1、卫星气象学卫星气象学ppt课件 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，电磁辐射是气象卫星遥感的基础。第三章第三章 气象卫星遥感气象卫星遥感大气的基本原理大气的基本原理ppt课件 第一节 辐射基础 第二节 地球大气与辐射的相互作用 第三节 辐射在大气中的传输与卫星接收到的辐射ppt课件第一节 辐射基础ppt课件一、电磁波谱一、电磁波谱ppt课件 不同波长的电磁波有不同的物理特性，因此可以用波长来区分辐射，并给以不同的名称，称之为电磁波谱。例如：紫外线：uv-C(0.150-0.28)uv-B(0.28-0.315),uv-A
2、(0.315-0.4),unit:um红外线：近红外(0.7-2.5)，远红外(2.5-1000)；微波：1mm到1m波段。Most significant spectral regions associated with radiative energy transfer in atmosphere lie between ultraviolet light and microwaves.ppt课件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分米波厘米波微 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 1022 3
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 制电磁波谱电磁波谱7ppt课件p r 射线：射线：波长波长10-11-10-4nm，产生：放射性元素蜕变；，产生：放射性元素蜕变；特征：具有很高的能量，几兆电子伏特。特征：具有很高的能量，几兆电子伏特。p x 射线：射线：波长波长10-5-
4、0.0045 m，产生：原子内部的电子从激发，产生：原子内部的电子从激发态恢复到稳态；态恢复到稳态；特征：波长短，频率高能穿透密特征：波长短，频率高能穿透密 度很大的物质。度很大的物质。p 紫外线：波长紫外线：波长10-5-0.35 m，产生：原子和分子内部的电子状，产生：原子和分子内部的电子状态改变；态改变；特征：频率较高，各种物质对短的紫外线有吸收。特征：频率较高，各种物质对短的紫外线有吸收。p可见光：波长可见光：波长0.35-0.76 m，产生：原子内部的电子状态；，产生：原子内部的电子状态；特征：特征：对人眼有特殊的刺激。对人眼有特殊的刺激。p 红外线：波长红外线：波长0.76-100
5、0 m，产生：分子、原子的振动转动；，产生：分子、原子的振动转动；特特 征：与温度有关。征：与温度有关。p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。产生：内部分子的转动引起的。产生：内部分子的转动引起的。ppt课件,Dept.of Atmos.Sounding,Nanjing Univ.of Info.Sci.&Tech.(NUIST)=c,E=h v=h c/E=Energy(joules,or j),h=Plancks constant=6.63 x 10-34 j-s,v=frequency(1/s or s-1)c=speed o
6、f light in a vacuum(m/s),=wavelength(m)Electromagnetic radiation is characterized by its frequency,wavelength,wave number or photon energyppt课件ppt课件2 2、电磁波各参数的关系和使用单位、电磁波各参数的关系和使用单位p参数：参数：波长波长 波数（单位长度内含有的波数，波长的倒数）波数（单位长度内含有的波数，波长的倒数）f 频率频率 c 光速光速=3 108米米/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
7、。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。p关系：关系：f=c f=C/=c/f =1/=f/cp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（m）=109纳米（纳米（nm）ppt课件3 3、电磁波的量子特性、电磁波的量子特性 从量子的观点看，电磁辐射可以看作是一粒一粒以光速从量子的观点看，电磁辐射可以看作是一粒一粒以光速c运动的粒子运动的粒子流，
8、这些粒子称为光量子，每一光量子具有的能量为流，这些粒子称为光量子，每一光量子具有的能量为 Q=hfQ 能量，能量，h 普朗克常数。电磁辐射看成是粒子，就一定有质量普朗克常数。电磁辐射看成是粒子，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，若物质中原子的状态由高能级引起的，若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，便发出辐射；，便发出辐射；若从若从EJ EI便要吸收辐射。发出或吸收辐射时光量子的频率便要吸收辐射。发
9、出或吸收辐射时光量子的频率 f=（EJ EI）/h 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、红外线波动性表现明显；波长较长的可见、红外线波动性表现明显；波长较短的波长较短的r、x射线，其粒子性表现明显。射线，其粒子性表现明显。ppt课件 二二.描述辐射的基本物理量描述辐射的基本物理量 ppt课件预备知识通量的概念平方反比定律：表示辐射能通过空间传播方式的原则,表示光的强度与到光源的距离的平方成反比。2.1 描述辐射场的物理量ppt课件立体角概念：锥体所拦截的球面积与半径r的平方之比，单位为球面度（sr:Steradians）。2rSolid an
10、gle units are steradians sr.For a sphere of surface area 4r2,the solid angle subtended by the entire sphere is 4,by a hemisphere is 2,etc.ppt课件立体角的计算ppt课件辐射场物理量包括：辐射能；辐射功率；辐射强度；辐射通量密度；辐亮度，等。ppt课件 辐射能Q：焦耳、热力学卡（1k=4.1840J）；辐射功率（或Radiant Flux 辐射通量W）：单位时间内通过任意表面的辐射能量，单位J/s。dQdt 辐射强度I：点辐射源在某方向上单位立体角内传送的辐
11、射通量。dIdppt课件 辐射通量密度E(Radiant Flux Density)单位时间通过单位面积的辐射功率，单位为W/m2。设面元为dA，则E为：当表示面元接受的F时，又称辐照度（Irradiance）；表示从物体 表面发射出的E，又称辐出度、辐射度、辐射能（Emittance）。ddQEdAdtdAppt课件n Radiance(Radiance(辐射率辐射率,辐亮度）辐亮度）：单位立体角、单位时间、单位面积所通过的辐射能量，单位为 Wm-2sr-1.ppt课件n Radiance(Radiance(辐射率辐射率,辐亮度）辐亮度）：沿沿S方向传输方向传输（1）辐射源表面）辐射源表面d
12、A其单位面积在单位时间内向其单位面积在单位时间内向S方向方向单位立单位立体角内发射的辐射能体角内发射的辐射能,称为向称为向S方向的辐亮度方向的辐亮度：L（s）=L(,)=3Q/A tcos（2）辐射接收面）辐射接收面dA 其单位面积在单位时间内从其单位面积在单位时间内从S方向方向单位立单位立体角内接收的辐射能体角内接收的辐射能,称为来自称为来自S方向的辐亮度方向的辐亮度：L（s）=L(,)=3Q/A tcos d Adsnd Adsnppt课件 如果辐射率与方向无关，则称各向同性如果辐射率与方向无关，则称各向同性,这样的源称这样的源称朗伯源。朗伯源。如果考虑整个空间，则对所有角求积分，再除以如
13、果考虑整个空间，则对所有角求积分，再除以4，就得平均，就得平均的辐射率的辐射率若辐射是方位对称的，则上式为若辐射是方位对称的，则上式为2001(,)sin4LLd d 01()sin2LLdppt课件pEmissivity(Emissivity(发射率发射率,比辐射率比辐射率,）：指同一温度下辐射体的出射度M与黑体的出射度M的比值，它表征了物体的辐射能力。=M/M 0,1之间。由于辐射体发射的辐射随波长而变，所以发射率也是波长的函数，写为()。对于12 波长间隔的发射率为 n n：辐射表面法线方向的发射率：辐射表面法线方向的发射率 ：与辐射表面法线成：与辐射表面法线成 角方向的发射率角方向的发
14、射率2121)()()(dMdMppt课件思考与作业p1）什么是“地表发射率（地表比辐射率）”？它与哪些因素有关？p2）目前计算或反演地表发射率的方法有哪些？（需要文献调研）ppt课件 三、描述辐射的基本定律三、描述辐射的基本定律ppt课件 Q0=Qa+Qr+Qt 吸收率A=Qa/Q0 反射率R=Qr/Q0 透过率=Qt/Q0 A+R+=1 3.1 吸收率、反射率和透射率对单色辐射，称为单色吸收率、反射率和透射率，分别记为Al,Rl,l。各种物体对不同波长的辐射具有不同的吸收率与发射率，构成了该物体的吸收光谱或辐射光谱。反照率：反射辐射通量与入射辐射通量之比。ppt课件 绝对黑体：所有波长吸收
15、率均为1，A=1。单色黑体：某一波长吸收率为1，Al=1。灰 体：吸收率不随波长变化，但小于1。1859年，德国物理学家Kirchhoff辐射定律指出物体在已知温度下，对辐射能之放射率或吸收率与物体表面之性质有关。而黑色物质对辐射能具有较大的吸收能力。如果一个物体在任何温度下能吸收任何频率的辐射能，那么这个物体便称为黑体。事实上，完全黑体并不存在，研究黑体辐射时，常以人工制成一完全黑体讨论之。如图所示，当外界辐射能经由小孔射于空腔时，此辐射能经过多次反射后，几乎无机会再由小孔出现，故可视为辐射能被空腔所完全吸收，而称之以完全黑体。若加热此物体至某一温度，观察由小孔辐射出之光谱其光谱与在同一温度
16、之黑体黑体所吸收辐射者，完全相同。ppt课件3.2 辐射的基本规律 辐射平衡状态 吸收和发射辐射能量相等：1）物质热状况保持不变，可用一确定温度表示；2）各向同性。局地辐射平衡状态 如果辐射热交换的过程相当缓慢，物体中内能的分布来得及变化均匀，这时物体的温度虽然在变化，但每一给定瞬间，物体的状态可以看作是平衡的，仍可用一定的温度来描述。地球大气中的辐射过程，一般认为地面至60公里以下的大气处于局地辐射平衡状态。ppt课件基尔霍夫定律 在辐射平衡条件下，任何物体的单色辐射通量密度FT与吸收系数AT成正比关系，二者比值只是波长和温度的函数，与物体性质无关。任何物体的辐出度和它的吸收率之比都等于同一
17、温度下黑体的辐出度FB。,TBTFFTAppt课件基尔霍夫定律 若定义比辐射率 ,T为物体的放射能力F,T和黑体的辐射能力FB(l,T)之比，则基尔霍夫定律可以写成 物理意义：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。,TTAppt课件 Gustav Robert Kirchhoff (1824-1887)德国物理学家1859:Kirchhoffs Law光谱学、电学发现了铯和铷ppt课件对于绝对黑体物质，单色辐射通量密度与发射物质的温度和辐射波长或频率的关系：物理意义：
18、黑体辐射与物质组成无关黑体辐射强度随温度增高而增大（Stefan-Boltzmann定律）最大强度的波长随温度增高而减小（Wien位移定律）22/111552(,)(1)(1)chCTkTBCc hFTee普朗克定律ppt课件2/1151(,)(,)(1)BCTBTFTCe普朗克函数(黑体分光辐亮度)ppt课件 Max Planck(1858-1947)德国物理学家1901:Plancks Law1918:Nobel PrizeQuantum theory ppt课件n黑体黑体,其辐射通量密度可用其辐射通量密度可用普朗克定律普朗克定律表示表示 p h h是普朗克常数，等于是普朗克常数，等于6.
19、62626.6262 1010-27-27尔格尔格/秒秒p k k是波尔兹曼常数，等于是波尔兹曼常数，等于k=1.3806 k=1.3806 1010-16-16尔格尔格/度度p c c是光速。是光速。若用若用c c1 1=2c=2c2 2h,ch,c2 2=hc/k,=hc/k,上式可写为上式可写为 )1(2/52kThcehcM11251TcecM（w w cmcm-2-2m m-1-1）ppt课件斯蒂芬波尔兹曼定律 黑体的积分辐射通量密度与温度的4次方成正比 由温度可以求出绝对黑体的积分辐射通量密度；反之，也可由积分辐射通量密度反求其温度，这就是用辐射方法测量物体温度的基础。将太阳视作绝
20、对黑体而计算出的温度称为太阳的有效温度，约为5777K，与太阳表面的实际温度略有差异。如果不是绝对黑体，计算出的温度就会偏低。4TFBTppt课件 Joseph Stefan(1835-1893)奥地利物理学家、诗人1884:Stefan-Boltzmann law热学、电磁学1904:Nobel Prize Ludwig Boltzmann(1844-1906)奥地利物理学家1884:Stefan-Boltzmann law理论推导、统计力学ppt课件维恩位移定律 黑体辐射最大单色通量密度与它的温度成反比。例如对6000 K黑体，l max=0.42 m（蓝色光）由辐射最强的波长也可以确定绝
21、对黑体的温度，光谱方法测定物体温度的基础。由维恩位移定律求出的温度称为色温。max2897.8()TmKppt课件ppt课件Planck functionWiens LawStefan-Boltzman lawBLACKBODY RADIATIONT=temperature(K)s=Stefan Boltzman constantppt课件辐射体的温度辐射体的温度 从黑体辐射定律知道，物体的辐射量都与温度有关。对于一定的温度，就有一定的辐射光谱分布；反过来，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。ppt
22、课件有效温度（有效温度（T Te e）:如果温度为如果温度为T T的物体的出射度为的物体的出射度为M M(T)(T)，又设想，又设想M M(T)(T)为温为温度为度为T Te e的黑体发出的，即的黑体发出的，即M(TM(Te e)=M)=M(T)(T)，则黑体的温度，则黑体的温度T Te e 称为称为该物体的该物体的有效温度有效温度。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由于物体的发射率小于由于物体的发射率小于1 1，所以，所以 T T T Te e有效温度（有效温度（T Te e），也称为等效黑体温度。），也称为等效黑体温度。pp
23、t课件色温度（色温度（TcTc）: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TcTc的黑体的辐射光谱分布相同的黑体的辐射光谱分布相同,则称则称TcTc为该物体的色温度。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的黑体辐射的黑体辐射亮度相等，即亮度相等，即L L（T T）=B=B（T Tb b）则称）则称T Tb b为该物体的亮度温度。根据普朗为该物体的亮度温度。根据普朗克公式克公式 1)exp(2)(52bbThchcTB252ln 1()bbh cTh
24、cBT 亮度温度（亮度温度（T Tb b）又称等效黑体温度或辐射温度）又称等效黑体温度或辐射温度。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ppt课件 太阳辐射的能量集中在0.1m至4.0m之间 地球大气辐射的能量主要集中在4m至120m之间 太阳辐射为短波辐射，称地-气辐射为长波辐射。短波辐射和长波辐射以4m分界。2.2.3 太阳辐射和地球辐射ppt课件第二节 地球大气与辐射的相互作用 大气运动的能量来源于太阳辐射，地面和大气中的辐射过程从大尺度开始控制了地球大气系统的能量平衡，从而决定了地球气候的基本特征。ppt课件重点：吸
25、收光谱 散射特征 布格定律 相关物理量ppt课件2.1 大气吸收的物理过程l吸收:投射到介质上面的辐射能中的一部分被转变为物质本身的内能或其它形式的能量。l介质：大气中有各种气体成分及气溶胶粒子大气成分对辐射具有选择吸收的特性，是由分子和原子结构及其所处运动状态决定的。ppt课件,Dept.of Atmos.Sounding,Nanjing Univ.of Info.Sci.&Tech.(NUIST)吸收系数 单个粒子的吸收截面ab 粒子所吸收的辐射通量相当于面积ab从入射辐射场中所截获的辐射通量。体积吸收系数：单位体积中各粒子吸收截面之和（ka=Nab）。质量吸收系数：单位质量的吸收物质（1
26、cm2气柱中）吸收了原辐射能的份数。加宽作用使得吸收带中谱线互相重叠，在每一波数处的吸收系数 实际多使用一波数间隔内的平均值。05.3.19ababababNkNkM,iikkppt课件l气体分子或原子内的电子能级跃迁、原子和分子的振动和转动等所发射和吸收的辐射谱是非连续性的，构成原子的线光谱和分子的带光谱。单个分子，当它处于某一特定运动状态时，其分子内部总能量E由三部分组成：lEe：外层电子的动能和静电位能；lEv：原子在其平衡位置附近振动的能量；lEr：分子绕其质量中心转动的能量。分子光谱(2.1)evrEEEE ppt课件An electron some distance from a
27、nucleus has a particular value of potential energyBased on distance from the nucleus and the size of the electric fieldIf you give the electron more energy,it gain potential energy and will move farther away from the nucleus!The opposite is also true.When an electron gives up energy to move closer,i
28、t will be emitted as a photon of lightThe electron is not allowed a leisurely journey from one orbit to anotherIt“jumps”instantaneouslyAlso explains why some frequencies of light emitted by hydrogen are the sum of two other frequencies that are observedppt课件-eV sign for DE indicates emission(+eV for
29、 absorption)1eV等于通过等于通过1V电位差加速给一个电子电位差加速给一个电子所获得的能量，相当于所获得的能量，相当于1.602 X 10-19J Visible lines in H atom spectrum are called the BALMER series(巴尔莫系巴尔莫系)Ultra Violet Lyman(莱曼系莱曼系)Infrared Paschen(帕邢系帕邢系)氢原子的能级图ppt课件Emission spectrum of HLight BulbHydrogen LampQuantized,not continuousppt课件辐射频率f及波数与能量变化
30、的关系是f和为分子吸收或发射谱线的位置。这种谱线由有限个非常窄的吸收线或发射线组成，其间夹杂该分子不可能发射和吸收的光谱间隙。吸收光谱与发射光谱是一致的。实际分子的转动跃迁常伴随着振动跃迁发生。振动带内存在转动谱线，而转动和振动能量的变化又常伴随着电子能级跃迁。表2.3 分子的能级跃迁与吸收线中心波数和波长()/evrevrfEEEhfff()/evrevrEEEhc ppt课件“15 um motion”Some Energy States of Water Molecules.of Carbon Dioxide MoleculesVibration modes of carbon diox
31、ide.Mode(a)is symmetric and results in no net displacement of the molecules center of charge,and is therefore not associated with the absorption of IR radiation.Modes(b)and(c)do displace the center of charge,creating a dipole moment,and therefore are modes that result from EM radiation absorption,an
32、d are thus responsible for making CO2 a greenhouse gas.ppt课件N2和O2分子：对称的电荷分布，没有振动或转动谱。其吸收和发射谱由电子轨道跃迁造成，位于紫外和可见光辐射区H2O分子的原子呈三角形分布，是极性分子，有三种振动方式。这三种振动过程都引起电偶极距变化，产生吸收和发射，而转动和振动态的结合使得水汽的吸收谱十分复杂。CO2分子为线型对称分子，也有三种振动方式，但没有转动带。分子光谱举例ppt课件谱线增宽：自然增宽、压力增宽、多普勒增宽 自然增宽：l没有任何外界因素作用，谱线本身也必然具有一定的宽度，这是由于能级具有一定的宽度造成的（
33、测不准原理）。压力加宽(碰撞加宽)l在对流层和平流层大气中，由于分子、原子或离子处于不断的无规则运动中，频繁碰撞的结果导致发射辐射的位相发生无规则变化，而使谱线加宽。l压力加宽与T、P有关，由于大气压力的变化比温度的变化大得多，碰撞加宽的谱线宽度随压力的变化是主要的。ppt课件l多普勒增宽：由作热运动的分子发射辐射的Doppler频移引起。分子不停地向各个方向以不同速度作无规则运动，即使每个分子所发射的辐射频率相同，但因相对速度的原因使不同运动速度的分子的辐射之间有一定的频率差异，从而引起辐射谱线有一定程度的增宽。与T有关，与P无关。ppt课件 实际大气，谱线的Doppler加宽和压力加宽同时
34、存在。30km以下大气，谱线加宽主要由压力加宽效应决定；在大气高层（50km以上），Doppler加宽主要在平流层上层和中间层相当厚的一层大气中，压力加宽与Dopplar加宽同等重要，即Doppler-Lorentz混合线型，称为Voigt线型函数。ppt课件选择性吸收太阳短波辐射：H2O、O2、O3 地气长波辐射：H2O、CO2、O3气体吸收对大气辐射平衡的重要性取决于：吸收线的强度 吸收气体的含量及其空间分布。2.2 大气吸收光谱ppt课件lH2Ol吸收约20%的太阳能量l几乎覆盖长波辐射整个波段l吸收作用主要在对流层，特别是对流层下层。l液态水：吸收带与气态对应，波段向长波方向移动。2.
35、2 大气吸收光谱（H2O）大于12m转动带6.3m振动带ppt课件 O2主要在小于0.25m的紫外区：舒曼-龙格吸收带0.125-0.2m，赫兹堡带0.24-0.26m。因小于0.25m的太阳辐射能量不到0.2%，而且O2在可见光波段的两吸收带较弱，所以对太阳辐射的削弱不大。O3 强吸收带在紫外区：哈特来带最强0.220.30m；哈金斯带较弱0.32-0.36m；可见光区：查普斯带较弱。臭氧层吸收太阳辐射的2%平流层温度高的原因。红外区：4.7m、9.6m、14.1m较强吸收带。2.2 大气吸收光谱（O2 和O3）ppt课件ppt课件 CO2吸收主要分布在大于2m的红外区：较强中心为 2.7m
36、、4.3m 和15m（最重要）。2.2 大气吸收光谱（CO2等）n 紫外波段：O2、O3把0.29m以下的紫外辐射几乎全部吸收n 可见光波段：只有非常少量的吸收n 红外波段：主要是水汽的吸收，其次是CO2和CH4。n 14m以外的辐射不能透过大气传向外空。ppt课件n 大气窗或大气光谱窗：812m大气的吸收很弱n 大气窗区对地气系统的辐射平衡有十分重要的意义：地表的温度约300K，与这个温度相对应的黑体辐射能量主要集中在10m这一范围，通过窗区，地面发出的长波辐射可顺利地被发送到宇宙空间。2.2 大气吸收光谱（大气窗）ppt课件0.2914ppt课件2.4 辐射能在介质中的传输布格-朗伯-比尔
37、（Bouguer-Lambert-Beer）定律.1010.,0,0abababkdllabkdlld EEkd lEd EEkd lEEEee上述的指数削弱规律可适用于任何原因引起的辐射衰减。对于由散射和吸收引起的衰减，可写为,00,0,0llexexkdlkdllEEeEe式中kex,=ksc,+kab,，称为衰减系数。布格朗伯定律是下面研究太阳直接辐射削弱的基础，非常重要。ppt课件 物质对光吸收的定量关系很早就受到了科学家的注意并进行了研究。皮埃尔布格（Pierre Bouguer）和约翰海因里希朗伯（Johann Heinrich Lambert）分别在1729年和1760年阐明了物
38、质对光的吸收程度和吸收介质厚度之间的关系；1852年奥古斯特比尔（August Bier）又提出光的吸收程度和吸光物质浓度也具有类似关系，两者结合起来就得到有关光吸收的基本定律布格朗伯比尔定律，简称比尔朗伯定律。Pierre BouguerJohann Heinrich Lambert August Bierppt课件2.辐射传输的有关物理量（1）光学厚度：沿辐射传输路径，单位截面上所有吸收和散射物质产生的总削弱。00llexexkdlk dl,0elEE ,000ddexexkzzkzz,00llexexkdlkdl对于某一波长，光学厚度为整层大气光学厚度则布格-朗伯可写为ppt课件（2）光
39、学质量：辐射束沿传输路径在单位截面上所通过的吸收或散射气体的质量，称为光学质量（optical mass），常以u表示。日光垂直入射时，利用均质大气的概念，可将海平面以上整层大气的光学质量写为0dlul00duzH0,0ekulEEppt课件(3)单色透射率和单色吸收率辐射通过一段大气路径后，辐射通量密度之比常将整层大气在垂直方向的透过率称为透明系数0,0eekulEE0,11ekuA 0,0,0,1e1(1)kuAkuku ppt课件透射率函数光谱间隔内的平均透过率2121,0lE dEd0,111,kul deded ppt课件第三节第三节 卫星接收到的辐射与卫星接收到的辐射与辐射在大气中
40、的传输辐射在大气中的传输ppt课件辐射传输过程的主要参数:光谱波段(频率)介质的吸收和散射属性 大气垂直分布 大气温度廓线大气透过率可反演参数:大气温度 大气湿度 云中液态水 地表温度 地表发射率上行辐射下行辐射地表反射的辐射云的辐射来自地表的辐射反射效应云的吸收Surface卫星传感器散射效应ppt课件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 大气各成分发射的向上的红外辐射大气各成分发射的向上的红外辐射 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 大气对太阳
41、辐射的散射辐射大气对太阳辐射的散射辐射ppt课件1 1、辐射在介质中的传输、辐射在介质中的传输 （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4.1 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dLdL 1 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 k（z z）质量吸收系数。质量消）质量吸收系数。质量消光系数光系数=质量吸收系数质量吸收系数+质量散射系数。质量散射系数。（z z）吸收介质的密度，称）吸收介质的密度，称 (z
42、)=k(z)=k（z z）（z z）为体积吸收系数。为体积吸收系数。a a(z)=(z)=(z)dz(z)dz 为薄层吸收率。为薄层吸收率。ppt课件（2）小气柱发射的辐射）小气柱发射的辐射 一方面，辐射强度由物质对辐射的吸收和散射而减弱；一方面，辐射强度由物质对辐射的吸收和散射而减弱；辐射减弱量为辐射减弱量为另一方面，辐射强度也可以由同波长处物质的发射和多次散另一方面，辐射强度也可以由同波长处物质的发射和多次散射而增强，辐射增强量为射而增强，辐射增强量为dL 2因介质发射引起辐射的改变量，因介质发射引起辐射的改变量，j（z）介质辐射的）介质辐射的源函源函数系数数系数。因此，辐射通过小气柱后总
43、的辐射贡献为因此，辐射通过小气柱后总的辐射贡献为dzzzjzdL)()()(2dzzzLzkdL)()()(dzzzjdzzzLzkdL)()()()()(dzzzjdzzzLzkdL)()()()()(ppt课件定义源函数（source function；）：JkjJ)()(zJzLdzkdL因此，我们得到 这就是不加任何坐标系的普遍的辐射传输方程，它是讨论任何辐射传输过程的基础。ppt课件dIzIOxy2 2、平面平行大气中的辐射传输平面平行大气中的辐射传输),;(),;(),;(coszJzLdzkzdL平面平行大气的辐射传输 假定大气是水平平行均匀分层的，假定大气是水平平行均匀分层的，
44、Z Z为垂直方向，在任意方为垂直方向，在任意方向向I I的辐射传输方程的辐射传输方程ppt课件引入大气上界向下测量的垂直光学厚度：zdzk代入辐射传输方程，有),;(),;(),;(JLddL式中，cos这就是平面平行大气中有关多次散射的问题的基本方程。ppt课件1）大气处于局地热力平衡状态；源函数可以按照基尔霍夫定律表示为普朗克强度)()(),;()()(),;(zTBTBLzTBTBJppt课件2）大气是平面平行大气结构。辐射强度和大气大气参数（温度和气体分布廓线）的变化只允许在垂直方向上（高度和气压）发生。在这样的假定下，吸收和发射过程将相对于方位角对称。辐射强度只是垂直方向上的位置和天
45、顶角的函数。ppt课件热红外辐射传输方程就变为：)(),(),(TBLddLppt课件根据大气静力方程，引入气压坐标根据大气静力方程，引入气压坐标P Z空气密度，空气密度，g重力加速度，重力加速度，(z)是是z高度空气密度高度空气密度gdzdpz/dpgpqdpzdzzzq（p）吸收气体与空气的混合比。）吸收气体与空气的混合比。因此，在因此，在P坐标系下光学厚度可以表示为坐标系下光学厚度可以表示为 gdppqpkdzzkdgdppqpkdzzkpz)()(0ppt课件此时，大气的透过率可以表示为：其导数为：)()(1exp)/exp(),(0pdppkpquguup),()()(1),(upp
46、kpqugpup将以上两式代入，热红外辐射传输方程，并整理得pspdpuppTBuppTBL0),()(),()(,ppt课件 0000),()(),(PspdpdpdpTBppTBL-卫星在红外波段接收地气系统发射辐射的表卫星在红外波段接收地气系统发射辐射的表达式，即大气达式，即大气红外辐射传输方程红外辐射传输方程RTE。由于由于L(P0，)=S B T(P0)，且当，且当P0时，时，(P,)1，故上式可写成故上式可写成ppt课件3、RTE的物理意义的物理意义和卫星接收到的辐射和卫星接收到的辐射 在红外波段到达卫星的辐射在红外波段到达卫星的辐射L L（）由两部分组成：）由两部分组成：p地面辐
47、射项：地面辐射项：表示从地面发射的辐射表示从地面发射的辐射,表示透过大气层进入空间表示透过大气层进入空间的辐射。的辐射。p大气辐射项：大气辐射项：表示从地面到大气顶整层气体发出并能进入空间的辐射。表示从地面到大气顶整层气体发出并能进入空间的辐射。权重函数：zZzrWv),()(00(,)sBTpp0sBTp00(,)()PdpBTpdpdpppt课件Questions：p卫星的通道是如何设置（选择）的？p卫星是如何探测到不同高度上的大气辐射信息的？ppt课件权重函数Weighting Functions For Radiometric Remote Sensing(Response Funct
48、ions)ppt课件 在辐射传输路径上各点的有效温度辐射测量值的贡献不仅取决于该点的有效温度值，而且还依赖于该点附近介质的透过率变化率 ，这一因子常被称为辐射亮温度权重函数。zZzv),(zZzrWv),()(ppt课件),0(z),(z)(sec)(),0(),0()(zzkzdzzdzWa)(sec)(),(),()(zzkzdzzdzWa定义的高度变化率分别为 和下行和上行辐亮温的权重函数：下行和上行辐亮温的权重函数：ppt课件ppt课件Water vaporchannelsTemperature channelsTotal Temperature(oxygen)Liquid Water
49、WaterVapor在微波波段10-80Ghz内的大气吸收系数Derived from D.Ciminis slidesppt课件Weighting Functions from a Satellite Platformppt课件SAPHIR CHANNELS RESPONSE(NADIR VIEW)At nadir view with dry atmosphere,the low freq channels are contaminated by surface contributionsDry AtmosphereMoist Atmosphereppt课件权重函数的物理意义？ppt课件权重
50、函数的计算ppt课件在地球大气系统对太阳辐射的吸收中,大气的吸收只占20%，地球表面吸收了约50%。3.6 地面对太阳辐射的反射和吸收地面反照率ppt课件 应用：植被指数（NDVI）在NOAA气象卫星上利用二个通道，分别测量可见光通道（例如0.580.68m）和近红外通道（如0.71.1m）波段的地面反照率：当植被生长茂盛，植被指数值就较大。(21)/21NDVIChChChChppt课件 云的反照率既依赖于云的厚度、相态和含水量等云的宏微观特性，而且和太阳高度角和下垫面反照率有关。云的反照率ppt课件 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
