1、第三章第三章 卫星遥感辐射基础卫星遥感辐射基础 本章主要内容：本章主要内容：1. 辐射的基本知识辐射的基本知识2.大气辐射传输方程卫星探测大气的理论基础大气辐射传输方程卫星探测大气的理论基础3.气象卫星遥感的基本原理气象卫星遥感的基本原理掌握重点：掌握重点：辐射的基本概念、黑体辐射定律和大气窗区辐射的基本概念、黑体辐射定律和大气窗区 气象卫星遥感地球大气的温度、气象卫星遥感地球大气的温度、湿度、云雨演变等气象要素是通湿度、云雨演变等气象要素是通过探测地球大气系统发射或反射过探测地球大气系统发射或反射的电磁波而实现的，因此，电磁的电磁波而实现的，因此，电磁辐射是气象卫星遥感的基础。辐射是气象卫星
2、遥感的基础。1、电磁波谱和辐射度量、电磁波谱和辐射度量2、辐射基本定律、辐射基本定律3、大气的选择吸收性、大气的选择吸收性第一节第一节 辐射的基本知识辐射的基本知识1、电磁波谱和辐射度量、电磁波谱和辐射度量辐射辐射：以电磁波的形式传输能量的现象以及传输的能量本身叫做辐射。辐射是能量传输的一种重要机制，不需要通过任何介质进行传输。电磁波电磁波：不断做周期变化的电磁场在空间中传输，电磁波的传输方向分别垂直于电场强度矢量和磁感应强度矢量的方向。电磁波性质一般以波长,频率f或波数来表示（P53P53）3.1 辐射的基本知识辐射的基本知识一、电磁波谱一、电磁波谱按波长和频率排列的电磁波叫做电磁波谱。电磁
3、波的频率很宽，不同频率电磁波有不同的性质和用途，对气象卫星有用的是可见光、红外和微波波段。宇宙射线宇宙射线 X射线射线 可见光可见光 红外红外 微波微波 无线电波无线电波 射线射线紫外紫外1010 109 108 107 106 105 104 103 102 101 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 10101m1cm电磁波谱（波长单位为电磁波谱（波长单位为m）电子跃迁可见光宇宙射线 r射线紫外线X 射 线 可见光红 外线亚毫米波毫米波厘米波分米波微 波超短波短波中波长波无 线 电 波迟缓电振荡光 谱 区1nm 1 m 1cm 1m波 长3 10
4、22 3 1020 3 1018 3 1016 3 1014 3 1012 3 1010 3 108 3 106 3 104 3 102频 率(Hz)近 红 外中红外远 红 外1.5 15 750 m 紫 蓝 青 绿 黄 橙 红0.40 0.43 0.45 0.50 0.57 0.60 0.63 0.76微米微米分子振动转动电 离电磁振荡太阳地球大气 辐射产 生机 制（1）、电磁波段的划分）、电磁波段的划分 r 射线：射线： 波长波长10-11 10-4nm，生成：放射性元素蜕变，特征：几，生成：放射性元素蜕变，特征：几 兆电子伏特。兆电子伏特。 x 射线：射线： 波长波长10-5 0.004
5、5 m，生成：原子内部的电子从激，生成：原子内部的电子从激 发态发态 恢复到稳态，特征：波长短，频率高能穿透密恢复到稳态，特征：波长短，频率高能穿透密 度很大的度很大的 物质。物质。 紫外线：波长紫外线：波长10-50.35 m，生成：原子和分子内部的电子状态，生成：原子和分子内部的电子状态 改变，特征：频率较高，各种物质对短的紫外线有吸收。改变，特征：频率较高，各种物质对短的紫外线有吸收。 可见光：波长可见光：波长0.35 0.76 m，生成：原子内部的电子状态，特征：，生成：原子内部的电子状态，特征： 对人眼有特殊的刺激。对人眼有特殊的刺激。 红外线：波长红外线：波长0.76 1000 m
6、，生成：分子、原子的振动转动，特，生成：分子、原子的振动转动，特 征：与温度有关。征：与温度有关。 微微 波：波长：波：波长：1mm 30cm。大于。大于30厘米的波称无线电波。厘米的波称无线电波。电磁波段电磁波段除了以上按照波长的划分，除了以上按照波长的划分，电磁波谱段可以按使用目的划分电磁波谱段可以按使用目的划分 或按吸收物质划分，如将水汽吸收谱段称为水汽带，或按吸收物质划分，如将水汽吸收谱段称为水汽带，二氧化碳吸收谱段称为二氧化碳吸收带。（图二氧化碳吸收谱段称为二氧化碳吸收带。（图3.83.8）（2）、电磁波参数）、电磁波参数 参数：参数： 波长波长 波数（波数（1厘米长度内含有的波数）
7、厘米长度内含有的波数） f 频率频率 c 光速光速=3 1010厘米厘米/秒。秒。 c =f 波在真空中的速度。波在真空中的速度。 n= /n波在介质的波长。波在介质的波长。 V=f n 波在介质中的速度。波在介质中的速度。 n=（ r/ r）1/2介质折射指数。介质折射指数。 r 介电常数介电常数, r导磁率。导磁率。关系：关系： f=c f=C/ =c/f =1/ =f/c单位：单位：1千兆赫（千兆赫（GHz ）= 103兆赫（兆赫（MHz ） = 106千赫（千赫（KHz ） = 109赫（赫（Hz ） 1米米(m)=102厘米（厘米（cm）=103毫米（毫米（mm）=106微米（微米（
8、 m） =109纳米（纳米（nm）从量子的观点看，电磁辐射可以看作是一粒一粒以从量子的观点看，电磁辐射可以看作是一粒一粒以光速光速c运动的粒子流，这些粒子称为光量子，每一运动的粒子流，这些粒子称为光量子，每一光量子具有的能量为光量子具有的能量为 E 能量，能量，h 普朗克常数。电磁辐射看成是粒子，普朗克常数。电磁辐射看成是粒子，就一定有质量就一定有质量m和动量和动量p。 m=Q/c2=hf/c2 p=mc=h/ = hf/c电磁辐射既有波动特性，也有粒子特性。电磁辐射既有波动特性，也有粒子特性。 （3）、电磁波的量子特性）、电磁波的量子特性hfE 按量子理论，电磁辐射的发射或吸收是由于物质内原
9、子或分按量子理论，电磁辐射的发射或吸收是由于物质内原子或分子的能量状态发生改变引起的。即：子的能量状态发生改变引起的。即：*物质中原子的状态由高能级物质中原子的状态由高能级Ej跃迁到低能级跃迁到低能级Ei-发射辐射；发射辐射；*物质中原子的状态由低能级物质中原子的状态由低能级Ei跃迁到高能级跃迁到高能级Ej-吸收辐射；吸收辐射；则发射或吸收辐射时光量子的频率为则发射或吸收辐射时光量子的频率为 电磁辐射既有波动特性，也有粒子特性电磁辐射既有波动特性，也有粒子特性波长较长的可见光、红外线波动性明显；波长较长的可见光、红外线波动性明显；波长较短的波长较短的射线、射线、射线粒子性表现明显。射线粒子性表
10、现明显。电磁辐射在空间传播时表现出波动特性；电磁辐射在空间传播时表现出波动特性；电磁辐射的吸收和发射时，显示出粒子的性质。电磁辐射的吸收和发射时，显示出粒子的性质。 的改变量是电子发生跃迁时能量其中|,|ijijEEhEEf例：以一个质子和一个电子组成的例：以一个质子和一个电子组成的H2为例为例：关于原子振子的能量有两个性质：关于原子振子的能量有两个性质： 1） 原子振子的能量形式不是随意的，而是只能具有下列原子振子的能量形式不是随意的，而是只能具有下列形式：形式： 其中其中n只能是整数，说明能量是不连续的，而是分等级的。只能是整数，说明能量是不连续的，而是分等级的。 2） 振子不能连续地辐射
11、能量，只能以阶跃或量子形式辐振子不能连续地辐射能量，只能以阶跃或量子形式辐射能量，辐射的能量是：射能量，辐射的能量是： 一般一般 因为原子或分子的能态之间的能量差是一定的，要产生因为原子或分子的能态之间的能量差是一定的，要产生能量的跃迁必须有选择性（对能量的跃迁必须有选择性（对f）。）。 hfnhcnE)21()21(nhfnhcE1n在电磁波与气体分子或原子相互作用时，把分子或原子激发在电磁波与气体分子或原子相互作用时，把分子或原子激发到较高能级，在激发过程中波的全部或部分能量传递给分子到较高能级，在激发过程中波的全部或部分能量传递给分子或原子；反之，则以电磁波形式放射出能量。由于气体分子或
12、原子；反之，则以电磁波形式放射出能量。由于气体分子的能级是确定的，而且是不连续的，所以电磁波与分子的相的能级是确定的，而且是不连续的，所以电磁波与分子的相互作用只能出现在特定的频率下，这种现象沿波数的分布就互作用只能出现在特定的频率下，这种现象沿波数的分布就构成了谱线。构成了谱线。气体分子能态跃迁的基本形态有：气体分子能态跃迁的基本形态有： 不同轨道的电子跃迁构成电子能级；不同轨道的电子跃迁构成电子能级； 分子不同的振动模式构成振动能级；分子不同的振动模式构成振动能级； 分子绕不同轴转动对应转动能级；分子绕不同轴转动对应转动能级；转动能级是最低能级，中间为振动能级，最高为电子能级。转动能级是最
13、低能级，中间为振动能级，最高为电子能级。即：即： rveEEE转动能级振动能级差电子能级差rveEEEE即分子动能由电子绕原子核运动的能量、原子在平衡位置上的即分子动能由电子绕原子核运动的能量、原子在平衡位置上的振动能量、分子转动能量组成。振动能量、分子转动能量组成。 （变化量或能级的变化）（变化量或能级的变化）从从 可以得到分子吸收或发射光量子时，能级发生变化所对应的波可以得到分子吸收或发射光量子时，能级发生变化所对应的波数：数： 这样可以从能级变化大小来估计中心波数的位置，也可以判断这样可以从能级变化大小来估计中心波数的位置，也可以判断电子能级、振动能级和转动能级所在的波段：电子能级、振动
14、能级和转动能级所在的波段： rveEEEEhfhcnhfnhcErvervehcEhcEhcEhcE 能量跃迁能量跃迁 Ee Ev Er 能量差（能量差（eV） 1-20 0.05-1 0.1 吸收线中心波数吸收线中心波数 8064-16129 03-8064 8068064-16129 03-8064 12.4 紫外、可见光紫外、可见光 中红外波段中红外波段 热红外波段热红外波段 近红外波段近红外波段 （电子能级跃迁）（电子能级跃迁） （振动能级跃迁）（振动能级跃迁） (转动能级跃迁）转动能级跃迁）跃迁能级与波段的联系跃迁能级与波段的联系 hcEcm)(10hcEcm)(10Ehccm)(
15、分子在振动能级跃迁的同时可能产生转动能级的跃迁，这分子在振动能级跃迁的同时可能产生转动能级的跃迁，这时吸收线的中心波数为：时吸收线的中心波数为： 由于由于 ，因而转动跃迁表现在谱线上是振动吸收，因而转动跃迁表现在谱线上是振动吸收线附近产生一系列吸收线，组成一个吸收带，这种谱线的精线附近产生一系列吸收线，组成一个吸收带，这种谱线的精细结构只有在高分辨率条件下才能看出来。细结构只有在高分辨率条件下才能看出来。000rvrvrvEEhcE当当rvEE二、基本辐射量二、基本辐射量（P55）1、辐射能辐射能Q:Q: 物体发射电磁波辐射所具有的全部能量。物体发射电磁波辐射所具有的全部能量。 单位：焦耳（单
16、位：焦耳（J）2 2、辐射通量辐射通量：指单位时间通过某一表面的辐射能指单位时间通过某一表面的辐射能辐射能传递的速率。辐射能传递的速率。单位：焦耳单位：焦耳/ /秒（秒（J/J/S） dtdQtQ或,3 3、辐射通量密度辐射通量密度F F：通过单位面积的辐射通量。通过单位面积的辐射通量。 单位单位: :焦耳焦耳/ /米米2 2. .秒（秒（J.mJ.m-2-2.s.s-1-1） F=/A 或或 F= /A对于一个被照射的表面或发射的表面，还可以使用以下定义：对于一个被照射的表面或发射的表面，还可以使用以下定义： a) 辐照度（辐照度（E E）：投影到一表面上的辐射通量密度。：投影到一表面上的辐
17、射通量密度。 b) 出射度出射度：辐射体表面发射出的辐射通量密度。：辐射体表面发射出的辐射通量密度。4 4、辐射强度辐射强度I I：对于点辐射源在某一方向上单位立体角内的辐：对于点辐射源在某一方向上单位立体角内的辐射通量。单位射通量。单位:瓦瓦/球面度（球面度（W/Sr） 如果点源是各向同性的，则辐射强度如果点源是各向同性的，则辐射强度： I4I 5、 辐射率或辐射亮度辐射率或辐射亮度： 一个面辐射源在单位时间内通过垂直面元的法线方向上单一个面辐射源在单位时间内通过垂直面元的法线方向上单位面积、单位立体角的辐射能，即：位面积、单位立体角的辐射能，即： FAtAQnL23)(在多数情况下，辐射传
18、播方向与面元的法线方向不一致，若它在多数情况下，辐射传播方向与面元的法线方向不一致，若它们之间夹角为们之间夹角为，则该方向的辐射亮度写成：，则该方向的辐射亮度写成：其中：其中： ，立体角立体角 。如果面元辐射率与方向无关，则称是各向同性的，这样的源称如果面元辐射率与方向无关，则称是各向同性的，这样的源称为为朗伯源朗伯源。立体角立体角（solid anglesolid angle）: : 由一锥面围成的立体空间，立体角用由一锥面围成的立体空间，立体角用以锥顶点为中心，半径为以锥顶点为中心，半径为1 1的球面被锥面所截得球面来表示，其的球面被锥面所截得球面来表示，其单位为立体弧度（单位为立体弧度（
19、SrSr）。另一种定义：面积为）。另一种定义：面积为d d 的球状表面所的球状表面所张的立体角等于该面积除以球半径的平方张的立体角等于该面积除以球半径的平方： cos)()()(33 tAQtAQsLcosAA是方位角,cos,sindddd2/rdd一个锥面所围成的空间部分称为“立体角”。立体角是以锥的顶点为心，半径为1的球面被锥面所截得的面积来度量的，度量单位称为“立体弧度”，“球面度”。在平面上，定义一段弧微分S与其矢量半径r的比值为其对应的圆心角，记作：=ds/r；所以整个圆周对应的圆心角就是2；类似，定义立体角为曲面上面积微元ds与其矢量半径的二次方的比值为此面微元对应的立体角，记作
20、：=ds/r2；由此可得，闭合曲面的立体角都是4 三、辐射的吸收、反射和透射三、辐射的吸收、反射和透射设设Q为入射到介质的总辐射能量，为入射到介质的总辐射能量，Qa是介质对辐射能的吸是介质对辐射能的吸收，收，Qt是透过介质的辐射能量，是透过介质的辐射能量，Qr为被介质反射的辐射能为被介质反射的辐射能量，则有关系：量，则有关系： 定义：定义：则则a a+ +r r+ +t t=1=1。实际上，。实际上，a a，t t，r r都与波长有关，是波长的函都与波长有关，是波长的函数，那么考虑到入射辐射的光谱分布，数，那么考虑到入射辐射的光谱分布，a a，t t，r r 可以分别可以分别写为：写为： rt
21、aQQQQ吸收率QQaa透过率QQtt反射率QQrr2121)()()(ddaa2121)()()(ddtt2121)()()(ddrr（a）不同种类作物和裸地的反照率）不同种类作物和裸地的反照率（b）作物覆盖率和生物量对反照率的影响）作物覆盖率和生物量对反照率的影响0.6 1.4 2.0 2.4波长 m m反射率% 图图3-6 雪的反射特性曲线雪的反射特性曲线作物在生长和衰老期间光谱变化作物在生长和衰老期间光谱变化清水的吸收系数清水的吸收系数从可见光到中红外小麦叶子的反射光谱从可见光到中红外小麦叶子的反射光谱2、辐射基本定律、辐射基本定律首先了解（P62） 辐射体和辐射平衡的几个基本概念根据
22、物体的吸收或发射能力，将物体（辐射体）分为三类：黑体黑体灰体灰体选择性辐射体选择性辐射体 辐射基本概念辐射基本概念1 1 黑体黑体：在任何温度下，对任意方向和任意波长的辐射的：在任何温度下，对任意方向和任意波长的辐射的吸收率或发射率都等于吸收率或发射率都等于1 1。2 2 灰体灰体：如果物体的吸收率与波长无关，且为小于：如果物体的吸收率与波长无关，且为小于1 1的常的常数，即数，即a(a( )=)=常数常数11，则这种物体称为灰体。，则这种物体称为灰体。3 3 选择性灰体选择性灰体：物体的吸收率（或发射率）随波长而变，：物体的吸收率（或发射率）随波长而变，即即a=a(a=a( ) )，则这种物
23、体称为选择性辐射体。（自然界绝，则这种物体称为选择性辐射体。（自然界绝大多数物体是选择性辐射体）。如果在某些波长范围内，大多数物体是选择性辐射体）。如果在某些波长范围内，吸收率随波长变化很小，则可近似看成灰体。如果在某些吸收率随波长变化很小，则可近似看成灰体。如果在某些波长范围内，吸收率近似于波长范围内，吸收率近似于1 1，则可把物体在这波段内看，则可把物体在这波段内看成黑体。成黑体。 4 4 发射率：发射率：辐射体的辐射通量密度辐射体的辐射通量密度MM与具有同一温度的黑与具有同一温度的黑体的辐射通量密度体的辐射通量密度M M的比值，即的比值，即5 5 辐射平衡和局地热力平衡辐射平衡和局地热力
24、平衡: :辐射平衡：指一个物体在某一温度从外界得到的辐射能量辐射平衡：指一个物体在某一温度从外界得到的辐射能量正好等于本身热辐射而失去的能量，使物体温度保持不变正好等于本身热辐射而失去的能量，使物体温度保持不变的辐射过程。也称平衡热辐射的辐射过程。也称平衡热辐射局地热力平衡：设想大气中存在这样的状态，气体的每一局地热力平衡：设想大气中存在这样的状态，气体的每一个体积元量犹如处在热力平衡状态中（对这个体积温度而个体积元量犹如处在热力平衡状态中（对这个体积温度而言）。这样的平衡称局地热力平衡。言）。这样的平衡称局地热力平衡。实际大气中，实际大气中，50KM50KM以下可认为处在局地热力平衡。以下可
25、认为处在局地热力平衡。MM 1 , 0辐射基本定律辐射基本定律1 基尔霍夫（基尔霍夫（Kirchhoff）定律）定律在同样的温度下，各种不同物体对相同波长的单色辐出度与单色吸收比之比值相等，并等于该温度下黑体对同一波长的单色辐出度： M,T/ a,T = M(,T)(黑体）意义意义:1、一物体在一定温度下发射某一波长的辐射，则该物体在同一温度下吸收这种波长的辐射。2、一个良好的吸收体，在同一温度下、相同波长处，也一定是一个良好的发射体；反之亦然。黑体：吸收能力和发射能力均为最大，对所有波长有黑体：吸收能力和发射能力均为最大，对所有波长有 a a= 1 1灰体：灰体：对所有波长对所有波长 a a
26、= 1 1选择性黑体：对某些波长选择性黑体：对某些波长 a a= = = 1 12 普朗克（Planck）定律（黑体辐射方程）定律（黑体辐射方程）表示黑体辐射强度与波长及温度T的关系，其数学关系式为普朗克从理论上推导出来： )1(2)(/52kThcehcTB)1(2)(/23kThffechfTB12)(/32kThcehcTB 普朗克函数将发射的单色强度与物质的温度和频率普朗克函数将发射的单色强度与物质的温度和频率联系起来；黑体的辐射强度随温度的升高而增大，但最联系起来；黑体的辐射强度随温度的升高而增大，但最大辐射强度的波长却又随温度的升高而减小。大辐射强度的波长却又随温度的升高而减小。由
27、普朗克定律可以得出：由普朗克定律可以得出：1. 温度越高，黑体的全辐射能力越大；温度越高，黑体的全辐射能力越大；2. 温度越高，最大单色（或分谱）的辐射能力对应的波温度越高，最大单色（或分谱）的辐射能力对应的波长越小长越小3. 太阳近似于太阳近似于6000K的黑体，最大辐射波长为的黑体，最大辐射波长为0.474us，在在0.15-4us的范围，辐射能占太阳全部辐射能量的的范围，辐射能占太阳全部辐射能量的99%4. 地球近似于地球近似于300K的黑体，最大辐射波长为的黑体，最大辐射波长为10us，在，在3-80us的范围，辐射能占地球全部辐射能量的的范围，辐射能占地球全部辐射能量的99%；5.
28、对流层顶近似于对流层顶近似于200K的黑体，最大辐射波长为的黑体，最大辐射波长为14.5us，在，在4-120us的范围，辐射能占对流层顶全部辐的范围，辐射能占对流层顶全部辐射能量的射能量的99%3 斯蒂芬玻尔兹曼定律斯蒂芬玻尔兹曼定律 对于普朗克公式，对整个波长范围积分，得黑体总辐射强度：由于黑体辐射是各向同性的，得黑体发射的通量密度：斯蒂芬玻尔兹曼常数：5.6710-8 Wm-2.K-4。物理含义物理含义：黑体的全波长辐射本领与温度的四次方成正比。：黑体的全波长辐射本领与温度的四次方成正比。由玻尔兹曼公式根据辐射通量密度推算的温度叫等效黑体温等效黑体温度度TBBTBB或亮度温度或亮度温度，
29、卫星云图的不同亮度等级表示不同的亮度温度 4)(TTBF43244/5200152) 1(2)()(ThckdehcdTBTBkThc4 Wien定律：定律：物体温度越高，发出最大能量的波长越偏向短波。物体温度越高，发出最大能量的波长越偏向短波。求辐射率最大时的波长位置，即普朗克函数对波长微分等于零得得对太阳，对太阳，T=6000KT=6000K， ；对地球，对地球，T=300KT=300K， ；这一定律解释了很多物理现象，如电阻丝加热过程从红光到白光的过程。 0)(TB).(8 .2897maxKmTm66. 9maxm48. 0max 从从0.01到到10cm与与各个发射温度对应各个发射温
30、度对应的黑体辐射能的黑体辐射能斜直线表示最大能斜直线表示最大能量的位置（即维恩量的位置（即维恩定律）定律）每一条曲线都有一个极大每一条曲线都有一个极大值，随着温度的升高，黑值，随着温度的升高，黑体辐射能迅速增大，并且体辐射能迅速增大，并且曲线的极大值逐渐向短波曲线的极大值逐渐向短波方向移动方向移动 5. 辐射体的温度：辐射体的温度：从黑体辐射定律知道，物体的辐射量与温度有关。对于一从黑体辐射定律知道，物体的辐射量与温度有关。对于一定的温度，就有一定的辐射光谱分布；反之，对于一定的定的温度，就有一定的辐射光谱分布；反之，对于一定的辐射光谱分布，可以求取物体的温度。但是实际物体并非辐射光谱分布，可
31、以求取物体的温度。但是实际物体并非都是黑体，在实际应用中，须考虑辐射率的影响，为方便都是黑体，在实际应用中，须考虑辐射率的影响，为方便定义几种不同的温度：定义几种不同的温度：有效温度有效温度（Te）：如果温度为）：如果温度为T的物体的出射度为的物体的出射度为M(T)，又设想又设想M(Te)为黑体发出的，即：为黑体发出的，即：M(T)=M(Te)，则黑体的，则黑体的温度温度Te称为该物体的有效温度称为该物体的有效温度根据斯蒂芬根据斯蒂芬- -波尔兹曼定律得：波尔兹曼定律得： T Te e = M= M (T)/(T)/ 1/41/4由于物体的比辐射率小于由于物体的比辐射率小于1 1，所以，所以
32、T T T Te e 色温度色温度（Tc）：如果物体的辐射光谱分布与温度为）：如果物体的辐射光谱分布与温度为Tc的黑的黑体的辐射光谱分布相一致，则体的辐射光谱分布相一致，则Tc称为该物体的色温度称为该物体的色温度亮度温度亮度温度（T Tb b）：在给定波长处，如果物体的辐射亮度在给定波长处，如果物体的辐射亮度L L （T T）与温度为）与温度为T Tb b的黑体辐射亮度相等，即的黑体辐射亮度相等，即L L（T T）=B=B（T Tb b）则则称称T Tb b为该物体的为该物体的亮度温度。根据普朗克公式亮度温度。根据普朗克公式 1)exp(2)(52bbThchcTB1)(2ln52TLhchc
33、Tb亮度温度亮度温度（T Tb b）又称）又称等效黑体温度等效黑体温度或或辐射温度辐射温度。由于。由于 B B（T T） L L（T T） = =B B（T Tb b），所以，所以T Tb b T T。可得可得第二节第二节 卫星探测大气的理论基础卫星探测大气的理论基础一、太阳和地一、太阳和地-气辐射系统气辐射系统二、辐射在大气中的传输二、辐射在大气中的传输一、太阳和地一、太阳和地-气系统辐射气系统辐射1、太阳辐射太阳辐射太阳：太阳： 6000K火球，直径火球，直径139.14万公里，是地球的万公里，是地球的104倍；日倍；日地平均距离地平均距离d0=1.495 108公里。公里。太阳辐射用太阳
34、常数、太阳光谱太阳辐射用太阳常数、太阳光谱(在大气顶处、在地面处）来在大气顶处、在地面处）来描述。描述。 太阳常数：太阳常数：到达地球大气顶的太阳辐射通量密度到达地球大气顶的太阳辐射通量密度s0=13531353瓦瓦/ /米米2 2，估计误差为，估计误差为2121瓦瓦/ /米米2 2。由太阳常数可以计算单位时。由太阳常数可以计算单位时间内太阳辐射的总能量为间内太阳辐射的总能量为 瓦26211020108255. 31353)105 . 1 (44sdQ一、太阳和地一、太阳和地-气系统辐射气系统辐射1、太阳辐射太阳辐射能量平衡：到达地球大气顶的太阳辐射通过大气时，能量平衡：到达地球大气顶的太阳辐
35、射通过大气时，大约大约 35% 被地球、大气、云层反射被地球、大气、云层反射 17% 被大气吸收被大气吸收 47% 到达地面、被地表吸收到达地面、被地表吸收 太阳光谱：太阳光谱： 太阳辐射能主要集中在太阳辐射能主要集中在0.3-3.00.3-3.0微米，微米， 辐射最大值位于辐射最大值位于0.470.47微米微米, ,色温度色温度T Tc c 。 1/41/4能量在波长能量在波长 0.470.47微米的谱段内，微米的谱段内， 46%46%的能量在的能量在0.400.400.760.76的可见光波段。的可见光波段。 假设太阳是理想的黑体，则可由假设太阳是理想的黑体，则可由斯蒂芬斯蒂芬- -波尔兹
36、曼定律和波尔兹曼定律和维恩位移公式计算出太阳的有效温度维恩位移公式计算出太阳的有效温度T Te e: :4/124/14(）（）日日RQETeKTC96.616547. 028982898max 太阳吸收光谱（如图）：该光谱与太阳吸收光谱（如图）：该光谱与5900K5900K的黑体辐的黑体辐射光谱有明显差异，存在许多由大气中的臭氧、氧、水射光谱有明显差异，存在许多由大气中的臭氧、氧、水汽、二氧化碳及尘埃等物质选择性吸收作用造成的吸收汽、二氧化碳及尘埃等物质选择性吸收作用造成的吸收线和吸收带。线和吸收带。1、O3吸收：主要位于吸收：主要位于紫外光紫外光0.2 -0.3m 0.29 m；0.32-
37、0.36 m；可见光可见光0.6和和4.75 m。2、O2吸收：紫外、可吸收：紫外、可见光。见光。3、H2O吸收：吸收：0.7 m；0.70.8 m4、CO2吸收：吸收：3.5 m1. 1. 地面土壤粒子结构、土壤水分地面土壤粒子结构、土壤水分对反照率的影响对反照率的影响2 2、植被、冰雪、水体的反照率、植被、冰雪、水体的反照率3 3、反照率随波长的变化、反照率随波长的变化 图图3-4 三种不同含水量三种不同含水量 砂土砂土的光谱反射曲线的光谱反射曲线反射率%波长 m m04%512%2232%波长 m m叶子反射率、水吸收率%叶子反射率水吸收率 0.5 1.3 1.9 2.5图图3-5 叶子
38、反射率、水叶子反射率、水 吸收率的反相吸收率的反相关系关系不同覆盖物的反照率随波长的变化不同覆盖物的反照率随波长的变化地面及其覆盖物对太阳辐射地面及其覆盖物对太阳辐射的反射：的反射：（a）不同种类作物和裸地的反照率）不同种类作物和裸地的反照率（b）作物覆盖率和生物量对反照率的影响）作物覆盖率和生物量对反照率的影响0.6 1.4 2.0 2.4波长 m m反射率% 图图3-6 雪的反射特性曲线雪的反射特性曲线作物在生长和衰老期间光谱变作物在生长和衰老期间光谱变化化清水的吸收系数清水的吸收系数从可见光到中红外小麦叶子的反射光谱从可见光到中红外小麦叶子的反射光谱0.4-0.7微米不同叶绿素浓度的海水
39、返照微米不同叶绿素浓度的海水返照率率0.51.0微米波段天然清水和混水的反照率微米波段天然清水和混水的反照率0.52.5微米不同土壤湿度下含沙壤土微米不同土壤湿度下含沙壤土的反射率的反射率0.42.6微米小麦叶子在不同生长期的反微米小麦叶子在不同生长期的反射率射率 假设单层云层的反照率假设单层云层的反照率和透过率都是和透过率都是50%50%。考虑二。考虑二次反射后从第一层反射的次反射后从第一层反射的能量占原来入射能量的能量占原来入射能量的62.5%62.5%。因而多层云的反照。因而多层云的反照率较高。率较高。入射辐射LR1=L/2T1=L/2T2=L/4R2=L/4T3=L/8R1+ T3 =
40、5L/8R3=L/8图3-7 多层云对太阳辐射的反射反射、透射、吸收%反射透过吸收云厚（米）100806040200010 100 1000 10000云厚（米）透过率（） 6005004003002001000010 20 30 40 50 60 70 80 90 高层云 层云图云层反照率、吸收率和透过率的关系图云层反照率、吸收率和透过率的关系（）（）（）（）云层的反照率云层的反照率2、地球、地球-大气系统辐射光谱大气系统辐射光谱地球地球大气系统发出的辐射主要是红外辐射。大气系统发出的辐射主要是红外辐射。对于对于 2.5 m的红外波段，物体近似黑体，比辐射率近似的红外波段，物体近似黑体，比辐
41、射率近似等于等于1，由黑体定律计算，由黑体定律计算地球地球大气系统平均温度。大气系统平均温度。 如果如果到达地球并被其吸收的太阳辐射为到达地球并被其吸收的太阳辐射为 （1-rS） R2s0rS行星平均反照率，行星平均反照率，R地球半径，地球半径，s0太阳常数。地球大气吸太阳常数。地球大气吸收这些辐射后全部转化为红外辐射向外空发射，其出射度收这些辐射后全部转化为红外辐射向外空发射，其出射度为为由由斯蒂芬斯蒂芬- -波尔兹曼定律（波尔兹曼定律（M=M= T T4 4），），rS =0.28=0.28，s0=1353瓦瓦米米-2， =5.67=5.67 1010-8-8瓦瓦米米-4 开开-4-4代入
42、，得代入，得4)1(4)1(0202srRsRrMssKsrTs2561067. 541353)28. 01 (4)1 (4/ 184/ 10接近实际大气的平均温度，可以把地球接近实际大气的平均温度，可以把地球- -大气系统近似大气系统近似看作平均温度为看作平均温度为256 K256 K的黑体。的黑体。地球地球大气系统发出的辐射能的大气系统发出的辐射能的95%集中在集中在4120 m的波段，最大辐射波长约在的波段，最大辐射波长约在10 m附近。在附近。在35 m与与太阳辐射光谱有重叠。太阳辐射光谱有重叠。 大气对地球大气对地球-大气辐射的吸收大气辐射的吸收 地球地球- -大气辐射在大气中传输时
43、，受大气吸收和散射的影响。大气辐射在大气中传输时，受大气吸收和散射的影响。但当但当 m时，雷利散射很小，可忽略。所以造成时，雷利散射很小，可忽略。所以造成地球地球- -大气辐射大气辐射能衰减的主要原因是大气气体的吸收。能衰减的主要原因是大气气体的吸收。 成成 分分体积混合比体积混合比 （%）混合比混合比特征特征 强吸收位置强吸收位置 （ m） 次强吸收位置次强吸收位置 （ m）氧和氮99常数不吸收不吸收H2O1.00.01可变1.4，1.9，2.7，6.3，13.00.9，1.1CO20.033常数2.7，4.3，14.71.4，1.6，2.0，5.0，9.4，10.4O310-6可变4.7，
44、9.6，14.13.3，3.6，5.7N2O2.43.010 -5可变4.5，7.83.9，4.1，9.6，17.0CH41.41.610 -4可变3.3，3.8，7.7CO1.31.910 -5可变4.72.3表3-1 大气气体的吸收谱带大气气体的吸收谱带 太阳或地球太阳或地球- -大气的辐射在大气中传输时被大气中大气的辐射在大气中传输时被大气中的的3、大气窗和大气吸收带、大气窗和大气吸收带某种气体某种气体所吸收。吸收所吸收。吸收随波长变化很大，在一随波长变化很大，在一些波段吸收很强，在另些波段吸收很强，在另一些波段吸收很弱或没一些波段吸收很弱或没有吸收。对辐射吸收很有吸收。对辐射吸收很强的
45、波段就称为强的波段就称为该气体该气体的吸收带的吸收带；吸收很弱或；吸收很弱或没有吸收的波段称为没有吸收的波段称为大大气窗气窗（因为这些波段的（因为这些波段的辐射可以象光通过窗户辐射可以象光通过窗户那样透过大气）。那样透过大气）。谱谱 段段紫外与可紫外与可见（见（ m）近近 红红 外外（ m）红红 外外（ m）远红外远红外（ m）微微 波波（mm）波波长长0.300.750.770.911.01.121.191.341.551.752.052.463.54.14.55.08.09.110.212.417.022.02.062.223.03.757.511.52030表表3-2 大气窗区各波段大气
46、窗区各波段 辐射与大气和地表之间的相互作用表现为辐射的发辐射与大气和地表之间的相互作用表现为辐射的发射、吸收和反射，这为卫星遥感地表和大气提供了大量射、吸收和反射，这为卫星遥感地表和大气提供了大量的信息。例如卫星在大气窗区波段可以测量地面、云层的信息。例如卫星在大气窗区波段可以测量地面、云层反射或发射的辐射，从而可以得到地表、云面的反射特反射或发射的辐射，从而可以得到地表、云面的反射特性或温度分布；卫星在吸收带测量，可以得到大气温度性或温度分布；卫星在吸收带测量，可以得到大气温度和成分。和成分。 根据测量的目的，卫星选择不同的波长间隔进行测根据测量的目的，卫星选择不同的波长间隔进行测量，这种波
47、长间隔称做通道。为更多地获取地面、云层量，这种波长间隔称做通道。为更多地获取地面、云层和大气信息，目前卫星测量使用的通道很多。和大气信息，目前卫星测量使用的通道很多。 4、 大气窗和大气吸收带在遥感中的应用大气窗和大气吸收带在遥感中的应用表表3-3 卫星测量使用的波段卫星测量使用的波段通道（波段）通道（波段）（ m）光谱名称光谱名称 用用 途途0.24反射太阳辐射反射太阳辐射99%，太阳辐射总量，太阳辐射总量530长波辐射长波辐射85%，地球，地球大气发射到宇宙的长波辐射大气发射到宇宙的长波辐射气辐射收支气辐射收支0.4750.575蓝、绿蓝、绿地表、地下水特征，干燥、岩石、土壤地表、地下水特
48、征，干燥、岩石、土壤0.580.68黄、红黄、红白天云分布，植物生长、水污染、地形等白天云分布，植物生长、水污染、地形等0.60.7橙橙透射水体，水混浊度海洋泥沙流大河悬浮陆地冰川沙漠地植物生长透射水体，水混浊度海洋泥沙流大河悬浮陆地冰川沙漠地植物生长0.70.8红红对水体、湿地反映清楚，土壤湿度，植物病虫、生长对水体、湿地反映清楚，土壤湿度，植物病虫、生长0.7251.10近红外近红外白天云分布，水陆边界，水体分布，土壤湿度，植物生长白天云分布，水陆边界，水体分布，土壤湿度，植物生长3.44.2短波红外短波红外十分透明对温度灵敏，测量海面测温，云分布，白天除太阳干扰十分透明对温度灵敏，测量海
49、面测温，云分布，白天除太阳干扰5.77.1水吸收带水吸收带大气层对流层中上部水气含量大气层对流层中上部水气含量10.512.5大气窗大气窗红外云图，云参数，海面温度和降水红外云图，云参数，海面温度和降水1315CO2吸收带吸收带大气温度垂直分布大气温度垂直分布二、辐射在大气中的传输与卫星接收到的二、辐射在大气中的传输与卫星接收到的辐射辐射气象卫星接收到的辐射包括：气象卫星接收到的辐射包括： 地面和云面发射的红外辐射地面和云面发射的红外辐射 地面和云面反射的太阳辐射地面和云面反射的太阳辐射 地面和云面反射的大气向下的红外辐射地面和云面反射的大气向下的红外辐射 大气各成分发射的红外辐射大气各成分发
50、射的红外辐射 大气对太阳辐射的散射辐射大气对太阳辐射的散射辐射图图3-11 卫星上接收的辐射卫星上接收的辐射辐射在介质中的传输辐射在介质中的传输 在红外波段，散射辐射很小、忽略在红外波段，散射辐射很小、忽略。 （1 1）小气柱吸收的辐射）小气柱吸收的辐射（、T、p）L（z）dA=1dzL（z+dz）图图3-9 小气柱介质辐射小气柱介质辐射)()()()()()()()(1zLzadzzLzdzzzLzkzdL1 1、红外辐射在大气中的传输、红外辐射在大气中的传输dL 1因介质吸收引起辐射的改变量，因介质吸收引起辐射的改变量，k （z）质量吸）质量吸收系数，收系数，（z）吸收介质的密度。）吸收介
