大气中的热红外辐射传输[精选.ppt

第五章大气中的热红外辐射传输热红外遥感关于热辐射热红外遥感系统传感器
现在及将来地球观测计划红外传感器概览(星载部分)主要的航空成像红外光谱仪地球表面热量平衡示意图·热红外遥感是一种重要的对地观测手段
地表温度与海面温度
·热红外遥感在环境动态监测中具有宏观、动态的优点，如农作物旱情遥感监测、全球环境变化和中长期天气预报研究；
·热红外遥感信息机理研究是遥感定量化的关键环节
·与海面温度相比，陆面温度由于地表的复杂性面临更多的困难。遥感反演大气水汽、温度廓线大气热红外辐射的性质

大气的长波辐射性质很复杂，不仅与吸收物质(水汽，CO2与O2)分布有关，而且与大气温度、压力有关。水汽（H2O）在6.3微米有一个较强的吸收带，二氧化碳(CO2)分别在4.3微米和15微米有较强的吸收带，O3在9.6微米处一个窄的吸收带，所以能称之为窗区的只有3.5—4.0微米，8—9.5微米和10.5—12.5微米三个波段。

水汽红外区吸收带很强，又占有较宽的波段，是最主要的吸收物质，即使在大气窗区也仍然有不可忽略的弱吸收作用，如果对海面温度的测量精度要求在±0.5℃以内，则修正大气效应便成为SST的主要问题。

大气在14微米以上，可以看成是近于黑体。地面14微米以上的远红外辐射，不能透过大气传向空间。

除非有云或尘埃等大颗粒质点较多时，大气对长波辐射的散射削弱极小，可以忽略不计。即使有云时，云中对长波的吸收作用很大，较薄的云层已可以视为黑体。

大气不仅是削弱热红外辐射的介质，而且它本身也发射热红外辐射，有时甚至发射的辐射会超出吸收的部分。

总之，热红外辐射在大气中的传输，是一种漫射辐射在无散射但有吸收又有发射的介质中的传输。热红外光谱和温室效应根据第1章的普朗克定律和维恩位移定律可知，由地球和大气发射的辐亮度小于太阳辐射的强度，而地球辐射场的峰值强度的波长大于太阳辐射峰值强度的波长。
地气系统发射的能量也称为热红外辐射或地球辐射。
大气中各种气体能够捕获热红外辐射是大气的特性，所以称为大气效应，也称为温室效应。大气长波辐射传输的特点长波辐射传输中，介质气层的发射作用不能忽略，用Planck函数表示。
当气层温度超过入射光源的温度，气层发射的能量会超过它吸收的能量，使向前传输的辐射增强；
太阳辐射可近似为平行辐射，而地气系统长波辐射各处都是光源，即地面和大气辐射是漫射辐射，因此在平面平行大气中红外波段辐射传输与方位无关，只与天顶角有关
大气垂直方向密度不均匀，向上和向下传输不同，常将传输方程表达成向上和向下两种形式大气顶没有长波向下辐射源（边界条件）；
地面对长波辐射的吸收有两个特点：
吸收率几乎不随波长变化；
吸收率接近黑体无散射大气LW辐射传输方程向上和向下强度的解为

热红外辐射的大气传输方程通过大气中某一水平面的长波辐射通量密度应当由该面上的辐射亮度对半球空间积分求得，即：

一般说，大气中是的函数，但是与无关，所以有

若只考虑经过气层的吸收削弱时，方向辐射亮度的变化为：

上式中为气层中吸收物质的订正光学质量，

不随z而变。 在大气中任一高度ｚ处，向上和向下的辐射为L↑,L↓,辐射通量密度为F↑，F↓。
高度坐标定义地面为0，ｚ向上增加；对应的订正光学质量为u，ｚ减少，ｕ增加。自ｚ至大气上界的光学质量为，↓的符号表示产生向下辐射的光学质量，表示整层向上辐射的光学质量。

先考虑ｚ高度以上气层向下的辐射。对于光学质量为du的气层元，自方向，射入此气层的辐射要经过光学质量的吸收。此微分层对于的吸收率为：按照基尔霍夫定律，也就是气层元在方向上的放射率。气层在方向放射的辐射亮度为:

式中，是绝对黑体辐射亮度，可由温度、波长按普朗克定律定出。
向下辐射经过du气层，在方向的变化为

上式是同时考虑气层的吸收削弱和放射增强的长波辐射亮度传输方程。
同样，对于向上辐射也有

或者写为

这种形式的传输方程又称为Schwarzchild方程。这个传输方程是一个一阶线性微分方程。给出边条件就可得解。下面分别对于L↑及L↓给出边界条件。
(1)在大气上界处，由于宇宙空间没有长波辐射投入，故有：
时，，。
(2)在地面上，地表热红外辐射可以根据地表发射率和地表温度根据普朗克定律计算得到。如果把地表近似为黑体，温度为，则有：
时，。
将上述边条件代入传输方程的解中，就可得出在ｚ高度上的及：

对于大多数陆地地表而言，地表比辐射率小于1，不能简单作为黑体处理，我们必须考虑地表反射的大气下行辐射项的影响，辐射传输方程更加复杂。3.遥感传感器宽通道的热红外辐射传输方程

Chandrasekhar(1960)把传感器接收的热红外辐射表达为三项之和。考虑到传感器的波长响应