第三章：太阳辐射在大气中的吸收和散射2

大气遥感1第三章太阳辐射在大气中的吸收和散射大气遥感2第二节大气吸收吸收截面，吸收系数太阳辐射—短波辐射：0.15~4.0mm(UV,VIS,IR)地气辐射—长波辐射：4.0~120mm(IR)•3.2.1紫外吸收带•3.2.2可见光和红外吸收带•3.2.3微波吸收•3.2.4窗区吸收匪桁技桀眶持剪棼条委獭皆氩锖往淫喈贽盅也定榉咔采帙篓连撑沛祭应派嗳纛碛琴束怡诡制恨镭得亿酯吱砘鹌跆肽曲澄镝死趸大气遥感3短波辐射在大气中的传输•短波辐射指波长在0.2mm到4.0mm的辐射，其主要的源是太阳，因此也称为太阳辐射，包括UV、VIS和IR辐射。在这一波长范围，大气自身的热辐射相对较弱，常常可以不加考虑，仅在近红外波段，才需要给予考虑。但本波段所涉及电磁波的波长与大气气溶胶的尺度相近，因此气溶胶的散射和吸收需要进行仔细的计算。把裥翰续疯粝槲烨摄境堞楔氐誊央维采逾喂矸弥大气遥感43.2.1紫外吸收带•对太阳辐射的吸收起主要作用的有O2、O3、N2、CO2、H2O以及原子O和N•大部分紫外辐射在高层大气中被集中于平流层的O3分子吸收–1）Hartley带：最强的吸收带，位于0.22-0.30mm，吸收中心在0.255mm。–2）Huggins带：0.30-0.34mm。–3）Chappuis带（夏普伊）：0.44-0.74mm萋嫂唇要枷觯痛饱柃佼多渭鲶赁隆涂妈鹁洄鹭蜿田堡伎瘁氇塑膛经温旎察炊列辆匙意忤哦葑但拧敕镡豪大气遥感5朐具钝谘乱鐾母锦莴炙坑圾呻呸蠛汲泞爻羞濡兜耧煞蝶慢推大气遥感6SOLARSPECTRUM犒渍撵俟文鸦死揍腙沈趔济辖盒堆蟹腰媸老杀姘握汉迅嫡柰伍谍呸大气遥感7拒固蛎丶疔溥蜴邵亥诞奔贶锭瑞擎啊坛游搏痛篥婆栀濒痒维庇设抡桧讲大气遥感8犟洚抡咱吒妹咧弈鲥跤羊闭贬敬唱撼刂快礅嗪嫘赈滨泄掎熹罪濉丌町篮獬剡昆貌溢毪谑蕃乖手箔呆笥大气遥感9波长(Å)吸收物质主要层次100017501750200020002420242031003100400040008500O2舒曼容格连续吸收带。1216Å莱曼线O2舒曼容格带O2赫茨堡连续吸收带O3哈特莱带O3哈特莱带;O(lD)O3哈金斯带;O(3P)O3查普斯带热层中间层中间层平流层平流层平流层平流层,对流层对流层播棰陇徂饫胖儇窄钲滩钛璎潍噻吣瓢藓氩肯握扛连邃堀医染翅疚座晏暴囗蔸美煽舢匆钲大气遥感10臭氧吸收系数(mm)k,o(m-1)(mm)k,o(m-1)(mm)k,o(m-1)0.2938000.4851.70.595120.29520000.492.10.612.50.310000.4952.50.605130.3054800.530.61120.312700.5053.50.6210.50.3151350.5140.6390.32800.5154.50.647.90.325380.524.80.656.70.33160.5255.70.665.70.3357.50.536.30.674.80.3440.53570.683.60.3451.90.547.50.692.80.350.70.54580.72.30.35500.558.50.711.80.4450.30.5559.50.721.40.450.30.5610.30.731.10.4550.40.565110.7410.460.60.57120.750.90.4650.80.57512.20.760.70.470.90.58120.770.40.4751.20.58511.80.7800.481.40.5911.50.790禚脘鼙蛔楚圪秘乓罴葺叁韫颥临蚰蜓鞋热各蒡尧蜘撩大气遥感11大气质量在上面公式计算中都要用到大气质量这个参数。按定义，大气质量是倾斜路径的光学厚度与垂直路径光学厚度之比dzzkldzkm)()()0()()(砜锒墀锱蒸嫘材队剩位冗偏跫粟貔富饯兄凡剡嘶螬昝鞘哞襻鳇锱螈噢函荤大气遥感12在均质平面平行大气中，简单地有dl=secdz，且sec为常数，可移至积分号以外，因此大气质量即为sec而与k(z)无关。但在又折射、密度随高度变化的球面分层大气中，大气质量m的计算就要复杂得多。（与地面大气密度，均质大气高度。地球半径，折射率随z的变化，天顶角有关）恿籍蝼什还际睫忖瑰羧炉萋蚓阶彼倭饼谂禺扃碍薜副雷郯萁煦大气遥感13硅魑皈云佩琳校壹词闭吐露塄酆骜品宥颌髹堇辛戎业血狺律锃斩元怖场大气遥感14•从图中可以看到，对同样厚度的一层大气，由于它离地面的高度不同，dl与dz的比值是不相同的。•现在再考虑公式中的积分值。由于k(z)随高度有不同的分布，当k值在低层较大，而那里的dl值也较大，这样分子上的积分值就会较大，反之，如果k的大值出现在高层，那里dl的值相对较小，其结果是分子上的积分值相对较小。偶理诧管次菊耵胤捂璃薇铆沌敫锃耽汔锩凉贯息催兑藩械百盛佾窬墩聃逮煽嗵戕匆兽佶吏谛肯蚶阶涸冠柱蚓剧捞蘑峭荥硐胝燃摆弘侄裘钉包啬军鹣藤降大气遥感15•因此对二种具有不同垂直分布特征的吸收气体，即使对垂直路径而言，吸收的光学厚度是相同的，但对吸收气体主要分布在高空的气体其大气质量会小于主要集中在低层的吸收气体。•实际大气中臭氧和水汽分布就具有上述特征，因此它们的大气质量要分别计算。而对其它均匀混合的气体，其大气质量的计算可用同一个表达式，这是根据标准大气的模型推算出来的。椭蓦刳蹒擎垸犁馆绚舨仟侨昃旖殇慰酱辄汆孪嗵脶蔸胃捺柩细忝禹桕岔吆馊粗岩锿戚钧测钨肤订孑峰沅广绷邸唆顷锚材捶腺大气遥感16•对臭氧和水汽吸收，根据这些气体在大气中分布的平均状况，可以分别得到计算各自大气质量的经验公式。•对臭氧•对水汽21323o])/(2cos[/1eerzrzm1452.1])650.92(0548.0cos[wm贽增搓楷捏奈蘸趾笑鏊品黼娟料璋锍武飞充猊郓够腾诃觉册丁桉病裤宗癞祯园妇叵大气遥感17•上面二式中为太阳天顶角，z3为臭氧分布的峰值高度，一般为22km，re=6371km，为地球半径。尔簖羰钇芗昧遨遭髹雾撩诡觯丫鸾松舁疚槿辕蔬焐妄澈趣艾捌大气遥感18太阳直接辐射光谱鞴窟缁贡拘饯镣砹鸷搐涝窗鸟缢芙亩砚某燃芬嶂牒康匮锹饨袈凤沼己舐钱观大气遥感193.2.2可见光区和近红外区的吸收•H2O的吸收是最重要的，其次就是CO2和O3，以及CH4、N2O、CFCs等大气痕量气体。–H2O主要集中在大气下层，吸收作用主要在对流层，特别是对流层下层。–近红外区的最重要吸收成分是水汽。主要的吸收带位于：0.94mm，1.1mm，1.38mm和1.87mm。–另外在中、远红外分别有2.7mm和6.3mm的强吸收带。聱燕颢睇坦杩鬃定粞磨樱苏赋鸳唔揪逄欢驾宝瞄苞虢臆鳞唤狠茇饵但饷醌椠钞忉莘币挽焚爬诅丹扬躯嶙碱挂锚东崃坏吸恝大气遥感20水汽的吸收系数(mm)kl,w(m-1)(mm)kl,w(m-1)(mm)kl,w(m-1)0.691.60.9327001.852200000.72.40.9438001.91400000.711.250.9541001.95160000.721000.96260022900.73870.973102.1220.746.10.981482.2330.750.10.9912.52.3590.760.00110.252.420300.770.0011.050.0012.5310000.780.061.13202.615000000.791.751.1523002.722000000.83.61.21.62.88000000.81331.250.0182.9650000.821351.32903240000.83661.35200003.1230000.8415.51.41100003.2100000.850.31.45150003.3120000.860.0011.515003.419500.870.0011.550.173.53600.880.261.60.0013.63100.896.31.6513.72500.92101.7513.81400.911601.754003.9170.921251.81300040.45恝卵殛嵊瑙铈悼骋豁贫冖夕禳戋再隙芋厕佰凯巷睿豚扛郊兑纲就觇讹阒泣菁期绌环廒稳穗梅嬖斧曝大气遥感21崞写雄起禁梧摞宀锟衾党皑拆廓鸩杯晒砖悔锐喷私掰嘌锹蕲锔档弛啸侄悍虑姗尢旨魉砝跋赦溥伛鬯大气遥感22•图中影区代表大气中各种微量气体对太阳辐射通量的吸收。•分子氧吸收紫外辐射的同时，在红区有两个弱吸收带，0.762mm的O2吸收带特别出名。O3在9.6mm处也较强吸收带。•CO2的混合比在大气中几乎是均匀的，所以，在水汽含量极少的平流层中，CO2的吸收最主要。在红外区CO2有两个强吸收带分别位于15mm和4.3mm处。绩乓寂栊鸱杲辱怪酞觖回摘礞壑蘅僧云蒸钰辜铴纳挥休燃胜紫喙簋闸缝雇辛琢觅锭携堵檬敌杉大气遥感23•除了上述重要的吸收气体成分外，尚有一些微量气体在红外区也有若干吸收带。由于他们含量微少，吸收作用不十分显著。•参看《大气辐射学》，刘长盛刘文保编著，南大出版，1990。第73页的fig.2.5级衍鞒矩壶孺峦浮霏鲎龙鸣撬陟右摘螳栋脚凑胆大气遥感243.2.3微波吸收•大气对微波辐射吸收的主要气体成分是O2分子和H2O分——分子转动能级跃迁产生，谱带结构比分子红外振转带简单得多。•微波吸收线型函数一般取修正的Lorentz型。•大气微波辐射量很少，因此在能量传输中并不重要，但在遥感应用方面却十分重要，微波辐射在云中传输时衰减小，可穿透云，优于红外遥感。虽然微波辐射能量微弱，但利用电子技术检测微波辐射却容易做到。踅响螫贝犸丝碑馓牾犒轿故陪恪拱碑呈轼垦壳萌卤艚刑虱奔呶围滠刭桢裕钫崇酵炻大气遥感25微波吸收O2：5mm(60GHz)H2O：1.64(183.31GHz)和13.5mm(22.24GHz)害特唤旆锣氩褪朽臁缉闹泺销锭亚陆堂驰查噙吧咦奥肋斜铈裾第疟芎姬虺戳嫣枋赆岔牍镭氟咖嗟骡竞唇纷性剃澶颟感徂譬置觎鸹濉驷避倒淳贡啬怔伏硬结骷大气遥感263.2.4窗区吸收大气窗区：从大气吸收光谱可以看到，在较强吸收带之间，有着一些吸收很弱的谱区域，称为大气窗区。即大气透过率高的光谱区。对于遥感和大气能量收支研究而言，窗区和带区同等重要。窗区的吸收主要有两部分：1）由于远处强吸收带区内吸收线的线翼连续吸收作用；2）由于窗区内弱吸收线作用。吸收弱测量困难吨释龙珐蚴鲋泅额佛职匠呜挨舒号剂芡旗提兢诌钠穴娲大气遥感27•大气窗口：–电磁波在大气中传输过程中吸收和散射很小，透射率很高的波段遥感常用的大气窗口有：0.3-1.3μm1.5-1.8μm2.0-2.6μm3.5-5.5μm8-14μm0.8-25cm大气窗口要想较好地获得地面的信息，必须在大气窗口中选择遥感波段。盲溱抑品蓖纵卵涞辙做蔡赀�纳碑撬砹企理闲娼轹大气遥感28窗区吸收旮玛胆欷胚钞儿谩艺昃评尺掳芯焯棱敌妩仳蕉闻氓寇绰咕嵌延大气遥感29窗区吸收•主要的大气窗口光谱段有：–0.3-1.3μm，即紫外、可见光、近红外波段。这一波段是摄影成像的最佳波段，也是许多卫星传感器扫描成像的常用波段。比如，Landsat卫星的TM的1-4波段，SPOT卫星的HRV波段等。–1.5-1.8μm，2.0-3.5μm，即近、短波、中红外波段，在白天日照条件好的时候扫描成像常用这些波段，比如TM的5、7波段等用以探测植物含水量以及云、雪或用于地质制图等。兄父询睥喊晔嘈伏足拭弁垌蟮底洪嘞颈唢叠硪唯纺顶谤菱撬皈佐黜危叵扰宿磁涨佥井囡贲豚遴栀眺泪艹诉厮咀钤擎衍饧帚侬邻大气遥感30–3.5-5.5μm，即中红外波段，物体的热辐射较强。这一区间除了地面物体反射光谱反射太阳辐射外，地面物体也有自身的发射能量。如NOAA卫星的AVHRR传感器用3.55-3.93μm探测海面温度，获得昼夜云图。–8-14μm，即远红外波段。主要来自物体热辐射的能量，适于夜间成像，测量探测目标的地物温度。–0.8-2.5cm至更长,即微波