大氣輻射傳輸理論-第三章

第三章太陽輻射在大氣中的吸收和散射第一節(jié)地球大氣的成分和結構為了描述地球大氣與太陽輻射的相互作用，我們首先來了解一下大氣的結構和成分。熱力結構為了確定與太陽光吸收和散射有關的大氣區(qū)域，我們首先給出標準大氣的垂直溫度廓線：大氣的分層命名通常由它的熱力狀態(tài)導出對流層－對流層頂?shù)母叨入S緯度和季節(jié)變化(低緯17~18km，中11~12km，高8~9km)；集中了整個大氣質量的3/4和全部的水汽；天氣現(xiàn)象都發(fā)生在這一層。平流層－高達50km；氣層穩(wěn)定；T最初微升，30km以上隨Z的升高增加很快，達270～290K。這主要是由于O3吸收紫外輻射所致；水汽很少，能見度很高。中層－高達80~85km；T隨Z升高而遞減得很快；有強烈的湍流混合和光化學反響。熱層－高達500~600km；T隨Z上升而迅速增加，可達1000~2000K，所以稱熱層；由于波長小于0.175微米的太陽紫外輻射，被熱層氣體吸收所致。溫度是分子運動速度的一個度量；溫度一日間有顯著變化；熱層處于高度電離狀態(tài)。外層－熱層頂以上是外層，這一層可能一直延伸到約1600km的高空，并且逐步融合到行星空間去。由于地球引力場的束縛力很小，一些高速運動的空氣質粒不斷向星際空間逃逸，又稱外逸層。電離層－從距離約60km開始向上延伸。在遠距離無線電通訊中起著重要作用。與太陽活動密切相關。磁層－500km以上的高空。受太陽風的作用，看起來像彗星狀。行星邊界層：大氣層的最低1km左右的層次明顯與對流層的其他高度不同，它與地表發(fā)生強烈而重要的相互作用，這一層稱為行星邊界層?；瘜W成分體積比假設在壓力P、溫度T狀態(tài)下干空氣占有容積Va，其中某氣體成分的分壓力為p，當溫度T保持不變，而該氣體成分的壓力變?yōu)镻時。它占有容積V，那么定義該氣體成分的體積比為q=V/Va其數(shù)值以百分數(shù)〔％〕或百萬分數(shù)〔ppm〕表示，當含量非常少時，又可以用千兆分數(shù)〔ppb〕表示。CO2，CH4CO2雖然被列為恒定成分，但由于礦物燃燒、海洋的吸收和放射及光合作用，一直以大約0.4％的速度增加。CO2能夠強烈地吸收和放射紅外輻射，對氣溫有一定的影響。大氣中CH4的含量也以每年1％～2％的速率在增加，現(xiàn)在達1.7ppmvCO,N2O的含量也在變化可變氣體成分：H2O水汽是地球大氣中主要的輻射和動力要素，它的含量隨時空變化很大。對流層H2O的空間分布取決于局地水文循環(huán)和大尺度輸送過程。最大值出現(xiàn)在南、北半球亞熱帶700hpa高度以下的氣層中。它是在大氣溫度變化范圍內唯一可以發(fā)生相變的成分。由于水的三態(tài)都善于吸收和放射紅外輻射，因而對地面和空氣的溫度變化也有一定的影響。水汽的吸收系數(shù)可變氣體成分：O3O31840年瑞士科學家首先發(fā)現(xiàn)臭氧。濃度主要出現(xiàn)在約15～30km的高度，這個區(qū)域稱為臭氧層〔法國〕。近地面空氣中臭氧的含量極少，在20～25km處達極大值，具體取決于緯度和季節(jié)，再往上又減小，到50km附近臭氧含量趨于零。如果把它集中起來，在標準狀態(tài)下，平均厚度約3mm。它的形成主要是由于太陽紫外輻射的作用。臭氧在大氣中的含量雖然很小，但其作用卻很大。臭氧吸收系數(shù)氣溶膠氣溶膠：氣溶膠由固體或液體小質點分散并懸浮在氣體介質中形成的膠體分散體系。目前常將氣溶膠分成三大類：①霧，指液體粒子的凝聚性氣溶膠和分散性氣溶膠；②塵，指固態(tài)粒子的分散性氣溶膠；③煙，指固態(tài)粒子的凝聚性氣溶膠。大氣電現(xiàn)象，大氣輻射和光學，大氣化學過程，以及云降水的形成，都跟氣溶膠有關。最大濃度出現(xiàn)在城市和沙漠，在對流層，濃度隨高度增加而迅速減小。平流層某些高度上，觀測到有氣溶膠薄層長期存在。大氣中水汽含量的變化最大，氣溶膠濃度的變化次之，二氧化碳的變化比擬小。參看《氣溶膠教程》章澄昌，氣象出版社，1993。標準大氣第二節(jié)大氣吸收吸收截面，吸收系數(shù)太陽輻射—短波輻射：0.15~4.0mm(UV,VIS,IR)地氣輻射—長波輻射：4.0~120mm(IR)短波輻射在大氣中的傳輸短波輻射指波長在0.2mm到4.0mm的輻射，其主要的源是太陽，因此也稱為太陽輻射，包括UV，VIS和IR輻射。在這一波長范圍，大氣自身的熱輻射相對較弱，常?？梢圆患涌紤]，僅在近紅外波段，才需要給予考慮。但本波段所涉及電磁波的波長與大氣氣溶膠的尺度相近，因此氣溶膠的散射和吸收需要進行仔細的計算。紫外吸收帶對太陽輻射的吸收起主要作用的有O2、O3、N2、CO2、H2O以及原子O和N大局部紫外輻射在高層大氣中被集中于平流層的O3分子吸收1〕Hartley帶：最強的吸收帶，位于0.22-0.30mm，吸收中心在0.255mm。2〕Huggins帶：0.30-0.34mm。3〕Chappuis帶：0.44-0.74mmSOLARSPECTRUM大氣質量在上面公式計算中都要用到大氣質量這個參數(shù)。按定義，大氣質量是傾斜路徑的光學厚度與垂直路徑光學厚度之比在均質平面平行大氣中，簡單地有dl=secqdz，且secq為常數(shù)，可移至積分號以外，因此大氣質量即為secq而與kl(z)無關。但在又折射、密度隨高度變化的球面分層大氣中，大氣質量m的計算就要復雜得多?！才c地面大氣密度，均質大氣高度。地球半徑，折射率隨z的變化，天頂角有關〕從圖中可以看到，對同樣厚度的一層大氣，由于它離地面的高度不同，dl與dz的比值是不相同的?，F(xiàn)在再考慮公式中的積分值。由于kl(z)隨高度有不同的分布，當kl值在低層較大，而那里的dl值也較大，這樣分子上的積分值就會較大，反之，如果kl的大值出現(xiàn)在高層，那里dl的值相對較小，其結果是分子上的積分值相對較小。因此對二種具有不同垂直分布特征的吸收氣體，即使對垂直路徑而言，吸收的光學厚度是相同的，但對吸收氣體主要分布在高空的氣體其大氣質量會小于主要集中在低層的吸收氣體。實際大氣中臭氧和水汽分布就具有上述特征，因此它們的大氣質量要分別計算。而對其它均勻混合的氣體，其大氣質量的計算可用同一個表達式，這是根據(jù)標準大氣的模型推算出來的。對臭氧和水汽吸收，根據(jù)這些氣體在大氣中分布的平均狀況，可以分別得到計算各自大氣質量的經(jīng)驗公式。對臭氧對水汽上面二式中q為太陽天頂角，z3為臭氧分布的峰值高度，一般為22km，re=6371km，為地球半徑。太陽直接輻射光譜可見光區(qū)和近紅外區(qū)的吸收H2O的吸收是最重要的，其次就是CO2和O3，以及CH4、N2O、CFCs等大氣痕量氣體。H2O主要集中在大氣下層，吸收作用主要在對流層，特別是對流層下層。近紅外區(qū)的最重要吸收成分是水汽。主要的吸收帶位于：0.94mm，1.1mm，1.38mm和1.87mm。另外在中、遠紅外分別有2.7mm和6.3mm的強吸收帶。水汽的吸收系數(shù)圖中影區(qū)代表大氣中各種微量氣體對太陽輻射通量的吸收。分子氧吸收紫外輻射的同時，在紅區(qū)有兩個弱吸收帶，0.762mm的O2吸收帶特別知名。O3在9.6mm處也較強吸收帶。CO2的混合比在大氣中幾乎是均勻的，所以，在水汽含量極少的平流層中，CO2的吸收最主要。在紅外區(qū)CO2有兩個強吸收帶分別位于15mm和4.3除了上述重要的吸收氣體成分外，尚有一些微量氣體在紅外區(qū)也有假設干吸收帶。由于他們含量微少，吸收作用不十分顯著。參看《大氣輻射學》，劉長盛劉文保編著，南大出版，1990。第73頁的fig.2.5紅外吸收帶微波吸收大氣對微波輻射吸收的主要氣體成分是O2分子和H2O分——分子轉動能級躍遷產(chǎn)生，譜帶結構比分子紅外振轉帶簡單得多。微波吸收線型函數(shù)一般取修正的Lorentz型。大氣微波輻射量很少，因此在能量傳輸中并不重要，但在遙感應用方面卻十分重要，微波輻射在云中傳輸時衰減小，可穿透云，優(yōu)于紅外遙感。雖然微波輻射能量微弱，但利用電子技術檢測微波輻射卻容易做到。窗區(qū)吸收大氣窗區(qū)：從大氣吸收光譜可以看到，在較強吸收帶之間，有著一些吸收很弱的譜區(qū)域，稱為大氣窗區(qū)。即大氣透過率高的光譜區(qū)。對于遙感和大氣能量收支研究而言，窗區(qū)和帶區(qū)同等重要。窗區(qū)的吸收主要有兩局部：1〕由于遠處強吸收帶區(qū)內吸收線的線翼連續(xù)吸收作用；2〕由于窗區(qū)內弱吸收線作用。吸收弱測量困難大氣窗口大氣窗口：電磁波在大氣中傳輸過程中吸收和散射很小，透射率很高的波段窗區(qū)吸收窗區(qū)吸收主要的大氣窗口光譜段有：μm，即紫外、可見光、近紅外波段。這一波段是攝影成像的最正確波段，也是許多衛(wèi)星傳感器掃描成像的常用波段。比方，Landsat衛(wèi)星的TM的1-4波段，SPOT衛(wèi)星的HRV波段等。μμm，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，比方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。μμm探測海面溫度，獲得晝夜云圖。8-14μm，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。大氣透過率的計算方法逐線積分求和必須要普及所有有影響的吸收線，在低層大氣，由于壓力較大，線翼伸展較遠，故必須考慮波數(shù)兩側數(shù)十個波數(shù)范圍內吸收線的影響。關于譜線的位置、強度和半寬度的數(shù)據(jù)可以從匯編資料中查得，譜線線型函數(shù)那么須視所處壓力范圍而分別Lorentz型、Voigt型和Doppler型。此方法的特點是：計算精度較高，但十分繁瑣。大氣透過率的計算方法帶模式一、單譜線模式假設在波段間隔Δ內只有一條吸收譜線，且路程內吸收氣體含量均勻，又設譜線半寬度與Δ相比甚小，假定在Δ內入射輻射不隨變化，在Δ外譜線吸收微弱。低層大氣——Lorentz型；高層大氣——Doppler型；求出吸收率A的表達式中層大氣——Voigt型實驗發(fā)現(xiàn):當吸收弱時，積分吸收率A與光學質量u成正比當吸收強或吸收氣體含量大時，吸收率與u的平方根成正比等效寬度〔equivalentwidth〕Equiv.widthofLorentzprofileCaseofweaklineabsorption二、譜帶模式1、規(guī)那么模式—Elsasser周期模式2、隨機模式—Goody統(tǒng)計模式譜帶模式如果不需要了解高分辨的大氣透過率，只需要了解一個小的光譜間隔內的平均透過率，通常采用一些簡化的模式，這種簡化模式表示某一小波段內的平均透過率與光譜參數(shù)的關系，由于方便常被采用。思想：設想在吸收帶中吸收譜線的位置和強度按一定規(guī)律分布，且可以用數(shù)學函數(shù)表示出來，公式中的光譜參數(shù)可由實驗確定。Elsasser周期模式(1938)離特定譜線中心、波數(shù)位移ν處的吸收系數(shù):無窮級數(shù)之和，收斂為周期雙曲函數(shù)(Mittag-Lefflertheorem)吸收帶所有吸收譜線完全周期性地重復出現(xiàn)只需要計算一個周期〔-δ/2,+δ/2〕內的平均透過率和平均吸收率代表整個吸收帶J0(iy)為零階虛宗量Bessel函數(shù)，亦稱Elsasser透射函數(shù)弱線近似y<<1,β較大:sinhβ=coshβ,J0(iy)≈1u小，線強S也小，可認為Su/δ<<1，那么強線近似y>>1,β小:sinhβ≈β,coshβ≈1+β2/2吸收率可用誤差函數(shù)表示將誤差函數(shù)做級數(shù)展開，取首項弱線近似與強線近似，分別與線性吸收律和平方根吸收律一致。隨機模式－Goody統(tǒng)計模式(1952)當吸收譜線分布不均勻，且譜線強度變化很大時，即譜線有明顯的隨即分布特征。做一下假設：假設:Δν內有足夠多的吸收線〔n條，平均距離δ〕，其中心位置任意〔隨機量〕，即Δν內吸收線中心位置在任何波數(shù)都有同樣的概率吸收線強S強弱不等，S到S+dS的概率為p(s)弱線近似〔?u/πα<<1〕強線近似〔?u/πα>>1〕1967年，Malkmus提出Goody1952年的統(tǒng)計模式對弱線的數(shù)目估計偏低，他將線強分布函數(shù)做了調整，被稱為Malkmus模式實際的吸收帶結構與它們有差異，但是利用上述模式進行計算有許多方便之處。可以先從實驗測量確定模式中的光譜參數(shù)，然后再利用模式計算平均透過率。此方法的特點是：計算簡單，但誤差較大。帶模式方法的局限性1〕只能模擬實際的譜線及其強度分布。某一種氣體，某一光譜區(qū)2〕對純壓力加寬以外的線型，帶模式失去其簡單性3〕對大多數(shù)帶模式來說，光譜分辨率是較低4〕精度和適用范圍不僅與模式本身有關，還受確定帶模式參數(shù)的資料〔如實驗室資料〕精度和適用范圍限制5〕帶模式只能用來計算均勻路徑上的吸收，對非均勻的情況，必須化為在某一溫度和壓力下的等效均勻路徑Curtis-Godson近似帶模式中假設吸收系數(shù)與路徑無關，但Lorentz線型半寬度是T、p的函數(shù)，線強是T、ν的函數(shù)為將譜帶模式應用到壓力和溫度隨高度而變化的的非均勻大氣中，需要進行某些物理修正。常用的是C-G近似方法由于在大氣中含量的垂直分布的不同，C-G近似可較好地用于水汽和CO2的紅外傳輸計算，但不能對O3的9.6微米帶進行計算對總光學質量為u的不均勻大氣傳輸路徑，其k是T、p的函數(shù)，定義路徑平均