大气辐射传输理论 第一章..
sciatran 辐射传输模式
sciatran 辐射传输模式Sciatran辐射传输模式Sciatran辐射传输模式是一种用于模拟大气辐射传输过程的计算模型。
它被广泛应用于气象学、环境科学和遥感领域，用于研究大气中的辐射传输规律以及对地球表面辐射的影响。
本文将介绍Sciatran辐射传输模式的基本原理、应用范围和一些相关研究进展。
一、基本原理Sciatran辐射传输模式基于辐射传输方程，通过对大气中的气溶胶和气体的光学性质进行建模，模拟太阳辐射和地球辐射在大气中的传输过程。
它考虑了大气中的各种光学过程，如散射、吸收和发射，并通过数值计算方法求解辐射传输方程，得到大气的辐射能量分布。
Sciatran辐射传输模式主要包括以下几个步骤：1. 大气光学特性参数的输入：包括大气气溶胶和气体的光学参数，如散射和吸收系数，以及大气温度、湿度等参数。
2. 辐射传输方程的求解：利用数值计算方法，求解辐射传输方程，得到大气中的辐射能量分布。
3. 辐射传输结果的输出：根据模型计算结果，生成辐射传输的相关数据，如太阳辐射、地球辐射和大气辐射能量的分布图。
二、应用范围Sciatran辐射传输模式在气象学、环境科学和遥感领域具有广泛的应用。
它可以用于研究大气中的辐射传输过程，了解大气中的气溶胶和气体对辐射的影响，以及它们与气候变化之间的关系。
此外，Sciatran模式还可以用于遥感数据的辐射校正，提高遥感数据的准确性和可靠性。
在气象学中，Sciatran模式可以用于模拟和预测大气辐射能量的分布，对天气预报和气候模拟具有重要意义。
它可以帮助科学家们更好地理解大气辐射过程，提高气象预报的准确性。
在环境科学中，Sciatran模式可以用于研究大气污染和气候变化之间的关系。
通过模拟大气中的辐射传输过程，可以了解气溶胶和气体对大气辐射的影响，为环境保护和治理提供科学依据。
在遥感领域，Sciatran模式可以用于遥感数据的辐射校正。
遥感数据通常受到大气散射和吸收的影响，通过模拟大气辐射传输过程，可以消除大气效应，提高遥感数据的质量和精度。
《大气遥感》PPT课件
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开展，对大气信号的认识普及 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开展 前景的重要领域。
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 ❖ 依靠化学反响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
❖ 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
❖ 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。
简史—现代大气辐射学的理论根底
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：
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。
简史—现代大气辐射学的理论根底
Gustav Mie (1868-1957) 德国物理学家 1908：Mie theory 米散射理论
❖ 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，是大气遥感研究的根本任务。
大气辐射学1
当辐射通量密度是由一个发射面射出时， 则此量称为辐出度（emittance）；当按波长
表达时，它称为单色辐出度。 （monochromatic emittance）。
大气辐射学
刘玉芝
兰州大学大气科学学院 2009 年 9月
第1章 大气辐射基本知识
1.2 黑体辐射定律
黑体的定义 黑体辐射定律
1990
1995
2000
2005
瓦里关 380 (36o17'N,100o54'E,3810m.a.s.l)
370
浓度 (ppmv)
360
350 1990 1992 1994 1996 1998 2000 2002 2004 2006
CO2浓度的垂直分布（引自日本东北大学中泽、青木等人）
From IPCC2007
1、 电磁波频谱
电磁辐射
电磁波的描述：
λ ⋅ f = c, ν = 1 = f . λc
波长 频率 波速 波数
电磁波谱：不同波长或频率的电磁波有不同 的物理特性，因此可以用波长和频率来区分 电磁辐射，并给以不同的名称，称之为电磁 波谱。
电磁波谱
μm
可见光波段是整个电磁波谱中很窄的一部分； 红外波段可分为近红外与远红外波段； 无线电波中的亚毫米波到分米波称为微波。
A λ ,T
任何物体的辐出度和它的吸收率之比都等于同一 温度下黑体的辐出度。
在相同温度时，黑体的辐出度最大的，其他物体 都无法超过它。
定义物体的放射能力和黑体的辐射能力之比为比辐射率：
ε λ,T
=
Fλ ,T
FB (λ,T )
则有：
ε λ,T = Aλ,T
LOWTRAN7大气辐射传输模式和应用
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多次散射处理 求通解可得向上和向下的辐亮度：
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多次散射处理 代入大气顶边界条件和地面边界条件：
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多次散射处理 LOWTRAN7考虑对源函数的多次散射贡献时采用二流近似， 即假定这部分散射辐亮度在向上和向下两个半球分别是各向 同性的。
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透过率计算
2.透过率计算
LOWTRAN7在单纯计算透过率或者仅考虑单次散射时，使
用参数化经验方法计算带平均透过率；而在计算多次散射时，
则采用k分布方法 。
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透过率计算 （1）带透过率计算 LOWTRAN6 及之前的版本中，大气分子分为① 水汽，② O3，③ 均匀混合气体CO2、N2O、CO、CH4和O2，④ 水 汽连续吸收，⑤ 氮的连续吸收，⑥ 臭氧的紫外和可见光吸 收。对前三组在 20 cm-1中的平均透过率为单指数经验透过 率：
UNIT=5 （TAPE5）输入文件 UNIT=6（TAPE6）标准输出
UNIT=7 （TAPE7）包含输入的卡片和谱结果（透射率/辐
射率）。此文件可用于绘图（plot）、滤波（filter）和扫描 （scanning function program）等程序处理。 UNIT=8 （TAPE8）包含各种气体的透射率 （transmittance）。
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LOWTRAN7的介绍 LOWTRAN7 可根据用户需要，设置水平倾斜及垂直路径，
大气辐射传输
大气辐射传输
大气辐射传输是指大气层对太阳辐射和地球辐射的吸收、散射和透过过程。
辐射传输对于地球的能量平衡和气候变化具有重要影响。
太阳辐射传输是指太阳光在大气层中的传播过程。
太阳光包括可见光、紫外线和红外线等各个波长的辐射。
当太阳辐射进入大气层时，一部分被大气层直接吸收，一部分会被大气层散射和透过。
其中散射是指太阳辐射在大气层中发生方向改变的现象，散射过程会使太阳光在任意方向上均有可能被观测到。
透过是指太阳辐射穿过大气层到达地表的过程。
太阳辐射的传输过程受到大气层中各种气体、云、气溶胶和地表的影响，不同波长的辐射在大气层中的传输特征也各不相同。
地球辐射传输是指地球表面发出的热辐射在大气层中的传播过程。
地球表面主要发出的是长波红外辐射，包括地球的地表辐射和大气层内的辐射。
在地球辐射传输过程中，大气层的主要作用是散射和吸收地球辐射。
一部分地球辐射能够直接透过大气层达到太空，一部分被大气层吸收后被重新辐射到太空中，形成热辐射平衡。
大气辐射传输对于地球能量平衡和气候变化具有重要影响。
太阳辐射传输直接影响到地球的能量收入，地球辐射传输则决定了地球的能量输出。
其中，大气层对太阳辐射的吸收和散射会影响到地球的能量收入量，而大气层对地球辐射的吸收和透过则影响到地球的能量输出量。
这些能量的变化对大气层和地表的温度、气候和天气现象产生影响。
因此，对大气辐射传输过
程的研究对于了解地球的能量平衡和气候变化机制具有重要意义。
典型天气大气辐射传输特性研究
典型天气大气辐射传输特性研究一、本文概述随着全球气候变化研究的深入，大气辐射传输特性成为了气象学、环境科学和地球科学等领域的研究热点。
大气辐射传输特性决定了地球表面与大气之间的能量交换过程，对气候变化、天气预报、遥感探测等方面都具有重要意义。
本文旨在深入研究典型天气条件下的大气辐射传输特性，以期为进一步理解地球气候系统、提高天气预报精度以及优化遥感技术应用提供理论支撑。
本文首先将对大气辐射传输的基本理论进行阐述，包括辐射传输方程、大气吸收和散射等基本过程。
在此基础上，针对不同典型天气条件（如晴朗天气、多云天气、雾霾天气等）下的大气辐射传输特性进行详细分析。
通过对比不同天气类型下的大气光学厚度、辐射收支、辐射传输路径等关键参数，揭示各类天气条件下大气辐射传输的基本规律。
本文还将探讨大气辐射传输特性对地球表面温度、湿度、风速等气象要素的影响，以及如何通过遥感技术实现对大气辐射传输特性的反演和监测。
研究成果将为提高天气预报的准确性和精细化水平，以及优化遥感技术在气候变化监测和资源环境调查等领域的应用提供有力支持。
本文旨在对典型天气条件下的大气辐射传输特性进行深入研究，为气象学、环境科学和地球科学等领域的发展提供有益参考。
通过揭示大气辐射传输的基本规律，本文将为气象预报、遥感技术应用以及地球气候系统研究提供更为准确和全面的理论基础。
二、典型天气的分类与特点天气现象复杂多样，对大气辐射传输特性产生显著影响。
为了深入研究大气辐射传输特性，首先需要对典型天气进行分类，并明确其特点。
根据气象学的基本原理，我们可以将典型天气主要分为晴朗天气、多云天气、雾霾天气、雨雪天气等几类。
晴朗天气：晴朗天气是指天空无云或少云，太阳辐射直接到达地面的天气状况。
在这种天气下，大气对太阳辐射的吸收和散射作用较弱，太阳辐射能量主要直接传输到地面。
晴朗天气的辐射传输特性主要表现为太阳辐射强烈，地面接收到的辐射能量高，大气逆辐射较弱。
多云天气：多云天气是指天空中云层较多，但云层较薄，太阳辐射部分透过云层到达地面的天气状况。
大气辐射传输理论 第一章
大气辐射传输理论引言学科定义：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。
大气辐射学是天气学、气候学、动力气象学、应用气象学、大气化学和大气遥感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。
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。
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，λ m=0.5μm附近)；2、地-气系统辐射(绝大部分E在4～80μm波段内，λ 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。
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、另外，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。
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。
第一章用于大气辐射的基本知识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。
大气辐射传输与能量平衡
大气辐射传输与能量平衡大气辐射传输和能量平衡是地球气候系统中的重要组成部分，它们对大气、海洋和陆地的热力平衡起着至关重要的作用。
本文将从辐射传输的基本原理开始，逐步探讨大气辐射传输与能量平衡的关系。
1. 大气辐射传输的基本原理大气辐射传输是指太阳辐射穿过大气层并到达地球表面的过程，以及地球表面反射、散射和向大气层发出的辐射传播的过程。
在这个过程中，太阳辐射经过大气层时会被散射、吸收和反射，地球表面则会反射、辐射和传导能量。
大气辐射传输的理论基础主要建立在辐射传输方程上，该方程描述了辐射传输过程中能量的变化。
2. 大气辐射传输与能量平衡的关系大气辐射传输的特点决定了能量平衡在地球气候系统中的重要性。
通过大气辐射传输，太阳能量从太阳辐射源传至地球，其中一部分被大气层吸收，一部分被散射和反射，最后到达地球表面。
地球表面吸收来自太阳辐射的能量，然后通过辐射、传导和对流的方式向大气层释放能量。
大气辐射传输和能量平衡之间的关系在维持地球气候系统的热力平衡方面起着至关重要的作用。
3. 大气辐射传输的影响因素大气辐射传输受多种因素影响，包括大气成分、云层、大气湍流等。
大气成分（如水蒸气、二氧化碳、氧气等）对辐射传输的影响主要体现在吸收和散射方面。
云层对辐射传输有较强的遮挡作用，既会散射太阳辐射，还会吸收和反射来自地面的辐射。
大气湍流则通过对流和辐射的相互作用来影响辐射传输的过程。
了解这些影响因素对于研究大气辐射传输和能量平衡的机制至关重要。
4. 气候变化对大气辐射传输与能量平衡的影响气候变化引起的温度变化和大气成分的变化对大气辐射传输和能量平衡产生了重要影响。
温度的升高会导致大气层的膨胀，从而改变大气的透明度和散射特性。
此外，由人类活动引起的增加的温室气体排放导致大气中温室效应的增强，加剧了大气辐射传输和能量平衡的变化。
因此，理解气候变化对大气辐射传输与能量平衡的影响对于应对气候变化具有重要意义。
总结：大气辐射传输与能量平衡是地球气候系统中的重要组成部分，对维持地球的热力平衡起着至关重要的作用。
大气辐射传输方程课件
方程各项物理意义解释
辐射强度变化项
表示辐射能在传输过程 中的增加或减少。
吸取项
表示介质对辐射能的吸 取作用，与介质的吸取 系数和辐射强度有关。
发射项
表示介质自身发射的辐 射能，与介质的发射率
和温度有关。
散射项
表示介质对辐射能的散 射作用，与介质的散射 系数和辐射强度有关。
边界条件和初始条件设定
边界条件
力。
大气成分与结构
大气成分
主要包括氮气、氧气、二氧化碳等气 体分子，以及水蒸气、气溶胶等微粒 。
大气结构
根据温度、压力、密度等参数，大气 可分为对流层、平流层、中间层、热 层和逃逸层。
大气辐射过程
01
02
03
04
太阳辐射
太阳作为主要辐射源，向地球 大气发射短波辐射。
大气吸取与散射
大气中的气体分子、微粒吸取 和散射太阳辐射，导致辐射能
02
大气辐射基础知识
辐射度量学基础
辐射通量
单位时间内通过某一面积的辐 射能量。
光谱辐射通量
单位时间内通过某一面积、在 某一波长范围内的辐射能量。
辐射强度
单位立体角内的辐射通量，描 述点源或线源在某方向上的发 光能力。
光谱辐射强度
单位立体角、单位波长范围内 的辐射通量，描述点源或线源 在某方向、某波长上的发光能
利用正交函数系（如勒让德多项式、 切比雪夫多项式等）对原函数进行展 开，将微分方程转化为代数方程进行 求解。
有限元法
将连续的空间划分为一系列离散的元 素，在每个元素内用近似函数代替原 函数，通过求解元素方程得到整个空 间的解。
迭代算法设计与实现过程展示
雅可比迭代法
通过不断迭代，用上一次迭代的解计算下一次迭代的解，直到满 足收敛条件为止。
大气辐射
简介
大气辐射(1张)大气辐射的方向既有向上的，也有向下的。大气辐射中向下的那一部分，刚好和地面辐射的 方向相反，所以称为大气逆辐射。云多、空气湿度大，大气中含有水汽、二氧化碳越多，吸收的地面辐射越多， 大气辐射越强。
大气吸收了地面辐射以后，又以辐射方式向外发射辐射。大气发出的长波辐射与大气温度有关，与天空云量 有关。Paltridge(1970)发现云量每增加1/10，大气长波辐射就会增加6W/m2。当天空全部被云遮蔽后，地面获 得的辐射中，大约有30%是来自大气长波辐射。在比较晴朗的天空，大气长波辐射也主要是由大气中的水汽、二 氧化碳及少量臭氧发射的。
大气辐射噪声会对接收系统，特别是对噪声系数很低的系统造成有害的影响。但在大气无源微波遥感中，却 能利用大气辐射噪声的各种特性，测量大气的温度分布、水汽密度分布和云中含水量等大气参数。
经验公式
如果能知道它们的温度，就可以直接用斯蒂芬波尔兹曼公式计算出大气长波辐射量，但这非常困难。因此许 多科学家辐射的经验公式。
传输
传输方程
传输特性
传输模型
大气辐射传输特性是指电磁波在大气中传输时,大气中的粒子对电磁波吸收和散射作用,作用效果包括两方面： 一方面,大气对目标自身辐射能量以及目标对太阳辐射的反射能量经过大气传输路径到达成像系统镜头前的能量衰 减；另一方面,大气对太阳辐射能量单次散射和多次散射、对目标场景周围环境热辐射的多次散射、大气中粒子的 自身热辐射等致使辐射传输到成像系统镜头前能量增强。辐射在大气中的能量衰减通常用大气透过率来表示,能量 增强通常用大气程辐射来表示。
理论根据：绝大部分的大气长波辐射来自距地面最近的100m大气层中，这里集中了绝大部分的水汽、二氧化 碳等，而它们的温度在很大程度上随近地层空气温度的变化而变化。
辐射传输方程
1/14
Maxwell方程组与辐射传输方程
麦克斯韦方程组描述了电磁场的基本规律。一般而 言，波长较长的电磁波波动性较为突出。在微波遥 感领域，更常看到用麦克斯韦方程组解释电磁波与 介质的相互作用。
5834离散纵标方法利用离散纵标方法可以将辐射传输方程中的散射相函数用勒让德多项式展开即用求和式代替方程中的积分式进而将原有的积分微分方程转化为微分方程组最终通过边界条件的代入求解辐射在几个特定方向由高斯点决定上的解析解
遥感物理
第五章 辐射传输方程
邓孺孺副教授
中山大学地理学院 遥感与地理信息工程系
遥感物理
II0e0/
请注意指数形式在辐射传输中的作用。
14/14
总结
两个概念：光学厚度、平面平行介质 一组不同表达形式的传输方程：
dI I J kds dI IJ
d dI IJ
d 传输方程的简单解（比尔定律）：e的指数形式
遥感物理
第一章 基本概念 第二节 辐射传输 (radiance transfer) §1.2.1 传输方程 √ §1.2.2 源函数中散射的表达 §1.2.3 辐射传输方程的解
如果在s=0处的入射强度为Iλ(0)，则在s1处， 其射出强度可以通过对上式的积分获得：
s1
I(s1)I(0)ex pk ( d)s 0
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假定介质消光截面均一不变，即kλ不依赖于距离s， 并定义路径长度：
s1
u 0 ds
则此时出射强度为：
I(s1)I(0)eku
1/8
大气辐射学wp01
定义一个尺度参数
x 2a
当x<<1时，称作瑞利（Rayleigh）散射 当x>或≈1时，称作洛仑茨-米散射（Lorenz-Mie） 图1.4
多次散射过程 图1.5 区分单次散射和多次散射 单次散射：移走了一部分入射光，削弱了原来的光强度。 多次散射：两次以上（含）的散射称作多次散射。被单次散 射移走的光有一部分再次回到原来的传输方向，增强了原 来的光。 单次散射+多次散射，综合作用一般情况下还是削弱了原来 的光强度。
思考：大气辐射过程
大气发射、吸收； 大气辐射在路径上的传输过程，遭遇大气吸收、散射、折射、反射； 大气辐射：太阳（短波）辐射，地球大气（长波）辐射；
问题：大气辐射的控制方程是什么？
力学：牛顿三定律（惯性定律、加速定律、 作用与反作用定律） 电磁学：麦克斯韦方程组 量子力学：薛定谔方程 辐射学：？？？
dE I cosddAddt
单位：
单色辐亮度（radiance）图1.3
Wm ster
2 1
1
基本辐射量
单色辐亮度（radiance）图1.3
dE I cosddAddt
Wm ster
2 1
1
单色辐亮度是单位面积、单位时间、单位波长 和单位球面度上所通过的辐射能量。辐射强度 是来自一定方向的辐射流。
F I
由公式计算得到
F I cosd
0 2 2
0
/2
0
I cos sin dd
辐亮度与辐射通量的测量
？？
辐射强度表（辐亮度），辐射通量表
散射和吸收过程
大气中的热红外辐射传输[精选课件
01
热红外辐射在大气中传播时，会 受到气体分子和气溶胶的吸收、 散射和再辐射作用，导致能量逐 渐衰减。
02
衰减程度取决于大气组成、气溶 胶浓度、云层覆盖等因素。在计 算热红外辐射传输时，需要考虑 这些因素对衰减的影响。
04 热红外遥感在大气探测中的应用
CHAPTER
热红外遥感的基本原理
热红外遥感通过接收地球表面和大气热辐射的红外辐射，利用遥感器将 这些辐射转换为可测量的电信号，再通过数据处理和分析，实现对地球 表面和大气的探测。
特性
热红外辐射的强度与物体的温度 四次方成正比，不同温度的物体 发射的红外辐射有明显差异。
热红外辐射在大气中的传输过程
01
02
03
吸收
大气中的气体分子和气溶 胶粒子能够吸收部分热红 外辐射。
散射
大气中的气体分子和气溶 胶粒子能够散射热红外辐 射。
透射
热红外辐射在穿越大气层 时，部分能量会被大气吸 收和散射，只有部分能够 透过大气层到达地表。
研究发现，水汽、二氧化碳、臭氧等成分对热红外辐射的吸收和散射作
用是影响大气中热红外辐射传输的主要因素。
03
热红外辐射在气候变化研究中的应用
热红外辐射传输的研究对于理解气候变化具有重要的意义，通过研究热
红外辐射的传输机制，可以进一步揭示气候变化的内在机制。
未来研究方向与挑战
提高模型的精度和适用范围
未来需要进一步改进和完善热红外辐射传输模型，提高模型的模拟精度，扩大模型的适 用范围。
湿度梯度
湿度梯度影响水汽的分布和扩散，进 而影响热红外辐射在大气中的传输和 能量平衡。
03 热红外辐射在大气中的传输模型
CHAPTER
大气辐射传输理论 第一章
大气辐射传输理论引言学科定义：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。
大气辐射学是天气学、气候学、动力气象学、应用气象学、大气化学和大气遥感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。
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。
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，λ m=0.5μm附近)；2、地-气系统辐射(绝大部分E在4～80μm波段内，λ 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。
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、另外，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。
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。
第一章用于大气辐射的基本知识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。
遥感物理-辐射传输模型课件
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植被辐射传输过程的特殊性
• 大气中散射和吸收粒子的分布可以看成是平面平行 分布，即粒子特性仅随高度发生变化，同一高度上的 分布可以看成均一分布；而植被则在三维空间上均有 变化，植被个体间往往存在一不定期的间隙，造成其 在水平面上的不连续性，因而使问题复杂化。
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植被辐射传输过程的特殊性
• 大气中散射体为粒状分布，而植被中散射体—叶片 则有一定的取向和大小。前者造成植被中的辐射不仅 与传输路径长度和路径上叶片密度有关，而且与路径 上叶片的取向有关；后者则造成明显的“热点”现象， 即当观测方向与辐射方向正好相反时，出现较强的反 射亮度。
当然，由于相互融合，两类模型现在已经区分不明显了， 即以几何光学为基础的模型加入了对多次散射的考虑，而 以辐射传输为基础的模型加入了对热点现象的考虑。
2
热点(hot spot)现象
所谓热点(hot spot)现象，即当传感器与太阳位于同 一方向时，传感器所接收的地面辐射最强 (地面反 射率最大、地面光强最强、最热) 。 几何光学模型可以较好地解释热点现象。 光照背景的比例
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散射相 函数 -- 函数
同其它辐射传输理论一样，植被中也定义了散射相 函数，记为 函数。 函数同样与散射点处的叶片取 向有关，并且不是归一化的。
首先引入叶片散射相函数γL(ΩL, Ω’ Ω)，表示当 方向为Ω’的辐射入射到法向取向为ΩL的叶片时， 被散射到Ω方向的比例。
若叶片的散射特征可以看成是两个半径不同的反射 和透射半球，即：
为：
式中 Ω 为辐射传输方向，Ω ·ΩL为两个方向矢量的点积， 即方向夹角a的余弦：
北航大气辐射导论第06讲 大气中的辐射传输
j i
1 1 i k j
m m H H 0 1 0 m F Z i 4 1 i / 0
H 0 H 0 1 F Z i 4 1 i / 0
1 m Pl i P 0 l 0 0
因此，第n级近似的各向同性辐射 传输方程的全解具有以下形式
可以证明
满足微分方程的齐次部分，式中的 b和Q是两个任意的积分常数。
半无限各向同性散射大气的漫反射定律
考虑一个半无限大气的顶部 (τ=0) 和底 部（τ=τ1），没有向下和向上的漫反射 考虑第二个边界条件
定义以下函数
则有
同时有反射强度为 通过推导可以得到d @b d 仪器科学与光电工程学院 北京航空航天大学
分子吸收
大气对光谱的吸收并不是连续的
I0 I0 I Q Q Q F 0 s P 0 U k 2 r 2 U 0 4 r 2 U 0 V V0 V0
重排各项，并设
可以得到如下联立方程组
其中
i 代表辐射流方向
在二流近似中，取两个辐射流方向：即 在 流近似中，取两个辐射流方向 即 j=-1和1，且N=1。1 1/ 3, a1 a1 1
散射相函数的不对称因子
a / 0.001
a / 1
a/ 3
a / 10
m m N m m l l
离散纵坐标法的矩阵描述
不含方位角的漫射辐射传输方程为
式中可以选择满足以下条件的点和权重
辐射在大气中的传输课件
地球科学中的应用
地质勘测
遥感卫星利用辐射传输原理，通过测 量地表的反射和发射的辐射，推断出 地表岩石、土壤和植被的类型，帮助 地质学家进行地质勘测。
地球磁场的研究
地球的磁场对辐射的传输有重要影响 ，通过研究辐射在大气中的行为，科 学家可以更深入地了解地球的磁场。
环境监测和保护中的应用
空气质量监测
瑞利散射
小颗粒对光的散射，主要影响晴朗天空的颜色 。
米氏散射
大气中的气溶胶对光的散射，影响天空的能见 度。
非球形颗粒散射
不规则颗粒的散射，影响特定波长和方向的散射。
大气中辐射的衰减系数
01
吸收系数
描述辐射在大气中被吸收的程度 。
散射系数
02
03
衰减系数
描述辐射在大气中被散射的程度 。
综合考虑吸收和散射的影响，表 示辐射在大气中总体的衰减程度 。
辐射在大气中的传输
目录
CONTENTS
• 辐射的基础知识 • 大气对辐射的吸收和散射 • 辐射在大气中的传输模型 • 辐射在大气中的传输现象 • 辐射在大气中的传输应用 • 辐射安全与防护
01 辐射的基础知识
辐射的定义和类型
定义
辐射是能量以波或粒子的形式在空间 中传播的过程。
类型
根据传播的媒介，辐射可以分为电磁 辐射和粒子辐射。电磁辐射包括无线 电波、可见光、紫外线和X射线等； 粒子辐射包括电子、质子、中子和重 离子等。
慢性辐射损伤
长期接触低剂量辐射可引起慢性 辐射损伤，如造血系统障碍、免 疫系统障碍等。
遗传效应
辐射可引起基因突变和染色体畸 变，增加后代出生缺陷和遗传疾 病的风险。
辐射防护的基本原则
尽可能减少不必要的照射
SBDART传输模式介绍
2.3 辐射传输模式基于大气辐射传输理论，人们发展出了许多种大气辐射传输的模式和算法。
特别是近二十年来，快速高效的辐射传输算法使得大气辐射传输模式能够面向更广泛的用户。
国外对辐射传输模式在模式本身的改进和完善上的研究近年来取得了较快的发展。
LOWTRAN系列是计算大气透过率及辐射的软件包，由美国空军地球物理实验室(AFGL)编写，其主要用途是为了军事和遥感的工程应用。
它以20cm-1的光谱分辨率的单参数带模式计算了0cm-1到50000cm-1(0.20μm到无穷)的大气透过率、大气背景辐射和太阳直射辐照度等参数。
MODTRAN将光谱分辨率提高到2cm-1。
但LOWTRAN和MODTRAN，都是以计算晴空大气条件下的辐射为主要目的，有关云的输入参数有限，比如只限定了几种云类，而没有比较具体的云性质参数，而且LOWTRAN中只使用了二流近似来计算多次散射，这就在很大程度上限制了辐射对云性质的敏感性研究。
为了提高LOWTRAN和MODTRAN模式处理有云大气辐射传输的能力并提供方便易用的软件工具，P.Ricchiazzi开发了SBDART(Santa Barbara DISORT Atmospheric Radiative Transfer)模式[45][46]，它是计算晴空和有云状况下地球大气和表面的平面平行大气辐射传输的程序包，包括所有影响紫外线、可见光和红外辐射的重要过程。
该程序包使用离散坐标法求解辐射常数方程，给出了完全稳定的解析解，可求解垂直非均匀、各向异性并含热源的平面平行介质中的辐射传输问题。
该程序包对基于Chandrasekhar公式的计算方法作了改进，用标准矩阵解法直接求取齐次微分方程组的特征值，提高了计算效率，而且，SBDART模式计算了热辐射、散射、吸收、下边界双向反射和发射等物理过程，非常适合对云雾参数进行研究分析，因此本文选用SBDART模式对云雾进行模拟。
2.3.1 SBDART的物理模型及其功能1)使用了六种标准大气廓线(热带、中纬度夏季、中纬度冬季、副极地夏季、副极地冬季、美国标准大气US62)。
恒星大气的对流与辐射传输
恒星大气的对流与辐射传输恒星大气的对流和辐射传输是天文学研究中的重要课题。
通过对恒星大气中的对流现象和辐射传输的理解，我们可以更好地了解星体的内部结构、能量传输方式以及恒星演化的规律。
一、引言恒星是宇宙中最基本的天体，其辐射能量的来源主要是核聚变反应。
然而，恒星内部的温度和压力分布并不均匀，这引起了恒星大气中的对流现象和辐射传输过程。
二、恒星大气的对流现象对流是物质通过热力学不稳定引起的流体运动，存在于大多数天体的大气中。
恒星大气的对流可以分为浅对流和深对流两种形式。
1. 浅对流浅对流主要发生在恒星大气的底层，是由于光学深度较薄的恒星外层大气的温度梯度引起的。
这种对流会使得高温的气体上升，低温的气体下沉，从而实现了能量和物质的传输。
2. 深对流深对流主要发生在恒星内部，因恒星内部温度梯度更大而产生。
在深对流中，恒星内部的物质会形成大规模的对流细胞，这些细胞不断上升和下降，使得物质的混合更加剧烈，从而影响了能量的传输。
三、恒星大气的辐射传输恒星大气的辐射传输是指恒星内部的辐射能量向外传播的过程，其中光子是主要的能量媒介。
辐射传输是在恒星内部的不透明区域和透明区域之间发生的。
1. 不透明区域不透明区域是指恒星内部的辐射阻塞区域，其主要特点是温度和密度都很高。
由于密度较大，光子与物质之间的相互作用较为频繁，导致光子的自由传播受阻。
2. 透明区域透明区域是指恒星外层大气中的辐射透明区域。
在透明区域中，物质的密度和温度较低，光子能够比较容易地自由传播。
辐射传输是通过光子的吸收、散射和辐射等过程进行的。
光子在不透明区域中被吸收后重新辐射出来，然后逐渐穿越不透明区域，到达透明区域，随后逸出大气到达空间。
四、对流与辐射传输的相互作用恒星大气中的对流现象和辐射传输过程相互作用，它们共同决定了恒星的特性和演化。
1. 对流对辐射传输的影响对流会影响恒星大气的温度和密度分布，从而改变辐射传输的性质。
对流的存在使得恒星大气变得不均匀，光学厚度的变化影响了辐射能量的传输。
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大气辐射传输理论引言学科定义：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。
大气辐射学是天气学、气候学、动力气象学、应用气象学、大气化学和大气遥感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。
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。
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，λ m=0.5μm附近)；2、地-气系统辐射(绝大部分E在4～80μm波段内，λ 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。
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、另外，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。
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。
第一章用于大气辐射的基本知识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。
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。
这种双重特性实际正是电磁辐射本质在不同方面的表现。
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。
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（1 Å＝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。
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。
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（太阳辐射与地球辐射光谱不重叠）分界：4微米1.1.4基本辐射量 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 。
如：对表面积为4πr2的球，它的立体角为4πsr 。
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] 常用辐射量 辐射能E能量:焦耳、热力学卡（1k=4.1840J ） 辐射通量（发光度）f （辐射功率W ） 单位时间内通过任意表面的辐射能量，单位为J/s ，即W辐射通量密度F单位时间通过单位面积的辐射能量，单位为W/m2。
设面元为dA ： 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F ，又称辐出度、辐射度、辐射能力（emittance ）。
辐射强度I （又称辐亮度，辐射率）单位立体角、单位时间、单位面积所通过的辐射能量，单位为W/m2sr 。
()()sin d rd r d σθθφ=2sin d d d d r σθθφΩ==dEf dt =如面元法向与辐射方向成θ角，则上式为：辐射率是指源或接收面上的点的辐射能力，应注意的是，它的定义在平行光束情形由于需要除以零立体角而不再适用。
符号Quantity 辐射量量纲单位'E fF IEnergy 强度能量Flux (发光度)通量Flux density (辐照度or 辐出度)(辐亮度，辐射率)ML T T 2-2ML 2-3MT -3M T -3焦耳(W m sr )(J)Joule per second (J sec -1, W)Joule per second per square meter -2)Joule per second per square meter per steradian (W m -2-l单色辐射术语的引用：在讨论限制在一个指定的无穷小的波长λ、频率 或波数n 间隔上的单色辐射时，各辐射量都有它对应的量，这些量是光谱量，在符号上分别用下标λ、 和n 来标注，如f λ F λ I λ 。
单色与谱段积分辐射量辐射通量密度与辐射强度的关系辐射强度与方向无关称为各向同性，如太阳、陆地表面，又称：余弦辐射体或朗伯体光源。
平静的水面因有反射不能当做朗伯面处理。
在极坐标系中，对各向同性辐射，其单色辐射通量密度与单色辐射强度的关系为： （习题1：证明此关系式） 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f 0 ，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。
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。
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2π立体角中发射辐射能。
我们大部21Q Q d λλλλ=⎰F Iπ=分讨论的是水平均一或球面均匀的大气。
第二节 黑体辐射定律1.2.1 吸收率、反射率和透射率 定义：⏹ 吸收率A = E a / E 0，⏹ 反射率R = E r / E 0， A ＋R ＋ τ＝1 ⏹ 透射率τ = E t / E 0。
⏹ 当物体不透明时，τ = 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 λ R λ τ λ⏹ 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。
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。
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。
1.2.2四个定律（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：第一辐射常数 C1：第二辐射常数 C2：光速 c = 3.0⨯108 m s-1， 普朗克常数 h = 6.6262⨯10-34 J s -1， 波尔兹曼常数 k =1.3806⨯10-23 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。
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。