第一章：大气遥感

维恩位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：
max A/ T
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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：Planck’s Law 普朗克定律：
2hc 2 M (T ) 5 [exp(hc / kT) 1]

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
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大气遥感原理&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
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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。
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学科体系
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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。
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大气辐射


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。
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1.1.3电磁波谱

不同波长的电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。
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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
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电磁波谱
紫外线：
奥地利物理学家、诗人
1884：Stefan-Boltzmann law 实验推导
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 4 10 的定量关系为：M (T ) T
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：Wien’s Displacement Law 定义 black body 维恩位移定律：
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。
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ห้องสมุดไป่ตู้
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。
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。
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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
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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S－1为单位，h为Planck常 数，h＝6.626*10-34JS。在真空中以光速c传 播 c＝2.9979*108ms－1


d rd r sin d
是极坐标中的天顶角[0，90] 是方位角[0,360]
以发射体为中心的球坐标中，立体角定义为：
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大气遥感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。
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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。
远红外：2.5-1000微米
长短波（太阳辐射与地球辐射光谱不重叠）分界：4微米
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1.1.4基本辐射量
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立体角
定义
锥体所拦截的球面积σ 与半径r的平方之比，单 位为球面度sr，为一无量纲量 。


r2
如：对表面积为
4π r2的球，
它的立体角为4π sr。
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立体角

d d 2 sin d d r
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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。
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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）

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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。
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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。
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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。
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简史—现代大气辐射学的理论基础
Gustav Mie (1868-1957)
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Electromagnetic wave
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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 28 性实际正是电磁辐射本质在不同方面的表现。
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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
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第一章 大气辐射的基本知识
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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。
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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
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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）称为电磁辐射。
大气遥感
王永前
wangyongq246@gmail.com
资源与环境学院
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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
德国物理学家 1908：Mie theory 米散射理论
粒子尺度接近或大于入射光波长 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。
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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0.3～3μm波段内， m= 0.5μm 附近)； 2、地-气系统辐射(绝大部分E在4～80μm波段内， m= 10μm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。
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频率 与波长 之间的关系： 习惯上常用微米μm(1μm＝10-4cm)来表示太阳辐射 的波长；其他的单位，如纳米nm（1nm＝10-7cm＝ 10-3μm）和埃米Å（1Å＝10-4μm）也经常使用，特别 是用于紫外辐射。 频率单位通常使用GHz，1GHz＝109Hz，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cm－1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。
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）线的形成和谱线形状 第四节 辐射传输基本性质
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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
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简史—现代大气辐射学的理论基础
基尔霍夫 Gustav Robert Kirchhoff (1824-1887) 德国物理学家 1859：Kirchhoff’s Law
基尔霍夫定律：
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比值相同
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简史—现代大气辐射学的理论基础
斯特藩 Joseph Stefan (1835-1893) 波尔兹曼 Ludwig Boltzmann (1844-1906) 奥地利物理学家 1884：Stefan-Boltzmann law （理论推导）
uv-A： uv-B： uv-C： near uv： Middle uv: far uv： extreme uv： 0.315-0.400 微米 0.280-0.315微米 0.150-0.280微米 0.3-0.4微米 0.2-0.3微米 0.1-0.2微米 0.01-0.1微米
红外线：近红外：0.7-2.5微米