第三章太阳辐射在大气中的吸收和散射1

大气遥感
标准大气
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标准大气
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水汽的吸收系数
(m) kl,w (m-1) (m) kl,w (m-1) (m) kl,w (m-1) 0.69 1.6 0.93 2700 1.85 220000 0.7 2.4 0.94 3800 1.9 140000 0.71 1.25 0.95 4100 1.95 16000 0.72 100 0.96 2600 2 290 0.73 87 0.97 310 2.1 22 0.74 6.1 0.98 148 2.2 33 0.75 0.1 0.99 12.5 2.3 59 0.76 0.001 1 0.25 2.4 2030 0.77 0.001 1.05 0.001 2.5 31000 0.78 0.06 1.1 320 2.6 1500000 0.79 1.75 1.15 2300 2.7 2200000 0.8 3.6 1.2 1.6 2.8 800000 0.81 33 1.25 0.018 2.9 65000 0.82 135 1.3 290 3 24000 0.83 66 1.35 20000 3.1 23000 0.84 15.5 1.4 110000 3.2 10000 0.85 0.3 1.45 15000 3.3 12000 0.86 0.001 1.5 1500 3.4 1950 0.87 0.001 1.55 0.17 3.5 360 0.88 0.26 1.6 0.001 3.6 310 0.89 6.3 1.65 1 3.7 250 0.9 210 1.7 51 3.8 140 0.91 160 1.75 400 3.9 17 0.92 125 1.8 13000 4 0.45
体积比 （％）
78.084 20.948 0.934 0.036 18.18 ×104 5.24 × 104 1.14 × 104 0.089 × 104 0.5 × 104 1.7 × 104 0.3 × 104 0.08 × 104
体积比 （％）
0 ～0.04 0 ～12 × 104 0.001 × 104 0.001 × 104 0.004 × 104 0.0005 × 104 0.00005 × 104 微量 Trace
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CO2 ，CH4
• CO2 虽然被列为恒定成分，但由于矿物燃烧、 海洋的吸收和放射及光合作用，一直以大约0.4 ％的速度增加。 CO2 能够强烈地吸收和放射红 外辐射，对气温有一定的影响。
• 大气中CH4 的含量也以每年1％～2％的速率在 增加，现在达1.7ppmv • CO, N2O 的含量也在变化
• 最大浓度出现在城市和沙漠，在对流层，浓度随高度 增加而迅速减小。平流层某些高度上，观测到有气溶 胶薄层长期存在。
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• 大气中水汽含量的变化最大，气溶胶浓度的变 化次之，二氧化碳的变化比较小。 • Aerosol 的研究是大气遥感的一个重要方面， 其光学特性及气候效应是目前的一个热点。
• 参看《气溶胶教程》作者：章澄昌，气象出版 社， 1993。
(m) 0.485 0.49 0.495 0.5 0.505 0.51 0.515 0.52 0.525 0.53 0.535 0.54 0.545 0.55 0.555 0.56 0.565 0.57 0.575 0.58 0.585 0.59
k , o (m-1 ) 1.7 2.1 2.5 3 3.5 4 4.5 4.8 5.7 6.3 7 7.5 8 8.5 9.5 10.3 11 12 12.2 12 11.8 11.5
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可变气体成分：O3
• O3 1840年瑞士科学家首先发现臭氧。浓度主要 出现在约15～30km的高度，这个区域称为臭氧 层（法国）。
– 近地面空气中臭氧的含量极少，在20～25km处达 极大值，具体取决于纬度和季节，再往上又减小， 到50km附近臭氧含量趋于零。如果把它集中起来， 在标准状态下，平均厚度约3mm。 – 它的形成主要是由于太阳紫外辐射的作用。 – 臭氧在大气中的含量虽然很小，但其作用却很大。
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可变气体成分： H2O
• 水汽是地球大气中主要的辐射和动力要素，它 的含量随时空变化很大。对流层H2O的空间分 布取决于局地水文循环和大尺度输送过程。
– 最大值出现在南、北半球亚热带700hpa高度以下的 气层中。
• 它是在大气温度变化范围内唯一可以发生相变 的成分。由于水的三态都善于吸收和放射红外 辐射，因而对地面和空气的温度变化也有一定 的影响。
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臭氧吸收系数
(m) 0.29 0.295 0.3 0.305 0.31 0.315 0.32 0.325 0.33 0.335 0.34 0.345 0.35 0.355 0.445 0.45 0.455 0.46 0.465 0.47 0.475 0.48
k ,o (m-1 ) 3800 2000 1000 480 270 135 80 38 16 7.5 4 1.9 0.7 0 0.3 0.3 0.4 0.6 0.8 0.9 1.2 1.4
• 外层－热层顶以上是外层，这一层可能一直延伸 到约1600km的高空，并且逐步融合到行星空间 去。由于地球引力场的束缚力很小，一些高速运 动的空气质粒不断向星际空间逃逸，又称外逸层。
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• 电离层－从距离约60km开始向上延伸。在远距 离无线电通讯中起着重要作用。与太阳活动密 切相关。 • 磁层－500km以上的高空。受太阳风的作用， 看起来像彗星状。
• 平流层－高达50km；气层稳定；T最初微升， 30km以上随Z的升高增加很快，达270～290K。 这主要是由于O3 吸收紫外辐射所致；水汽很少， 能见度很高。
• 中层－高达80~Biblioteka Baidu5km；T随Z升高而递减得很快； 有强烈的湍流混合和光化学反应。
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• 热层－高达500~600km；T随Z上升而迅速增加， 可达1000~2000K，所以称热层；由于波长小于 0.175微米的太阳紫外辐射，被热层气体吸收所 致。温度是分子运动速度的一个度量；温度一日 间有显著变化；热层处于高度电离状态。
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第一节 地球大气的成分和结构
为了描述地球大气与太阳辐射的相互作用，我们 首先来了解一下大气的结构和成分。 3.1.1热力结构 • 为了确定与太阳光吸收和散射有关的大气区域， 我们首先给出标准大气的垂直温度廓线：
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大气的分层命名通常由它的热力状态导出
• 对流层－对流层顶的高度随纬度和季节变化(低 纬17~18km，中11~12km，高8~9km)；集中了 整个大气质量的3/4和全部的水汽；天气现象都 发生在这一层。
变化成分 成分
Water vapor (H2O) Ozone (O3) Sulfurdioxide (SO2)b Nitrogendioxide (NO2)b Ammonia (NH3)b Nitric oxide (NO)b Hydrogensulfide (H2S)b (HNO3) Chlorofluorocarbons (CFCI3, CF2C12 CH3CCI3, CC14, etc.)
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气溶胶
• 气溶胶：气溶胶由固体或液体小质点分散并悬浮在气 体介质中形成的胶体分散体系。目前常将气溶胶分成 三大类：①雾，指液体粒子的凝聚性气溶胶和分散性 气溶胶；②尘，指固态粒子的分散性气溶胶；③烟， 指固态粒子的凝聚性气溶胶。
– 大气电现象，大气辐射和光学，大气化学过程，以及云降 水的形成，都跟气溶胶有关。
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体积比
• 假设在压力P、温度T状态下干空气占有容积Va， 其中某气体成分的分压力为p，当温度T保持不 变，而该气体成分的压力变为P时。它占有容 积V，则定义该气体成分的体积比为q=V/Va
• 其数值以百分数（％）或百万分数（ppm）表 示，当含量非常少时，又可以用千兆分数 （ppb）表示。
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Planetary boundary layer
• 行星边界层：大气层的最低1km左右的层次明 显与对流层的其他高度不同，它与地表发生强 烈而重要的相互作用，这一层称为行星边界层。
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3.1.2 化学成分
恒定成分 成分
Nitrogen (N2) Oxygen (O2) Argon (Ar) Carbon dioxide (CO2) Neon (Ne) Helium (He) Krypton (Kr) Xenon (Xe) Hydrogen (H2) Methane (CH4) Nitrous oxide (N2O)b Carbon monoxide (CO)b
(m) 0.595 0.6 0.605 0.61 0.62 0.63 0.64 0.65 0.66 0.67 0.68 0.69 0.7 0.71 0.72 0.73 0.74 0.75 0.76 0.77 0.78 0.79
k , o (m-1 ) 12 12.5 13 12 10.5 9 7.9 6.7 5.7 4.8 3.6 2.8 2.3 1.8 1.4 1.1 1 0.9 0.7 0.4 0 0