第一章：大气遥感.ppt

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1、1,大气遥感,王永前 资源与环境学院,2,主要参考书目：大气辐射导论第2版，美K.N.Liou（廖国男）著，气象出版社，2004年大气辐射导论第1版，美K.N.Liou著，气象出版社，1985年大气辐射学，刘长盛 刘文保著，南大出版，1990大气辐射学讲义石广玉编，中国科学院研究生院讲义，北京，2001。大气辐射传输实用算法吴北婴，气象出版社，1998,3,考核方式：1、平时成绩30%：课堂出勤、作业、实验2、期末考试70%（闭卷）,4,什么是遥感?,遥感：是以电磁波与地球表面物质相互作用为基础，探测，分析和研究地球资源与环境，揭示地球表面各要素的空间分布特征与时空变化规律的一门科学技术。,5

2、,大气遥感,学科定义：大气遥感 remote sensing of atmosphere atmospheric remote sensing 仪器不直接同某处大气接触，在一定距离以外测定某处大气的成分、运动状态和气象要素值的探测方法和技术。气象雷达和气象卫星等都属于大气遥感的范畴。大气遥感不单单研究大气的物理化学等特征，还包括地表特性的相关内容。,6,1.大气辐射学研究辐射能在地球-大气系统内传输和转换的规律及其应用，属大气物理学的一个分支。大气辐射学是大气遥感、天气学、气候学、动力气象学、应用气象学、大气化学等学科的理论基础之一。2.地球大气系统的辐射差额是天气变化和气候形成及其演变的基本

3、因素，可以说辐射过程与动力过程的作用共同决定了地球的气候环境。,大气辐射,7,学科体系,8,学习、研究的意义,辐射是地气系统与宇宙空间能量交换的唯一方式数值天气预报中需要定量化考察大气辐射过程辐射传输规律是大气遥感的理论基础气候问题辐射强迫近年来人类活动造成的地球大气气候变迁成为大气科学研究热点，其原因也在于人类活动所排放的某些物质会改变地球大气中的辐射过程所致。,9,基尔霍夫Gustav Robert Kirchhoff(1824-1887)德国物理学家1859：Kirchhoffs Law基尔霍夫定律：,简史现代大气辐射学的理论基础,在给定温度下，对于给定波长，所有物体的比辐射率与吸收率的

4、比值相同,10,斯特藩Joseph Stefan(1835-1893)奥地利物理学家、诗人1884：Stefan-Boltzmann law实验推导,简史现代大气辐射学的理论基础,任一物体辐射能量的大小是物体表面温度的函数。黑体的总出射度与温度的定量关系为：,波尔兹曼Ludwig Boltzmann(1844-1906)奥地利物理学家1884：Stefan-Boltzmann law（理论推导）,11,简史现代大气辐射学的理论基础,维恩Wilhelm Wien(1864-1928)德国物理学家1893：Wiens Displacement Law定义 black body维恩位移定律：,维恩位

5、移定律描述了物体辐射的峰值波长与温度的定量关系，表示为：,12,简史现代大气辐射学的理论基础,普朗克Max Planck(1858-1947)德国物理学家1901：Plancks Law普朗克定律：,13,简史现代大气辐射学的理论基础,Lord Rayleigh 英国物理学家1871：Rayleigh Scattering瑞利散射：,尺度远小于入射光波长的粒子所产生的散射现象。分子散射强度与入射光的波长四次方成反比,且各方向的散射光强度是不一样的。,14,简史现代大气辐射学的理论基础,Gustav Mie(1868-1957)德国物理学家1908：Mie theory米散射理论,粒子尺度接近或

6、大于入射光波长的粒子散射现象。其散射光强在各方向是不对称的，顺入射方向上的前向散射最强。粒子愈大，前向散射愈强。,15,引言,大气辐射学主要研究内容：一、地-气系统辐射传输的基本物理过程和规律，包括1、太阳的辐射(97%E在0.33m波段内，m=0.5m附近)；2、地-气系统辐射(绝大部分E在480m波段内，m=10m附近)；3、不同地表、状态云、气溶胶、水汽、臭氧、二氧化碳等对辐射传输的影响。,16,二、大气辐射学还要研究辐射传输方程的求解。辐射传输方程：是描述辐射传播通过介质时与介质发生相互作用(吸收、散射、发射等)而使辐射能按一定规律传输的方程，在地球大气系统条件下，求解非常复杂。只能在

7、一些假定下求得解析解，因此辐射传输方程的求解，一直是大气辐射学研究的重要内容。,三、对辐射与天气、气候关系的研究也是大气辐射学的重要内容，它是从地-气系统辐射收支的角度，来研究天气和气候的形成以及气候变迁问题的。,17,相关内容：许多复杂的物理动力气候学问题中，涉及到海洋、极冰、陆地表面的辐射和热状况，大气中的云、气溶胶、二氧化碳等因子在辐射过程中对气候所造成的影响，以及这些过程和大气辐射过程之间复杂的相互作用和反馈关系。,18,近年来的主要研究,发展大气遥感探测的理论和方法建立具有物理基础的实际大气辐射模式人类活动对全球气候和局地大气环境的影响太阳活动的变化对气候的影响,19,大气遥感原理&

8、简介,原理：大气不仅本身能够发射各种频率的流体力学波和电磁波，而且，当这些波在大气中传播时，会发生折射、散射、吸收、频散等经典物理或量子物理效应。由于这些作用，当大气成分的浓度、气温、气压、气流、云雾和降水等大气状态改变时，波信号的频谱、相位、振幅和偏振度等物理特征就发生各种特定的变化，从而储存了丰富的大气信息，向远处传送。这样的波称为大气信号。,20,方式和手段,60年代以后，随着红外、微波、激光、声学和电子计算机等新技术蓬勃发展，对大气信号的认识遍及紫外、可见光、红外、微波、声波、无线电波等波段，形成了光学大气遥感、激光大气遥感、红外大气遥感、微波大气遥感、声波大气遥感等各个分支。大气遥感

9、被广泛应用于气象卫星、空间实验室、飞机和地面气象观测，成为气象观测中具有广阔发展前景的重要领域。,21,利用上述研制的实验设备，建立从大气信号物理特征中提取大气信息的理论和方法，即反演理论，是大气遥感研究的基本任务。,确立描述大气信号物理特征与大气成分浓度、运动状态和气象要素等空间分布之间定量关系的大气遥感方程。,22,大气遥感分两类：,被动遥感 Passive remote sensing 利用大气本身发射的辐射或其他自然辐射源发射的辐射同大气相互作用的物理效应，进行大气探测的方法和技术。辐射源包括：（1）星光以及太阳的紫外、可见光和红外辐射信号。（2）锋面、台风、冰雹云、龙卷等天气系统中大

10、气运动和雷电等所激发的重力波、次声波和声波辐射信号。（3）大气本身发射的热辐射信号（如利用二氧化碳、水汽、臭氧等吸收带的辐射）。（4）大气中闪电过程以及云中带电水滴运动、碰并、破碎和冰晶化过程所激发的无线电波信号。,23,主动遥感 active remote sensing,由人采用多种手段向大气发射各种频率的高功率的波信号，然后接收、分析并显示被大气反射回来的回波信号，从中提取大气成分和气象要素的信息的方法和技术。主动大气遥感有声雷达、气象激光雷达、微波气象雷达和甚高频和超高频多普勒雷达等,24,第一章 大气辐射的基本知识,第一节 辐射的基本概念 第二节 黑体辐射定律 第三节 吸收（发射）线

11、的形成和谱线形状第四节 辐射传输基本性质,25,第一节 辐射的基本概念,太阳辐射和地球大气辐射虽具有不同的特性，其本质是相同的，它们都是电磁辐射。电磁辐射是以波动和粒子形式表现出的一种能量传送形式。1.1.1 电磁波及其特性 1.1.2 辐射的物理本质 1.1.3 电磁波谱 1.1.4 基本辐射量,26,1.1.1电磁波及其特性,一、波：波是振动在空间的传播。有横波和纵波的形式之分。二、机械波：机械振动在媒质中的传播，如声波、水波和地震波。三、电磁波（ElectroMagnetic Spectrum）：变化电场和变化磁场在空间的传播。四、电磁辐射:电磁能量的传递过程（包括辐射、吸收、反射和投射

12、）称为电磁辐射。,27,Electromagnetic wave,28,五、电磁波的特性：1、电磁波是横波2、在真空中以光速传播3、电磁波具有波粒二相性：,波动性：表现在电磁辐射以波动方式在大气中传播，并发生反射、折射、衍射和偏振等效应。也就是说电磁波是以波动的形式在空间传播，因此具有波动性。粒子性：电磁波是由密集的光电子微粒组成的，电磁辐射的实质是光子微粒的有规律的运动。电磁波的粒子性使得电磁辐射的能量具有统计性。表现在电磁辐射过程、吸收过程发生的气体辐射谱线和吸收谱线、光电效应等。波粒二相性的程度与电磁波的波长有关：波长越短，辐射的粒子性越明显；波长越长，辐射的波动性越明显。这种双重特性实

13、际正是电磁辐射本质在不同方面的表现。,29,1.1.2 辐射的物理本质,自然界一切物体都时刻不停地以电磁波（电场和磁场的交变波动）的形式向四周传递能量，同时也接收外界投射来的电磁波，这种能量传递的方式称为辐射。以这种方式传递的能量，称为辐射能。,30,辐射产生的原因,光辐射 依靠入射光补充能量而导致的辐射（如夜光等）电辐射 依靠放电补充能量而导致的辐射（如日光灯等）化学辐射依靠化学反应补充能量而导致的发光热辐射 物体因吸收外界的热量或减少本身的内能而产生的辐射，也称为温度辐射,31,在物理学中，直接把辐射作为电磁波 每份能量的辐射称为光子。每个光子的能量 为 为辐射频率，以S1为单位，h为Pl

14、anck常数，h6.626*10-34JS。在真空中以光速c传播 c2.9979*108ms1,32,频率 与波长 之间的关系：习惯上常用微米m(1m10-4cm)来表示太阳辐射的波长；其他的单位，如纳米nm（1nm10-7cm10-3m）和埃米（110-4m）也经常使用，特别是用于紫外辐射。频率单位通常使用GHz，1GHz109Hz，因此，1cm相当于30GHz。波长的倒数称为波数n，表示单位距离内波的数目，常以cm1为单位，习惯上常用波数n来描述红外辐射特征，它的定义是：因此，一个光子的能量与辐射的波长成反比，光子的辐射频率和相应的能量与波数成正比。,33,1.1.3电磁波谱,不同波长的电

15、磁波具有不同的物理性质，因此我们可以按波长或频率来区分辐射，确定相应的名称，它们共同组成了电磁波的频谱。,34,人眼视网膜敏感区相应的电磁波，称为可见光区。在可见光区还可以分成几个次波段，它们具有不同的颜色：红 橙 黄 绿 蓝 靛 紫,35,电磁波谱,紫外线：uv-A：0.315-0.400 微米uv-B：0.280-0.315微米uv-C：0.150-0.280微米near uv：0.3-0.4微米Middle uv:0.2-0.3微米far uv：0.1-0.2微米extreme uv：0.01-0.1微米红外线：近红外：0.7-2.5微米 远红外：2.5-1000微米长短波（太阳辐射与地

16、球辐射光谱不重叠）分界：4微米,36,1.1.4基本辐射量,37,立体角,定义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，为一无量纲量。如：对表面积为4r2的球，它的立体角为4sr。,38,立体角,以发射体为中心的球坐标中，立体角定义为：是极坐标中的天顶角0，90 是方位角0,360,39,辐射能量 Q,电磁辐射是具有能量的，它表现在：使被辐照的物体温度升高 改变物体的内部状态 使带电物体受力而运动,辐射能量（Q）的单位是焦耳（J）,常用辐射量,40,辐射通量(radiant flux),在单位时间内通过的辐射能量称为辐射通量：=Q/t,辐射通量（）的单位是瓦特=焦耳/秒（W=J/

17、S）,41,辐射通量密度(irradiance)E、(radiant exitance)M,单位面积上的辐射通量称为辐射通量密度：E辐照度=/A M辐射出射度=/A,辐射通量密度的单位是瓦/米（W/m）,法向,42,辐射强度(radiant intensity)I,辐射强度是描述点辐射源的辐射特性的，指在某一方向上单位立体角内的辐射通量：I=/,辐射强度（I）的单位是瓦/球面度（W/Sr）,=A/R2、4 各向同性源？,43,分谱辐射通量,辐射通量是波长的函数，单位波长间隔内的辐射通量称为分谱辐射通量：=/,分谱辐射通量的单位是瓦/微米（W/m）,1-2间隔内的(1-2)?总辐射通量？,44,

18、分谱？,分谱辐射通量,分谱辐照度、分谱辐射出射度,分谱辐射强度,“分谱”两字可以忽略,45,辐射亮度(radiance)L,单位面积、单位波长、单位立体角内的辐射通量称为辐射亮度：L=/A,辐射亮度（L）的单位是瓦/米微米球面度（W/m m Sr）,图中出射辐射亮度是多少？,46,小 结,辐 射 度 量 一 览 表,47,辐射源,往外发射辐射的物体称为辐射源。最简单的辐射源是点源，这是一种理想的情况，即其几何尺度可以被忽略。假设源向四周发射是均匀的，发射辐射的功率为f0，以点源为中心画一个半径为r 的球面，则通过球表面的辐射通量密度为：这里辐射传输的方向都在半径方向。由于与立体角相对的面积随距

19、离以r 2增大，因此通过单位面积的辐射能，即辐射通量密度将随r 2减小。,48,在离点光源距离相当大并且在讨论相对比较小的范围中的问题时，可以把由点源发出的辐射当作平行辐射处理。在大气辐射中，我们常把来自太阳的直接辐射看作平行光。在不考虑吸收散射等因素时，平行光的辐射通量密度应当是常数，即在任何位置上设置一个和辐射传输方向相垂直的平面，通过这平面的辐射通量密度都应当是一个常数。,49,面辐射源：面辐射源的特点是其辐射的方向可以是不同的，它可以向2立体角中发射辐射能。我们大部分讨论的是水平均一或球面均匀的大气。,50,第二节 黑体辐射定律,51,1.2.1 吸收率、反射率和透射率,定义：吸收率A

20、=Ea/E0，反射率R=Er/E0，A R 1透射率=Et/E0。当物体不透明时，=0,则有A+R=1。吸收率、反射率、透射率的概念可用于各种波长的条件。单色吸收率、反射率和透射率，分别记为A R 各种物体对不同波长的辐射具有不同的吸收率与放射率，构成了该物体的吸收光谱或辐射光谱。,52,黑体,53,黑体和灰体,绝对黑体对所有波长的辐射吸收率均为1单色黑体对某一波长的辐射吸收率为1注意：黑体与黑色物体是有区别的！灰体 吸收率1的常数，不随波长而变选择性辐射体：吸收率小于1，且随波长而变化。,54,辐射平衡,当物体放射出的辐射能恰好等于吸收的辐射能，称该物体处于辐射平衡。这时物体处于热平衡态，因

21、而可以用一态函数，温度来描述它。热力学定律可用来研究辐射平衡态时物体吸收和发射的规律:基尔霍夫定律和有关黑体热辐射的三个定律。,55,1.2.2四个定律,（1）普朗克Planck Law(1901)（2）斯蒂芬玻尔兹曼定律（1884）Stefan-Boltzmann（3）维恩Wien位移定律（1893）（4）基尔霍夫kirchhoff定律（1859）,56,（1）普朗克Planck Law(1901),1901年Planck提出量子化辐射的假设，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。从理论上得出，与实验精确符合Planck函数：,57,第一辐射常数：第二辐射

22、常数：光速 c=3.0108 m s-1，普朗克常数 h=6.626210-34 J s-1，波尔兹曼常数 k=1.380610-23 JK-1。由普朗克定律可以得出各种温度下绝对黑体的辐射光谱曲线。,58,Planck Law(1901),黑体辐射与物质组成无关1、任何温度的绝对黑体都放射波长 0 无穷 mm 的辐射，但温度不同，辐射能量集中的波段不同。2、温度越高，各波段放射的能量均加大。积分辐射能力也随温度升高而迅速加大。但能量集中的波段则向短波方向移动。（例：铁）3、每一温度下，都有辐射最强的波长l max，即光谱曲线有一极大值，而且随温度升高，l max变小。,59,60,（2）斯蒂

23、芬玻耳兹曼定律 Stefan-Boltzmann,普朗克定律提出之前，1879年Stefan从实验得出，后经Boltzmann于1884年从热力学理论上予以证明。即黑体总辐射通量随温度的增加而迅速增加，它与绝对温度的四次方成正比。因此，温度的微小变化，就会引起辐射通量密度很大的变化。Stefan-Boltzmann常数=5.66961*10-8Wm2K4,61,（3）维恩Wien位移定律,1893年维恩从热力学理论推导出：黑体辐射最大强度的波长与它的温度成反比。同样将planck函数对波长微分，可得：黑体温度越高，lmax 愈小。即：随着温度的升高，辐射最大值对应的峰值波长向短波方向移动。,6

24、2,（4）基尔霍夫kirchhoff定律,1859年提出，于1882年由热力学定律论证在辐射平衡条件下，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，比值大小等于Planck函数的通量密度形式,物体的发射率等于吸收率。好的吸收体也是好的发射体，如果不吸收某些波长的电磁波，也不发射该波长的电磁波。,63,第四节 吸收线的形成和谱线形状,64,吸收光谱,定义：物质吸收电磁辐射后，以吸收波长或波长的其他函数所描绘出来的曲线即吸收光谱。是物质分子对不同波长的光选择吸收的结果,65,电磁与单分子的相互作用,一个孤立分子的总内部能量由三种能态组成：电子能量+振动能量+转动能量 当从低（或高）能态到高（或低）能态的跃迁产生时，辐射就被吸收（或发射）。跃迁可以包括电子能，振动能或转动能的变化，或者这三种形式的任意组合的变化。由单一跃迁引起的吸收谱称为吸收线,66,谱线的形状,分子的吸收（或发射）谱是由线条分明的频谱线所组成，它相应于该分子的明确规定（量化）的能级间跃迁。这样的谱将是一个孤立，无扰和静止的分子系特征。但是实际上分子处于恒动之中，彼此相互作用和碰撞，也和其他材料的物体碰撞，这种扰动引起了能级宽度的变化，其结果使谱线具有一定的宽度。谱线宽度的增加称为线增宽。在谱线增宽的各种来源中间，由分子碰撞产生的压致增宽对大气吸收是最重要的。,