW輻射傳輸方程第十九頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期五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）通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）只考慮吸收作用，忽略散射；（4）必須把大氣的發(fā)射和吸收同時(shí)考慮；（5）假定大氣是水平均一的。第二十頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期五通過大氣中某一水平面的長波輻射通量密度應(yīng)當(dāng)由該面上的輻射亮度對半球空間積分求得，即：

一般說，大氣中是的函數(shù)，但是與無關(guān)，所以有

第二十一頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期五若只考慮經(jīng)過氣層的吸收削弱時(shí)，方向輻射亮度的變化為：

上式中為氣層中吸收物質(zhì)的訂正光學(xué)質(zhì)量，不隨z而變。

第二十二頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期五 在大氣中任一高度ｚ處，向上和向下的輻射為L↑,L↓,輻射通量密度為F↑，F(xiàn)↓。 高度坐標(biāo)定義地面為0，ｚ向上增加；對應(yīng)的訂正光學(xué)質(zhì)量為u，ｚ減少，ｕ增加。自ｚ至大氣上界的光學(xué)質(zhì)量為，↓的符號表示產(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。 先考慮ｚ高度以上氣層向下的輻射。對于光學(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。此微分層對于的吸收率為：第二十三頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期五按照基爾霍夫定律，也就是氣層元在方向上的放射率。氣層在方向放射的輻射亮度為:

式中，是絕對黑體輻射亮度，可由溫度、波長按普朗克定律定出。向下輻射經(jīng)過du氣層，在方向的變化為

第二十四頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期五上式是同時(shí)考慮氣層的吸收削弱和放射增強(qiáng)的長波輻射亮度傳輸方程。同樣，對于向上輻射也有

或者寫為

這種形式的傳輸方程又稱為Schwarzchild方程。第二十五頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期五這個(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。下面分別對于L↑及L↓給出邊界條件。(1)在大氣上界處，由于宇宙空間沒有長波輻射投入，故有：時(shí)，，。(2)在地面上，地表熱