輻射基礎(chǔ)知識(shí)課件

關(guān)于輻射基礎(chǔ)知識(shí)第1頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三第2頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三電磁輻射是氣象衛(wèi)星遙感的基礎(chǔ)圖象基本識(shí)別應(yīng)用衛(wèi)星資料探測(cè)原理電磁波譜基本輻射量基本輻射定律輻射在地球大氣系統(tǒng)傳輸規(guī)律第3頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三一、電磁波譜電磁波：是能量的一種，凡是能夠釋出能量的物體，都會(huì)釋出電磁波。（高于絕對(duì)零度）電磁波譜：為了對(duì)各種電磁波有個(gè)全面的了解，人們按照波長(zhǎng)或頻率的順序把電磁波排列起來，這就是電磁波譜第4頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三電磁波跟水波聲波等一樣λ--電磁波波長(zhǎng)?--電磁波頻率c--電磁波傳播速度波數(shù)—C的倒數(shù)第5頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三電磁波譜第6頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三第7頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三γ射線放射性元素蛻變時(shí)產(chǎn)生從10-11—10-4納米能量很高，能穿透非常稠密的物質(zhì)第8頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三Χ射線原子內(nèi)部的電子從激發(fā)態(tài)恢復(fù)到穩(wěn)態(tài)產(chǎn)生的有較高的頻率0.0045—10-5微米能穿透密度很大的物質(zhì)第9頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三紫外線原子和分子內(nèi)部電子狀態(tài)的改變引起的0.35—0.0045微米頻率較高各種物質(zhì)對(duì)短的紫外線波都有強(qiáng)烈的吸收第10頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三可見光狹窄的波長(zhǎng)間隔0.35—0.76微米對(duì)人眼的網(wǎng)膜施以一種特殊的刺激而引起視覺短紫外（紫藍(lán)綠黃橙紅）紅外長(zhǎng)第11頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三紅外線0.76—1000微米分子原子的振動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生短（近中遠(yuǎn)）長(zhǎng)在紅外線照射下，組織溫度升高，熱輻射、溫度輻射第12頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三微波1毫米-30厘米微波爐、天氣雷達(dá)10厘米無線電波大于30厘米第13頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三在氣象衛(wèi)星遙感中，主要采用可見光波段(0.35-0.76微米)紅外波段(0.76-1000微米)微波波段(1mm-30cm)

（圖像）第14頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三微波1.58厘米探測(cè)有云時(shí)的洪水第15頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三AMSU-A微波反演可降水總量第16頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三(1)與波相關(guān)的幾個(gè)量

電磁波在真空中的傳播速度是

2.997925±0.000003×1010cm/s

3×108m/s

每秒30萬公里二、基本的輻射量第17頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三電磁波的量子特性從量子觀點(diǎn)看：電磁輻射可以看作是一粒一粒以光速c運(yùn)動(dòng)的粒子流，這些粒子稱為光量子第18頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三光譜—任何物體只要其溫度大于0K都會(huì)發(fā)出電磁輻射。電磁輻射能量的大小與波長(zhǎng)成反比，波長(zhǎng)越短，能量越大。第19頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三與能量相關(guān)的幾個(gè)量輻射能電磁波攜帶的能量或物體發(fā)射的全部能量用來量度輻射做物理功的本領(lǐng)第20頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三輻射通量(j/s,w)單位時(shí)間內(nèi)通過某一表面的輻射能表示了輻射能傳遞的時(shí)間速率第21頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三輻射通量密度(wm-2)通過單位面積的輻射通量第22頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三輻照度投入到平表面上的輻射通量密度出射度(輻出度,輻射率)輻射體表面射出的輻射通量密度第23頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三電磁輻射包括太陽輻射、熱輻射、無線電波等，

它的波長(zhǎng)范圍很廣

從10-10微米（宇宙射線）到1010微米（無線電波）第24頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三電磁輻射包括太陽輻射熱輻射無線電波等第25頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三太陽高度角：是指太陽光的入射方向和地平面之間的夾角太陽方位角：太陽方位角即太陽所在的方位，指太陽光線在地平面上的投影與當(dāng)?shù)刈游缇€（南向）的夾角第26頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三當(dāng)輻射通過介質(zhì)時(shí)，

部分將透過，

部分被吸收，

部分被反射（散射）。

三部分輻射的總和等于入射到介質(zhì)的輻射能量。第27頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三吸收率反射率透過率第28頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三輻射定律

（基本輻射定律）第29頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三黑體如果某一物體在任何溫度下，對(duì)任意方向和任意波長(zhǎng)，其吸收率（或發(fā)射率）都等于1第30頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三灰體如果物體的吸收率與波長(zhǎng)無關(guān)，且為小于1的常數(shù)第31頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三選擇性輻射體物體的吸收率（或發(fā)射率）隨波長(zhǎng)而變?cè)谧匀唤缰薪^大多數(shù)物體是選擇性輻射體第32頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三不少選擇性輻射體在某些波長(zhǎng)間隔內(nèi)的吸收率隨波長(zhǎng)變化很小，可以近似看作灰體

在紅外波段，不少物體的吸收率近似為1，可看做黑體第33頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三發(fā)射率（比輻射率）將輻射體的輻射通量密度與具有同一溫度的黑體的輻射通量密度作比值其值介于0與1之間第34頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三輻射平衡

如果一個(gè)物體在某一溫度從外界得到輻射能量，恰等于物體因輻射而失去的能量，

則物體的熱輻射達(dá)到平衡，

使溫度保持不變第35頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三大氣中沒有完全的熱力平衡

局地?zé)崃ζ胶?/p>

設(shè)想大氣中存在如下狀態(tài)

氣體的每一體積元處在熱力平衡狀態(tài)中（對(duì)這個(gè)體積溫度而言）第36頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三以下定律

都在熱力平衡條件下成立第37頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三當(dāng)黑體的溫度升高時(shí)，最大輻射值朝短波方向移動(dòng)

太陽6000K，最大輻射波長(zhǎng)0.47微米

地球256K，最大輻射波長(zhǎng)10微米

維恩位移定律第38頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三第39頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三黑體的全波長(zhǎng)輻射本領(lǐng)與絕對(duì)溫度的4次方成正比

黑體溫度只要有很小的變化，就會(huì)引起輻射很大的變化

對(duì)于用輻射精確推算溫度十分有利

斯帝芬-波耳茲曼定律第40頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三第41頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三一物體在一定溫度下

發(fā)射某一波長(zhǎng)的輻射

則該物體在同一溫度下

吸收這種波長(zhǎng)的輻射

基爾霍夫定律第42頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三一物體是好的吸收體

也是好的發(fā)射體

反之亦然

基爾霍夫定律第43頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三亮度溫度Tb

如果物體發(fā)射的輻射亮度（輻射強(qiáng)度）與溫度為Tb的黑體輻射亮度相等

黑體的溫度Tb

叫做該物體的亮度溫度第44頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三亮度溫度比實(shí)際溫度低第45頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三亮度溫度是

用衛(wèi)星測(cè)到的輻射能的值

計(jì)算出來的(使用輻射定律)第46頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三黑體物體衛(wèi)星100100120100100實(shí)際溫度亮度溫度輻射能輻射能第47頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三亮度溫度

10.3—12.5微米

等效黑體溫度TBB

BlackBodyTemperature第48頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三在無云或少云區(qū)

TBB是地表黑體輻射溫度,值較高

TBB高值區(qū)常與高氣壓系統(tǒng)相對(duì)應(yīng)第49頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三在云區(qū)里

TBB是云頂?shù)妮椛錅囟?值較低

TBB低值區(qū)一般為云區(qū)

尤其是夏季和熱帶地區(qū)第50頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三冬季高緯地區(qū)和青藏高原

地表溫度很低(等于或低于云頂)

難以區(qū)分無云區(qū)和中低云區(qū)第51頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三第52頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三OLR產(chǎn)品不是衛(wèi)星觀測(cè)的直接結(jié)果，是要利用經(jīng)驗(yàn)的理論的方法，通過計(jì)算所得到的,屬于所謂二次產(chǎn)品。OutgoingLongwaveRadiation

OLR(5-50微米)

第53頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三OutgoingLongwaveRadiation

OLR(5-50微米)

窗區(qū)亮溫等效通量溫度第54頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三OLR(W/m2)和TBB

不同：物理意義、單位

相同：時(shí)間變化和空間分布

第55頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三OLR應(yīng)用OLR與熱帶大氣環(huán)流OLR與大氣低頻振蕩OLR反演的熱帶散度風(fēng)對(duì)ENSO的監(jiān)測(cè)OLR與亞洲季風(fēng)OLR與中國(guó)旱澇及西太平洋臺(tái)風(fēng)OLR與強(qiáng)地震預(yù)報(bào)第56頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三OLR產(chǎn)品要大范圍、長(zhǎng)時(shí)間的累計(jì)，才更能顯示出其潛在的價(jià)值。第57頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三舉例云量大，OLR低，數(shù)值紅外云圖云頂溫度低，OLR低，對(duì)流強(qiáng)OLR小，對(duì)流強(qiáng)，上升強(qiáng)，低層輻合，高層輻散；凝結(jié)釋放潛熱量大雨量大晴空洋面上OLR=SST用OLR〈240W/m2表征ITCZ，最小值連線第58頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三OLR表征ITCZ第59頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三四、太陽和地氣系統(tǒng)的輻射光譜第60頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三太陽輻射在大氣中的傳輸特性

太陽是一個(gè)巨大的火球

直徑約139.14萬公里

是地球直徑的104倍

太陽離地球的平均距離為1.495×108公里第61頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三太陽常數(shù)

太陽常數(shù)是指在不考慮大氣作用，在平均日—地距離處，垂直于太陽入射的表面上接收到太陽的輻照度。根據(jù)高空氣球，飛機(jī)，衛(wèi)星測(cè)量到的太陽常數(shù)數(shù)值為1353瓦/米2，其估計(jì)誤差為±21瓦/米2。太陽常數(shù)的變化與太陽黑子數(shù)有關(guān)。由太陽常數(shù)可以計(jì)算單位時(shí)間內(nèi)太陽輻射的總能量第62頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三地球表面測(cè)量到的太陽輻射光譜曲線

它是波長(zhǎng)的函數(shù)

太陽輻射能主要集中于0.3—3微米

輻照度最大值位于0.47微米

大約1/4的太陽輻射能在小于0.47波段

太陽輻射能總數(shù)的46%在0.4-0.76可見光波段第63頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三地球表面測(cè)量到的太陽輻射光譜曲線

它是波長(zhǎng)的函數(shù)

太陽輻射能主要集中于0.3—3微米

輻照度最大值位于0.47微米

大約1/4的太陽輻射能在小于0.47波段

太陽輻射能總數(shù)的46%在0.4-0.76可見光波段第64頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三太陽波譜及其輻射能量所占的比重第65頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三地球-大氣系統(tǒng)的輻射

紅外輻射

95%集中于4-120微米

最大輻射相應(yīng)波長(zhǎng)在10微米附近第66頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三地球接收太陽的短波輻射，

放出紅外長(zhǎng)波輻射第67頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三95%集中于4-120微米

最大輻射相應(yīng)波長(zhǎng)在10微米附近第68頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三第69頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三太陽輻射能0.3-3.0微米，太陽溫度高達(dá)6000K，最大輻射能位于0.47微米；地球大氣系統(tǒng)發(fā)出的輻射主要是紅外輻射，溫度300K地球大氣輻射發(fā)出的能量的95%集中于4-120微米，最大輻射波長(zhǎng)10微米。第70頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三第71頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三第72頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三通過大氣的太陽輻射或地球大氣系統(tǒng)輻射將被大氣中某些氣體所吸收，這些吸收隨波長(zhǎng)的變化很大，在某些波段的吸收很強(qiáng)，而在另一些波段的吸收則很弱，在這些吸收最弱的波段，太陽輻射和地球大氣輻射可以象光通過窗戶那樣透過大氣，這些波段稱做大氣窗。第73頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三大氣窗—地表反射的太陽輻射和地球大氣系統(tǒng)發(fā)射的輻射在通過大氣到達(dá)衛(wèi)星的途中，將被大氣中某些氣體所吸收，這些吸收隨波長(zhǎng)的變化很大，在某些波段的吸收很強(qiáng)（這些波段稱做吸收帶），而在另一些波段的吸收則很弱，在這些吸收最弱的波段，太陽輻射和地球大氣輻射可以象光通過窗戶那樣透過大氣，故這些波段稱做大氣窗第74頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三(1)臭氧的吸收主要位于太陽光的紫外區(qū)0．2—0．3微米處，臭氧完全吸收小于0.29微米的短