大气传输模型
大气辐射传输模型
[转载]大气辐射传输模型已有 968 次阅读2010-11-6 14:31|个人分类:未分类|系统分类:科普集锦|关键词:辐射传输转自/s/blog_4b700c4c0100jgl7.html相对辐射校正和绝对辐射校正基于物理模型的绝对辐射校是利用一系列参数(例如，卫星过境时的地物反射率，大气的能见度，太阳天顶角和卫星传感器的标定参数等)将遥感图像进行校正的方法。
仪器引起的误差畸变一般在数据生产过程中由生产单位根据传感器参数进行了校正。
对于用户来所，绝对辐射校正的方法主要是辐射传输模型法，该方法校正精度较高，它是利用电磁波在大气中的辐射传输原理建立起来的模型对遥感图像进行大气校正的方法。
由于有不同的不同的假设条件和适用的范围，因此产生很多可选择的大气较正模型，例如 6S模型、LOWTRAN模型、MODTRAN模型、ATCOR模型等。
基于统计模型的相对辐射校正,主要包括不变目标法、黑暗像元法与直方图匹配法等等。
不变目标法假定图像上存在具有较稳定反射辐射特性的像元，并且可确定这些像元的地理意义，那么就称这些像元为不变目标，这些不变目标在不同时相的遥感图像上的反射率将存在一种线性关系。
当确定了不变目标以及它们在不同时相遥感图像中反射率的这种线性关系，就可以对遥感图像进行大气校正。
黑暗像元法的基本原理就是在假定待校正的遥感图像上存在黑暗像元区域、地表朗伯面反射、大气性质均一，忽略大气多次散射辐照作用和邻近像元漫反射作用的前提下，反射率很小的黑暗像元由于大气的影响，而使得这些像元的反射率相对增加，可以认为这部分增加的反射率是由于大气程辐射的影响产生的。
利用黑暗像元值计算出程辐射，并代入适当的大气校正模型，获得相应的参数后，通过计算就得到了地物真实的反射率。
直方图匹配法是指如果确定某个没有受到大气影响的区域和受到大气影响的区域的反射率是相同的，并且可以确定出不受影响的区域，就可以利用它的直方图对受影响地区的直方图进行匹配处理。
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描述大气辐射传输的模型。
它是由美国国家航空航天局（NASA）开发的，可以模拟和预测大气中各种辐射的传输和散射过程。
Sciatran模型在气象、环境科学和遥感等领域中得到广泛应用，对于研究大气辐射和气候变化具有重要意义。
Sciatran模型基于辐射传输方程，通过计算大气中辐射的吸收、散射和发射等过程，可以得到大气中各个高度上的辐射能量分布。
这对于了解大气中能量的分布和平衡非常重要，也可以为其他相关研究提供基础数据。
Sciatran模型考虑了大气的各种成分和参数，如水汽、云、气溶胶等，这些因素对辐射传输过程有重要影响。
模型还考虑了大气的垂直分层结构和地表特征，以及太阳辐射和地球辐射的入射角等因素。
通过考虑这些因素，Sciatran模型可以更准确地模拟大气中辐射的传输和散射过程。
Sciatran模型还可以用于模拟和预测不同地区和不同季节的大气辐射特征。
通过输入不同的大气参数和条件，可以得到不同地点和时间段的辐射能量分布图。
这对于研究地球辐射平衡、气候变化和环境影响等具有重要意义。
Sciatran模型的使用需要输入大量的大气和地表参数，如气温、湿度、气压、云量、气溶胶浓度等。
这些参数的准确性对于模型的结果具有重要影响。
因此，为了得到准确的辐射传输模拟结果，需要对这些参数进行精确测量和数据处理。
Sciatran模型还可以与其他模型和数据进行耦合，以得到更全面和准确的辐射传输模拟结果。
例如，可以将Sciatran模型与气象模型和地表模型进行耦合，以考虑大气和地表的相互作用。
这样可以更好地模拟大气辐射传输的复杂过程。
Sciatran辐射传输模式是一种用于模拟和预测大气辐射传输的重要工具。
它可以模拟大气中各种辐射的传输和散射过程，对于研究大气辐射和气候变化具有重要意义。
通过精确测量和处理大气和地表参数，以及与其他模型和数据进行耦合，可以得到准确和全面的辐射传输模拟结果。
简述大气校正的流程
1. 收集大气校正所需信息：大气传输模型参数：收集用于大气校正的大气传输模型参数，这通常包括大气水汽含量、气溶胶光学厚度等。
这些参数可以通过气象站观测、气象模型、气象卫星数据等获取。
太阳和观测几何信息：获取影像获取时的太阳天顶角、太阳方位角，以及观测天顶角、观测方位角等信息。
这些参数对于计算大气校正时的辐射传输很重要。
2. 选择大气校正模型：选择适当的大气校正模型是关键的一步。
不同的模型适用于不同的气象条件和传感器特性。
一些常见的大气校正模型包括：●标准大气模型（Standard Atmospheric Model）：基于大气中的吸收和散射的基本物理过程，考虑水汽、气溶胶、气体等的影响。
●MODTRAN（Moderate Resolution Atmospheric Transmission）：这是一个用于计算大气传输的计算机程序，可以模拟大气吸收、散射等效应。
●6S模型（Second Simulation of the Satellite Signal in the Solar Spectrum）：用于计算太阳光在大气中传输和反射的模型，适用于辐射度校正。
3. 执行大气校正：获取遥感数据：获取待处理的遥感图像数据，包括可见光和红外波段的多光谱或高光谱数据。
计算大气校正所需参数：利用收集的大气传输模型参数和太阳、观测几何信息，计算大气校正所需的参数。
执行大气校正计算：利用选定的大气校正模型，将原始数字值转换为辐射度或反射率。
这个步骤通常包括对每个波段进行单独的校正。
可选：反射率计算：对于可见光和红外波段，可以将辐射度进一步转换为反射率，以便更好地比较不同波段的数据。
4. 验证和调整：验证结果：验证大气校正的效果，检查校正后的图像是否更加真实地反映了地表的特征。
调整参数：根据验证结果，可能需要调整大气传输模型参数，以获得更准确的校正效果。
注意事项：●大气校正的精确性受到大气条件的影响，例如云量、气溶胶浓度等。
大气传输模型
第16卷第2期强激光与粒子束Vol.16，No.2 2004年2月HIGH POWER LASER AND PARTICLE BEAMS Feb.，2004文章编号：1001-4322（2004）02-0149-05大气辐射传输模型的比较研究*孙毅义，董浩，毕朝辉，李治平（烟台大学数学与信息科学系，山东烟台264005）摘要：讨论了三种通用的大气辐射传输模型的特点和使用限制，用辐射传输定律作了数值检验，并与实验测量资料作了比较。
结果表明，氧碘激光和氟化氢泛频20P4激光谱线大气透过率的计算值与实验测量值吻合，氟化氢泛频20P5却出现严重偏差。
还研究了大气气溶胶种类对大气透过率计算和测量的严重影响。
关键词：大气传输模型；大气透过率；激光大气传输；FASCODE；MODTRAN；LOWTRAN；HITRAN中图分类号：O438；P421 文献标识码：A光辐射在大气中传输受到大气吸收和散射的影响，使到达接收系统的光辐射能量减弱，同时光辐射也携带了大气本身的信息。
根据不同的应用目的，人们将把辐射源的波长选择在“大气窗口”以增加到达接收系统的能量，或选择在特定分子成分的吸收峰附近以测量传输路径上这类分子成分的含量。
尽管应用目的不同，它们都需要定量地求得测量时刻的大气透过率和辐射效应，正确地解释观测（遥感）资料。
为此，大气传输模型一直为光电测量系统的设计人员和一些与地球大气中辐射传输有关的研究（如环境监测、气候学、气象学、激光传输及红外成像技术）所关注，光辐射大气传输模型的研究和应用越来越受到重视。
经过大量大气科学工作者三十多年的努力，已经成功地开发并建立了宽、窄光谱带和逐个光谱线计算的大气辐射传输模型，这些传输模型包括多种观测方式，适用于非常宽的电磁波谱范围及多种可变气象要素。
这些实用的大气传输模型对主动或被动型目标辐射传输及背景辐射的计算有着十分重要的应用价值。
本文将简要地介绍目前比较通用的大气辐射传输模型LOWTRAN［1］，MODTRAN［2］和FASCODE［3］的共同特点和主要差异，用辐射传输中常用的Beer定律检验大气辐射传输模型，给出高分辨率大气辐射传输模型对某些具有应用价值的化学激光大气传输的计算结果，并与已发表的实验观测资料相比较。
2024年CALPUFF高级培训教程-(多应用版)
CALPUFF高级培训教程-(多应用版)CALPUFF高级培训教程引言CALPUFF是一种大气传输和化学转化模型，广泛应用于空气质量评估、大气污染源解析和环境保护等领域。
本教程旨在为具有一定基础的CALPUFF用户，提供深入理解和应用CALPUFF模型的高级培训。
通过本教程的学习，用户将能够掌握模型的高级功能和技巧，更好地应用于实际问题和研究。
第一部分：CALPUFF模型简介1.1模型背景和特点1.采用拉格朗日粒子追踪方法，能够更准确地模拟污染物的传输过程；2.考虑了复杂地形和气象条件对污染物传输的影响；3.支持多种污染物物种的模拟，包括颗粒物、臭氧、二氧化硫等；4.提供了丰富的模型参数和化学反应机制，可适用于不同地区和不同污染问题。
1.2模型组成和功能CALPUFF模型由三个主要部分组成：预处理模块（CALPREP）、传输模块（CALPUFF）和后处理模块（CALPOST）。
预处理模块用于处理气象数据、地形数据和污染源数据，模型所需的输入文件。
传输模块是模型的核心部分，用于模拟污染物的传输和化学转化过程。
后处理模块用于处理模拟结果，浓度分布图、统计分析和报告等。
第二部分：高级功能和技巧2.1多尺度模拟CALPUFF模型支持多尺度模拟，能够同时模拟不同尺度的污染物传输过程。
用户可以根据研究需要选择适当的模拟尺度，例如局地尺度、区域尺度或全球尺度。
通过调整模拟尺度和网格分辨率，可以更精确地模拟污染物的传输和扩散过程。
2.2化学反应机制CALPUFF模型提供了多种化学反应机制，包括光化学反应、气相反应和颗粒物反应等。
用户可以根据研究需要选择适当的化学反应机制，并设置相应的反应速率和反应产物。
通过合理设置化学反应机制，可以更准确地模拟污染物的化学转化过程。
2.3污染源解析CALPUFF模型提供了污染源解析功能，能够分析不同污染源对污染物浓度的影响。
用户可以通过调整污染源的位置、排放量和排放高度等参数，模拟不同污染源对污染物浓度分布的影响。
无人机通信场景下的信道建模与仿真
无人机通信场景下的信道建模与仿真摘要：无人机通信场景下的信道建模与仿真是目前研究的热点和难点。
因为无人机通信面临诸多挑战，如通信距离远、受干扰频繁、传输速率快等。
通过对无人机通信信道建模，可以更好地掌握通信信道特性，优化信号传输方案，提高通信可靠性和效率。
本文主要介绍了无人机通信场景下信道建模的基本概念、分类、研究方法及仿真结果。
在信道建模方面，首先介绍了多径传播模型、大气传输模型和电离层传输模型，并详细分析了它们的特点和适用场景。
在仿真方面，采用MATLAB编程，搭建了无人机通信场景下的信道模型，从不同维度分析了信噪比、误码率、传输速率等指标，并进行了模拟实验验证。
通过对仿真结果的分析，得出了在无人机通信场景下的信道特性和性能规律，为实际应用中的无人机通信技术提供了理论支撑。
关键词：无人机通信；信道建模；多径传播模型；大气传输模型；电离层传输模型；MATLAB仿真一、引言随着无人机技术的不断发展，无人机的应用范围也越来越广。
无人机通信在军事、民用等领域都有着广泛的应用场景，例如情报侦察、物资运输、搜索救援、航拍测绘等。
而无人机通信面临的主要挑战就是信道传输的稳定性和可靠性。
因此，进行无人机通信信道建模和仿真是非常必要的。
二、无人机通信信道建模的基本概念无人机通信信道建模是指对无人机通信信道特性的建立和研究。
通信信道是指将信号从发送端传输到接收端的传输媒介。
因为无人机通信面临复杂的环境和场景，例如大气、地面散射等，因此信道建模显得尤为重要。
信道建模可以从多个维度来研究，例如信道的多径传播、大气传输、电离层传输等特性。
在信道建模的过程中，需要对信号传输过程中遇到的各种因素进行建模和分析，这样就可以优化无人机通信的传输方案，提高通信可靠性和效率。
三、无人机通信信道建模的分类和研究方法1. 多径传播模型多径传播模型是指信号在信道中出现的多种路径。
在无人机通信中，由于无人机往往离地面较高，因此存在大量的空间障碍物，例如楼房、山脉等，这样就会使信号出现多道路径。
大气辐射传输校正模型(5S,modtran,acorn)
在遥感的实际应用中，常用很多简化的手段，如假设地面为朗伯面，排除云的存在，采用有关标准大气模式及大气气溶胶模式等，一次产生了许多不同类型的大气辐射传输模型，主要分为两类，1）采用大气的光学参数2）直接采用大气物理参数如lowtran、modtran等大气辐射近似计算模型，而且还增加了多次散射计算1. 5s模型该模型的代码模拟计算海平面上的均匀朗伯体目标的反射率，并假定大气吸收作用与散射作用可以耦合，就像吸收粒子位于散射层的上面一样，则大气上层测量的目标反射率可以表示为，海平面处朗伯体的反射率大气透过率分子、气溶胶层的内在反射率有太阳到地表再到传感器的大气透过率S为大气的反射率大气传输辐射校正模型－3 modtran该模型是由美国空军地球物理实验室研制的大气辐射模拟计算程序，在遥感领域被广泛应用于图像的大气校正。
lowtran7是一个光谱分辨率20cm－1，的大气辐射传输实用软件，它提供了6种参考大气模式的温度、气压、密度的垂直廓线，水汽、臭氧、甲烷、一氧化碳、一氧化二氮的混合比垂直廓线，其他13种微量气体的垂直廓线，城乡大气气溶胶、雾、沙尘、火山喷发物、云、雨的廓线，辐射参量（如消光系数、吸收系数、非对称因子的光谱分布），以及地外太阳光谱。
lowtran7可以根据用户的需要，设置水平、倾斜、及垂直路径，地对空、空对地等各种探测几何形式，适用对象广泛。
lowtran7的基本算法包括透过率计算方法，多次散射处理和几何路径计算。
1）多次散射处理lowtran 采用改进的累加法，自海平面开始向上直至大气的上界，全面考虑整层大气和地表、云层的反射贡献，逐层确定大气分层每一界面上的综合透过率、吸收率、反射率和辐射通量。
再用得到的通量计算散射源函数，用二流近似解求辐射传输方程。
2）透过率计算该模型在单纯计算透过率或仅考虑单次散射时，采用参数化经验方法计算带平均透过率，在计算多次散射时，采用k－分布法3）光线几何路径计算考虑了地球曲率和大气折射效应，将大气看作球面分层，逐层考虑大气折射效应由于lowtran直接使用大气物理参数，因而需要按照下列方法计算出与lowtran使用的大气物理参数相对应的大气光学参数179页4.modtran辐射传输模型modtran可以计算0到50000cm－1的大气透过率和辐射亮度，它在440nm到无限大的波长范围精度是2cm－1，在22680到50000cm－1紫外波（200-440nm）范围的精度是20cm－1，在给定辐射传输驱动、气溶胶和云参数、光源与遥感器的几何立体对和地面光谱信息的基础上，根据辐射传输方程来计算大气的透过率以及辐射亮度。
大气化学传输模型GEOS_Chem全球_区域双向耦合_燕莹莹
Key word：GEOS-Chem, two-way coupling, HIPPO
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1 引言
全球大气化学传输模式不仅能够提升对大气化学过程以及平衡的认识，也可 以利用其为外场观测实验做适当的预测，为卫星观测提供一定的先验值，为解释 气 溶 胶 与 化 学 以 及 全 球 气 候 之 间 的 相 互 影 响 提 供 有 力 的 工 具 (Bey et al.,2001,Schubert et al.,1993,Palmer et al.,2001)，因而不断改进全球大气化学传输 模式有助于更好的理解和研究大气化学。目前，主要的全球大气化学传输模式有 TM5，MOZART，GEOS-Chem等，其中MOZART模式只有全球模式没有区域模 式，而TM5和GEOS-Chem是既有全球模式也有区域模式。 由于全球模式受到低模式分辨率的限制，只能针对某一特定区域，而区域模 式的发展通过提高空间分辨率以及减小时间步长能很好的提高该区域的模拟精 度。GEOS-Chem发展了三个区域模式，包含的区域分别是欧洲，亚洲和北美及 附近海域(Wang et al.,2004,Chen et al.,2009,Pleim et al.,2005)。目前，其全球模式 与区域模式采取单向模拟， 即全球模式以一定时间步长向区域模式单方面地提供 区域边界信息；相对于单向模拟，双向耦合需要全球模式和区域模式进行信息交 流，即在一定时间步长下，全球模式不断为区域模式更新边界条件，并且区域模 式将模拟结果作为该区域下一时间步长的初始值反馈给全球模式。 早期已经有利用区域模式的方法来分析区域酸沉降（Roelofs et al.,1997)，发 现区域模式的高分辨率不仅能够提升SO2的模拟结果，也能更好地捕捉到观测中 发生的较大变化范围和较大空间变化的酸沉降现象。对于区域模式而言，虽然它 只模拟某一地区的大气化学以及传输过程， 但是它仍然需要全球模式为其提供边 界条件， 即利用全球模式不断更新其边界条件， 以保证区域模式更加合理而准确。 很多关于用粗分辨率的全球模式为高分辨率区域模式提供边界条件的研究 (Soulhac et al.,2003,Frohn et al.,2003,Jonson et al.,2001)表明当区域模式使用全球 模式为其提供边界条件时，其模拟结果均得到很大的改善。 目前，TM5模式采用了双向耦合的方法，但是TM5采用的是双层嵌套的方 法(M. Krol et al.,2005)，即最外面是一个粗分辨率的全球模式（4°×4°）与里面一 个较粗格点的区域模式（3°×2°）嵌套，然后里面再嵌套一个高分辨率（1 °×1°） 的区域模式，较为复杂。然而，在大气科学领域得到广泛应用的GEOS-Chem全 球大气化学传输模式还没有发展该模式的双向耦合模式， 其区域模式是单向模拟, 在这篇文章里我们提出的算法中的全球模式既可以是4°×5 °，也可以是2°×2.5°， 而区域模式的分辨率是0.5°×0.667° ，而且只需一层嵌套。因此，相对于TM5而 言，如果采用2°× 2.5° 全球模式与区域模式进行双向耦合，不仅分辨率要更高， 而且复杂度也得到降低。
大气辐射传输模型及其软件
大气辐射传输模型及其软件∗焦斌亮 高志强 李素静 白云燕山大学信息科学与工程学院，河北 秦皇岛 066004摘 要：本文主要阐述了大气辐射传输模型在大气订正中的应用，介绍了大气辐射传输原理，详细地叙述了6S 、LOWTRAN 、MODTRAN 和 FASCODE 等模型，同时提到了在以上模型基础上发展起来的其它辐射传输模型及软件，并对相应的模型及软件的共同特点和主要区别进行了比较，认为大气辐射传输模型在当前的大气订正模型中依然是比较可靠而常用的方法。
关键词：大气订正 辐射传输 6S MODTRAN1 引 言大气订正是遥感技术的重要组成部分，主要包括大气参数估计和地表反射率反演两个方面。
如果获得了大气特性参数，进行大气订正就变得相对容易，但是获得准确的大气特性参数通常比较困难。
通常有两类方法用辐射传输方程来计算大气订正函数：一种是直接的方法，对于大气透过率函数和反射率函数，通过对模型的积分来得到；另一种是间接的方法，它不是直接计算所需要的大气订正函数，而是通过辐射传输模型输出的表观反射率，结合模型输入的参数来求解。
大气订正方法有很多，比如：基于图像特征的相对订正法、基于地面线形回归模型法、大气辐射传输模型法和复合模型法等。
它是利用电磁波在大气中的辐射传输原理建立起来的模型对遥感图像进行大气订正的方法。
其中，大气辐射传输模型(Atmospheric Radiative Transfer Model)法是较常用的大气订正方法，它用于模拟大气与地表信息之间耦合作用的结果，其过程可以描述为地表光谱信息与大气耦合以后，在遥感器上所获得的信息，其中考虑了光子与大气相互作用机理，物理意义明确，具有很高的反演精度。
2 大气辐射传输原理电磁辐射在介质中传输时，通常因其与物质的相互作用而减弱。
辐射强度的减弱主要是由物质对辐射的吸收和物质散射所造成的，有时也会因相同波长上物质的发射以及多次散射而增强，多次散射使所有其它方向的一部分辐射进入所研究的辐射方向。
大气辐射传输模型的比较研究
大气辐射传输模型的比较研究大气辐射传输模型在气候研究、空气质量预报、太阳能利用等领域具有广泛的应用。
随着科技进步，越来越多的大气辐射传输模型被开发出来，为了更好地选择和应用适合不同领域的模型，本文旨在比较研究各种大气辐射传输模型的性能和优缺点，并讨论其应用场景。
大气辐射传输模型是对大气中辐射传输过程的数学描述，主要考虑太阳辐射、长波辐射、短波辐射等过程。
本文选取了代表性的四种模型：CAMCommunity Radiative Transfer Model（CRTM）、Discrete Ordinate Method（DOM）和RADART。
通过对比这四种模型的算法、计算效率、可扩展性和可定制性等方面的性能，发现CAM3模型在计算效率和可扩展性方面表现较好，但需要定制化参数较多；CRTM模型具有较高的计算精度，但计算效率较低；DOM模型在处理复杂地形和建筑物遮挡方面有优势，但需要较高的计算资源；RADART模型在长波辐射传输计算方面精度较高，但短波辐射计算尚不完善。
在比较研究中发现，不同模型各有优缺点，适用于不同的应用场景。
为了进一步提高模型的适用性和精度，需要重点以下几个方面：参数定制：多数模型在参数定制方面表现不佳，需要根据具体应用场景定制参数，提高模型的适应性。
计算效率：在保证精度的同时，提高模型的计算效率是必要的。
可以通过优化算法、使用并行计算等方法提高计算效率。
可扩展性和可定制性：为了满足不同领域的需求，模型应具备良好的可扩展性和可定制性。
这有助于用户根据实际需求进行二次开发，扩展模型的应用范围。
数据输入质量：模型输入数据的质量对计算结果影响较大。
应开发完善的数据预处理模块，对输入数据进行有效性和准确性校验，以保证模型计算结果的可靠性。
适应性气候变化：随着气候变化，模型的参数和算法应能够适应变化，以便准确预测未来气候变化趋势。
大气辐射传输模型的比较研究在实际应用中具有重要意义。
在气候研究领域，准确预测气候变化趋势需要对辐射传输过程有深入理解，选择合适的大气辐射传输模型对气候预测结果的准确性至关重要。
红外辐射大气传输效应模型的分析与实现
第37卷，增刊红外与激光工程2008年6月V ol.37SupplementInfrared and Laser EngineeringJun.2008收稿日期：2008-04-03作者简介：张晓哲（1985-），男，河北井陉人，硕士生，主要从事光电对抗技术的研究。
Email:zhangxiaozhe1@导师简介：李云霞（66），女，内蒙包头人，在读博士，硕士生导师，主要从事光电检测及光通信研究。
z x z @y 红外辐射大气传输效应模型的分析与实现张晓哲,李云霞,赵尚弘,马丽华,蒙文（空军工程大学电讯工程学院，陕西西安710077）摘要：考虑到当前国内外用于红外成像制导导弹半实物仿真系统的大气仿真软件固有的局限性，分析了红外辐射在大气中的传输效应并用面向对象的语言实现了红外辐射大气传输效应的仿真软件。
最后，运用设计的软件对红外图像进行处理，得出传输一定距离后的红外图像。
关键词：红外半实物仿真；大气传输模型；面向对象语言；大气仿真软件中图分类号：TN21文献标识码：A文章编号：1007-2276(2008)增(红外)-0385-04Analysis and realization of infrared radiancy ’s atmospheretr ansmission effect modelZHANG Xiao-zhe,LI Y un-xia,ZHAO Shang-hong,MA Li-hua,MENG Wen（Ins ti tut e of Telecommunication Engineering ,Air Force University,Xi ’an 710077,Chi na ）Abstr act:To take the inherent shortcoming of atmosphere simulation software which is used in infrared radiancy(IR)im aging control missile hardware in the loop simulation system in account,the atm osphere transmission effect of infrared radiancy and achieves simulation software of atmosphere transmission effect is analyzed.Finally ,the software designed is used to deal with infrared image and acquire infrared im age which have been transmitted some distance.Key wor ds:IR hardware-in-the-loop sim ulation;Atmosphere translation m odel;Object-oriented language;Atmosphere simulation software0引言在红外成像制导导弹的半实物仿真系统中为了更准确的模拟红外成像制导导弹真实的工作状态和工作环境，必须考虑红外辐射大气传输效应对红外成像制导导弹的影响。
大气化学传输模型GEOS_Chem全球_区域双向耦合_燕莹莹
燕莹莹 林金泰 旷烨 杨东伟
摘
要
利用 GEOS-Chem 全球与区域单向模式创建全球-区域双向耦合模式， 该耦合 模型中可以针对全球模式的水平分辨率(2°×2.5°, 4°×5°)以及嵌套区域(亚洲， 北 美和欧洲区域)进行选择。 以 CO 作为研究对象， 结合 HIPPO 计划(The HIAPER
Key word：GEOS-Chem, two-way coupling, HIPPO
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1 引言
全球大气化学传输模式不仅能够提升对大气化学过程以及平衡的认识，也可 以利用其为外场观测实验做适当的预测，为卫星观测提供一定的先验值，为解释 气 溶 胶 与 化 学 以 及 全 球 气 候 之 间 的 相 互 影 响 提 供 有 力 的 工 具 (Bey et al.,2001,Schubert et al.,1993,Palmer et al.,2001)，因而不断改进全球大气化学传输 模式有助于更好的理解和研究大气化学。目前，主要的全球大气化学传输模式有 TM5，MOZART，GEOS-Chem等，其中MOZART模式只有全球模式没有区域模 式，而TM5和GEOS-Chem是既有全球模式也有区域模式。 由于全球模式受到低模式分辨率的限制，只能针对某一特定区域，而区域模 式的发展通过提高空间分辨率以及减小时间步长能很好的提高该区域的模拟精 度。GEOS-Chem发展了三个区域模式，包含的区域分别是欧洲，亚洲和北美及 附近海域(Wang et al.,2004,Chen et al.,2009,Pleim et al.,2005)。目前，其全球模式 与区域模式采取单向模拟， 即全球模式以一定时间步长向区域模式单方面地提供 区域边界信息；相对于单向模拟，双向耦合需要全球模式和区域模式进行信息交 流，即在一定时间步长下，全球模式不断为区域模式更新边界条件，并且区域模 式将模拟结果作为该区域下一时间步长的初始值反馈给全球模式。 早期已经有利用区域模式的方法来分析区域酸沉降（Roelofs et al.,1997)，发 现区域模式的高分辨率不仅能够提升SO2的模拟结果，也能更好地捕捉到观测中 发生的较大变化范围和较大空间变化的酸沉降现象。对于区域模式而言，虽然它 只模拟某一地区的大气化学以及传输过程， 但是它仍然需要全球模式为其提供边 界条件， 即利用全球模式不断更新其边界条件， 以保证区域模式更加合理而准确。 很多关于用粗分辨率的全球模式为高分辨率区域模式提供边界条件的研究 (Soulhac et al.,2003,Frohn et al.,2003,Jonson et al.,2001)表明当区域模式使用全球 模式为其提供边界条件时，其模拟结果均得到很大的改善。 目前，TM5模式采用了双向耦合的方法，但是TM5采用的是双层嵌套的方 法(M. Krol et al.,2005)，即最外面是一个粗分辨率的全球模式（4°×4°）与里面一 个较粗格点的区域模式（3°×2°）嵌套，然后里面再嵌套一个高分辨率（1 °×1°） 的区域模式，较为复杂。然而，在大气科学领域得到广泛应用的GEOS-Chem全 球大气化学传输模式还没有发展该模式的双向耦合模式， 其区域模式是单向模拟, 在这篇文章里我们提出的算法中的全球模式既可以是4°×5 °，也可以是2°×2.5°， 而区域模式的分辨率是0.5°×0.667° ，而且只需一层嵌套。因此，相对于TM5而 言，如果采用2°× 2.5° 全球模式与区域模式进行双向耦合，不仅分辨率要更高， 而且复杂度也得到降低。
非视线光散射通信的大气传输模型
文章编号:0258 7025(2006)11 152205非视线光散射通信的大气传输模型冯 涛,陈 刚,方祖捷(中国科学院上海光学精密机械研究所,上海201800)摘要 利用大气对光的散射作用可以实现非视线通信.在单次散射假定下,研究了非视线光散射通信系统的大气传输模型.利用该模型分析了光源发散角、接收视场和收发仰角等系统几何参数与接收散射光能量之间的关系;重点讨论了大气分子散射和气溶胶散射各自对接收散射光能量的贡献.结果表明当系统的收发仰角较大时,接收光能量主要来自大气分子散射;反之,气溶胶散射则成为接收光能量的主要部分.对于工作在日盲紫外光谱区的非视线通信系统,增加接收视场可以有效地增大系统的信噪比.发现在两种典型的收发仰角情况下,接收散射光能量随光源发散角的变化趋势是相反的,这说明光源发散角要根据实际的应用场合设计确定.关键词 光通信;光散射通信;非视线;大气传输;单次散射中图分类号 T N 929.12 文献标识码 AAtmospheric Propagation Model in Non Line of Sight Optical Scattering C ommunicationFENG Tao,CH EN Gang,FANG Zu jie(Shanghai I nstitute of Op tics and F ine M echanics ,T he Chinese A cademy of S ciences ,S hanghai 201800,China )Abstract Based on the assum ption of sing le scatter ing,atmospheric pr opagation model of no n line of sig ht optical scatter ing communicat ion sy st em is studied.T he mo del is used to analyze the co rr elations between r eceived scattered energ y and par amet ers of sy st em,including sour ce div erg ence angle,r eceiver field o f view ,and apex ang les o f transmitter and r eceiv er in an optical scatter ing communicat ion system.Contributio n o f atmospher ic mo lecular scatter ing and aer osol scatt ering of receiv ed scattered ener gy is discussed.T he r esult s sho w t hat received scattered energ y is attributed to molecular scattering at la rg er tr ansmitter and receiv er apex ang les,but with the decr ease o f apex ang les,aer osol scatter ing w ill be do minant in receiv ed scatter ed energ y.Enhancing of the receiver f ield o f view can effect ively improv e the signal no ise r atio fo r co mmunicatio n systems o per ating in the so lar blind ultr aviolet (U V)spectral r egio n.I n addition,the evo lution tendency o f r eceiv ed scatt er ed ener gy v ersus the source div erg ence ang le is inverse for tw o t ypical tr ansmitt er and receiver apex ang les.T his r esult sugg ests that diver gence angle of source should be desig ned according to specif ied situatio n.Key words o ptical communication;optical scattering communicatio n;non line o f sight;atmo spheric pro pag atio n;sing le scatter ing收稿日期:2006 04 24;收到修改稿日期:2006 05 23作者简介:冯 涛(1979 ),男,河南三门峡人,中国科学院上海光学精密机械研究所博士研究生,主要从事无线激光通信技术研究.E mail:tfeng@导师简介:方祖捷(1942 ),男,浙江宁波人,中国科学院上海光学精密机械研究所研究员,博士生导师,目前主要从事光电子器件和光通信技术方面的研究.E mail:zjfang @1 引 言近年来,自由空间光通信(FSO)技术[1]得到迅速发展,目前已进入商用阶段.自由空间光通信是一种视线(line of sihg t)通信技术,在发射和接收端之间存在障碍物或者收发光学系统偏离对准时,链路就会中断.如果利用大气对光波的散射来进行信号传送,就可以实现非视线通信,20世纪70年代,人们就对大气光散射信道进行了初步研究并预测了光散射通信的潜在应用价值[2,3].相对于红外和可见光波段,紫外光的波长较短,因而具有更强的大气散射效应,特别是在日盲紫外光谱区,近地面大气中几第33卷 第11期2006年11月中 国 激 光CHIN ESE JOU RNA L OF LA SERSV ol.33,N o.11No vember,2006乎不存在这一波段的太阳辐射,大大有利于微弱的散射光信号的接收.由于大气对紫外光的衰减较强,有限的传输距离有利于实现短程保密通信,不易被干扰和截获.正是由于这些特点,日盲紫外波段是实现非视线光散射通信的最佳选择,随着紫外波段光电器件的迅速发展和成熟,非视线紫外通信技术越来越引起人们的兴趣[4~6].相对于视线光通信技术,非视线光散射通信系统通常采用较大发散角的光源和大视场的接收器,传统的光传输模型不适用于分析这种非视线的情况[7],Luettgen等发展的一种非视线单次散射模型[7]非常适用于分析大气中光的非视线传输.2000年,Shaw等[5]利用该模型研究了短距离非视线紫外通信,并提出将这一技术用于分布式传感器网络节点间的通信.但是,上述研究中仅仅考虑了大气中分子散射对通信系统接收光能量的贡献,并且进一步地将分子散射简化为各向同性散射.事实上,大气中的气溶胶散射也会影响到接收光能量.此外,非视线光散射通信一般用于低速通信,其受大气湍流的影响不像高速视线光通信那么严重.通过改变发射光源和接收装置的仰角、光源发散角等系统几何参数,非视线光散射通信可以灵活地部署以满足各种实际需求.可见,深入研究非视线光散射通信系统接收散射光能量的机制,研究大气分子散射和气溶胶散射各自对系统接收光能量的贡献以及系统各几何参数的影响,对于评估和设计非视线光散射通信系统是非常必要的.文中将忽略大气散射粒子的随机性,在单次散射假定下研究非视线光散射通信的大气传输模型,利用该模型对光在大气中的非视线传输进行模拟计算,讨论大气分子散射和气溶胶散射对非视线光通信系统的作用,以及光源和接收端各几何参数对接收光能量的影响.2 大气传输模型图1所示为光散射通信系统.发射端光源以发散角2 T向空间发出光信号,接收器的视场角为2 R,发射与接收仰角分别为 T和 R,发射光束与接收视场在空间的重叠区域的大气形成一个收发连接的散射体.发射光信号经过大气的衰减到达散射体,接收器收集来自该散射体对光信号的散射,这样就完成了信号的非视线传送.由于散射光通常都很微弱,人们一般通过增大接收视场以接收到更多的散图1散射光通信链路的收发示意图Fig.1Schematic diagram of scatter ing communication link射光.假设t=0时刻一个能量为Q t(单位为J)的激光脉冲向空间发射,考查在图1所示的几何关系下接收端的光能量.在满足单次散射的基础上,利用长球面坐标系研究非视线光传输是很方便的[7].在这种坐标系中,空间中的每个点可由径向分量,角坐标!和方位坐标∀唯一确定(如图2所示).若发射端和接收端分别位于长球面的两个焦点上,则某一给定长球面上的任意一点与两个焦点之间的距离之和为一常数,从而这个长球面就可以看作是一个等时延面.图2长球面坐标系Fig.2Pr olate spherio dal coor dinates考查有效散射体内的任一点P(,!,∀),则包含P点的体积元#V可看作一个二次辐射源,它向整个空间辐射出的总能量为#Q P=k s Q T exp(-k e r2)∃T r22#V,(1)式中∃T=4%sin2( T/2)表示光源发射立体角,k s为大气散射系数(单位为m-1),k e为大气消光系数(等于吸收系数与散射系数之和,单位为m-1),r2表示光源与P点之间的距离(单位为m).该二次源在接收端单位面积上的散射能量可以表示为#H R=Q T k s cos(&)exp[-k e(r1+r2)]4%∃T(r1r2)2p( s)#V,(2)152311期 冯 涛等:非视线光散射通信的大气传输模型式中r1表示二次源与接收端之间的距离(单位为m),p( s)为散射相函数,表示散射强度随散射角的依赖关系,&为接收视场轴线和二次源与接收端连线之间的夹角,cos(&)是考虑接收器的有效接收面积而引入的.长球面坐标系中的体积元可以表示为#V=r38(2-!2)##!#∀,(3)式中的r表示光源与接收端的间距.将r1和r2用长球面坐标表示,并利用(3)式,(2)式就可重写成#H R=Q T k s cos(&)exp(-k e r)2%∃T r(2-!2)p( s)##!#∀.(4) 由于长球面=(r1+r2)/r表示一个等时延面,它散射的能量在t=(r1+r2)/c时刻到达接收端,因此有如下关系式=ct/r,(5)#=c#t/r,(6)将(5),(6)式代入(4)式,两端同时除以#t并令#t趋于零,即得到长球面上的一个微分面积元在接收端处产生的辐照度(单位为W m-2)#E()=Q T ck s cos(&)exp(-k e r)2%∃T r2(2-!2)p( s)#∀#!,(7)将(7)式对由确定的长球面积分就得到在t=r/c时刻接收到的辐照度E()=Q T ck s ex p(-k e r)2%∃T r2!!2()!1()!∀2(,!)∋1(,!)cos(&)p( s)(2-!2)d∀d!,(8)若将(8)式再对时间t进行积分,即可得到接收端的能量密度(单位J m-2)H R=!t ma x t min E(ct/r)d t,(9)这里的积分限是由空间有效散射体所决定的,有效散射体的范围依赖于光源发散角、接收视场以及系统的几何关系等参数.3 接收散射能量的分析从上一部分的结果可以看到,只要通信系统各参数和大气对光的消光与散射特性确定,就可以对系统进行计算分析了.光信号经光源发出后,在大气中经过大气分子和气溶胶的散射到达接收端.前者属于瑞利散射,而后者需用Mie散射理论处理.由于大气中的散射现象满足独立散射和非相干散射的条件[8],这两种散射可以分别进行处理,接收端总散射能量密度可表示成H R=H RR+H R M,(10)式中右边的第一项表示大气分子散射的贡献,第二项表示气溶胶散射的贡献.光信号在传输过程中受到的大气衰减可用消光系数来表示,消光系数可写为k e=k a+k sR+k sM,(11)式中k a表示大气吸收系数,k sR表示大气分子的瑞利散射系数,k sM表示气溶胶散射系数.非偏振光的瑞利散射相函数具有很简单的表达形式,可写为P R( s)=34(1+cos2 s).(12) 而Mie散射相函数却没有精确的解析解,这里拟采用Cornette等[9]提出的一种相函数表达式p M((,g)=321-g22+g21+(2(1+g2-2g()3/2,(13)式中(=cos s,g称为非对称因子,可表示为g=59(-43-2581(2x-1/3+x1/3,(14)式中 (表示散射角余弦的平均值,x可写为x=59(+125729(3+6427-325243(2+12502187(41/2,(15)非对称因子g表征了前向散射与后向散射的比例关系,当g∀0时(13)式就退化为瑞利散射相函数,随着g的增大前向散射将随之增强.图3为计算所得到的一些给定非对称因子的散射相函数.图3单次散射相函数F ig.3Sing le scattering phase functio n大气对光辐射的吸收和散射特性与辐射波长和天气状况(如霾、雾、雨等)密切相关,以中紫外波段日盲光谱区266nm的辐射波长为例进行分析,并设大气能见度为20km.根据文献数据报道,在此能见度1524中 国 激 光 33卷下该波长的大气消光系数k e = 1.45 10-3m-1[10],瑞利散射系数k sR =0.257 10-3m -1[11].该波段的吸收主要是由近地面大气中少量臭氧引起的,取臭氧的体积分数为27 10-9[12],则吸收系数k a =图4接收端单次散射能量密度随收发仰角的变化F ig.4Evo lutio n o f r eceived sing le scattering energ ydensit ies v ersus tr ansmitter and receiver apex ang les for differ ent receiver half field o f view0.67 10-3m-1[13].由(11)式可得,k sM =0.523 10-3m -1.图4给出了对于不同的接收视场,接收端单次散射能量密度随发射和接收仰角(为简单起见,假定接收和发射仰角相等)变化的计算结果.计算中所取的参数为:r =500m,Q T =1m J, T =45#, ( =0.8.从图中可以看到,随着收发仰角的增大,接收到的散射能量逐渐减小,特别是当仰角等于接收视场半角的时候,散射能量开始显著减小.另外,仰角较小时,接收到的能量主要来自气溶胶的Mie 散射,这是由于此时散射角较小,Mie 前向散射很强的缘故.随着仰角的逐步增大,能够到达接收端的光能量主要来自后向散射,此时大气分子的瑞利散射能量就成为接收光能量的主要贡献.对比图4中不同接收视场的三种情况,发现增加接收视场可以增大接收的散射能量.对于实际的通信系统,通过增加接收视场来增大接收光能量的同时,也增大了由背景辐射所引起的系统噪声,这也正是选择日盲紫外光谱区作为光散射通信工作波长的原因.图5接收端单次散射能量密度随光源发散角的变化F ig.5Evo lutio n o f receiv ed single scatt ering energ ydensities ver sus diverg ence ang le of sour ce对于不同的应用场合,系统的收发仰角应当合理取值以建立合乎要求的非视线通信链路.这里就两种情况作为例子进行分析:1)仰角 T = R =90#,即发射和接收轴线互相平行,这种情况适用于短距离内分布式的非视线通信;2)仰角 T = R =45#,例如收发端之间存在障碍物时的点对点非视线通信.两种情况下的半视场角均取 R =22.5#,其余参数和大气传输特性参数与上述的取值相同,并在计算中令 T < T (非视线传输),计算结果分别如图5(a),(b)所示.在发射光信号能量不变的前提下,发散角增大将导致信号强度的降低,同时也会增大空间的有效散射体,前者导致散射能量密度减小,后者则导致散射能量密度增加,两者的综合作用决定了接收散射能量的变化.从图中可以看到,两种情况下接收的散射光能量随光源发散角的变化趋势是相反的,随着光源发散角的增大,无论接收散射能量增加还是减小,其变化幅度并不大.在设计实际系统时,当发射信号功率一定的情况下,光源的发散角要根据应用场合设计确定.152511期 冯 涛等:非视线光散射通信的大气传输模型4 结 论研究了非视线光散射通信的大气传输模型,确定了系统接收端散射光能量密度与系统各参数和大气传输参数之间的联系,详细讨论了系统的收发仰角、接收视场和光源发散角对接收散射光能量的影响,对于实际系统的设计具有一定的指导意义,所提供的分析方法可用于评估实际通信系统的路径损耗和功率预算.散射光通信是靠接收大气分子和气溶胶对光信号的散射来工作的,大气状况会直接影响通信系统的性能,如大气能见度的降低会引起消光系数的增加从而限制系统的最大通信距离,因此进一步研究各种大气状况特别是低能见度时的系统工作特性是非常必要的.此外,在信号传送过程中存在多径传输现象,这就会导致光信号脉冲展宽,从而限制了系统的最大可用带宽.在今后的工作中将就上述问题进行更深入的研究.参考文献1 C hen Gang,Dong Zuoren,Geng J ianx in et al..155/622M b/sm ultiple transmitter laser communication s ystems[J].Chinese J.L aser s,2004,31(5):583~587陈 刚,董作人,耿健新等.155/622M b/s多发射器激光通信系统[J].中国激光,2004,31(5):583~5872 R.S.Ken nedy.C om munication th rou gh optical scatteringchannels:An in tr odu ction[J].Pr oc.I EE E,1970,58(10): 1651~16653 R.M.L erner, A. E.H olland.Th e optical scatter chan nel[J].Pr oc.I EEE,1970,58(10):1547~15634 R. D.Shute.Electrodeless ultraviolet com munications system[J].IE EE A erospac e and Elec tr onic S ystems M ag az ine,1995, 10(11):2~75 G. A.S haw,M.Nischan,M.Iyengar et al..NLOS U Vcomm unication for distributed sen sor systems[C].SP I E, 2000,4126:83~966 Sh engli Chan g,Jian kun Yang,Jun cai Yang et al..T heex perim ental r esear ch of U V commu nication[C].SPI E,2004, 5284:344~3487 M.R.Luettg en,J.H.Shapiro, D.M.Reilly.Non line ofsigh t single scatter propagation m odel[J].J.Op t.Soc.A m.A,1991,8(12):1964~19728 E.J.M cCartn ey.Trans lated by Pan Naixian,M ao Jietai e tal..Optics of the Atmosph ere[M].Beijing:Science Pr ess, 1988.25E.J.麦卡特尼著,潘乃先,毛节泰等译.大气光学[M].北京:科学出版社,1988.259 W.M.Cornette,J.G.Sh ank s.Phys ically r easonable an alyticex pres sion for the single scattering phase fun ction[J].App l.Opt.,1992,31(16):3152~316010 W. A.Baum,L.Dun kelm an.H orizontal atten uation ofultraviolet light by the low er atmosph ere[J].J.Op t.S oc.A m.,1955,45(3):166~17511 R.Penn dorf.Tables of the refractive index for standard air an dthe Rayleigh scatterin g coefficien t for the spectral region betw een0.2and20.0(m and their ap plication to atmosph eric optics[J].J.Op t.S oc.A m.,1957,47(2):176~18212 E.T rak hovsky.Ozone amount determined by transmittancemeas urem ents in the solar blind ultraviolet spectral region[J].Ap p l.Op t.,1985,24(21):3519~352213 Edw ard C.Y.Inn,Y.Tanaka.Absorption coefficient of ozonein the ultraviolet an d visible regions[J].J.Op t.S oc.A m., 1953,43(10):870~8731526中 国 激 光 33卷。
简述大气校正的主要步骤
简述大气校正的主要步骤大气校正是遥感图像处理中的重要环节，旨在消除大气对图像的影响，提取出真实的地物信息。
大气校正主要包括以下几个步骤：1. 数据获取与预处理在进行大气校正之前，首先需要获取遥感图像数据，并对数据进行预处理。
预处理包括图像去噪、几何校正、辐射定标等步骤，以确保数据质量和准确性。
2. 大气光估计大气光估计是大气校正的关键步骤之一。
由于大气光是导致遥感图像中地物辐射值偏低的主要原因之一，因此需要准确估计出每个波段上的大气光值。
常用的方法有暗物质法、高反射区法和辐射传输模型法等。
3. 大气传输模型建立建立准确可靠的大气传输模型对于进行精确的大气校正至关重要。
常用的传输模型有标准化反射率转换模型（SRM）和改进二向反射分布函数（BRDF）等。
4. 大气回波修复由于遥感图像中存在着散射、吸收等大气现象，会导致地物的辐射值受到干扰，因此需要对图像进行大气回波修复。
常用的修复方法有大气散射模型、辐射传输模型等。
5. 大气校正模型建立根据已经估计出的大气光值和建立的大气传输模型，可以建立准确的大气校正模型。
该模型可以将原始图像中受到大气影响的地物辐射值转换为真实地物辐射值。
6. 地物反演与分类经过大气校正后，可以得到真实地物辐射值。
在此基础上，可以进行地物反演和分类工作。
通过对反演回波进行分析和处理，可以提取出图像中感兴趣的地物信息。
7. 结果评估与验证在完成大气校正后，需要对结果进行评估和验证。
常用方法有与实测数据对比、与其他遥感数据对比等。
8. 结果分析与应用最后，在完成结果评估和验证后，需要对结果进行分析和应用。
通过分析结果得出结论，并将其应用于相关领域，如环境监测、农作物遥感监测等。
综上所述，大气校正是遥感图像处理中的重要环节，其主要步骤包括数据获取与预处理、大气光估计、大气传输模型建立、大气回波修复、大气校正模型建立、地物反演与分类、结果评估与验证以及结果分析与应用。
这些步骤的完成将有助于提取出真实的地物信息，为遥感应用提供可靠的数据基础。
大气辐射传输模型及其在空气污染研究中的应用
大气辐射传输模型及其在空气污染研究中的应用近年来，随着工业化和城市化的快速发展，空气污染问题愈发严重，对人类健康和环境质量产生了严重影响。
为了更好地了解和应对空气污染问题，科学家们利用大气辐射传输模型进行空气质量监测和预测。
本文将介绍大气辐射传输模型的原理，并探讨其在空气污染研究中的应用。
一、大气辐射传输模型的原理大气辐射传输模型是一种用于描述太阳辐射在大气中传输过程的数学模型。
它基于气象学、物理学和数学等学科的知识，通过模拟和计算太阳辐射在大气层中的传输、散射和吸收等过程，来估计不同地区的辐射场分布和能量交换。
该模型的基本原理是根据大气中的气溶胶、云和气体等组分的光学性质，结合辐射传输方程，模拟太阳辐射经大气层与地面相互作用的变化。
通过计算太阳辐射经过不同大气条件下的衰减和散射程度，可以得到不同地区的辐射强度。
同时，大气辐射传输模型还可以用来估计大气层对地表辐射的吸收和散射，从而获取能够反映大气特性的物理量。
二、大气辐射传输模型在空气污染研究中的应用1. 空气污染监测通过大气辐射传输模型，科学家们可以模拟和计算不同污染物在大气中传输和扩散的过程，从而对空气污染的形成和变化规律进行监测和分析。
通过模型结果，可以预测污染物的浓度分布、时空变化以及对人体健康和环境的影响，为空气质量评估和管理提供科学依据。
2. 污染物排放源分析大气辐射传输模型与气象数据和实测结果结合，可以帮助科学家们确定污染物的排放源和排放强度。
通过对模型的运行和优化，可以对不同源区的污染物扩散过程进行模拟和分析，进而确定污染源所在地。
这对于制定和实施污染防治措施具有重要意义。
3. 气象条件对污染物扩散的影响大气辐射传输模型可以模拟和计算不同气象条件下污染物的扩散和沉降过程。
通过模型的应用，科学家们可以研究不同气象要素如风速、风向、温度和湿度等对污染物传输的影响，从而揭示气象条件与空气污染之间的关系。
这对于预测和控制空气污染具有重要意义。
大气区域传输模型及其应用分析
大气区域传输模型及其应用分析大气区域传输模型是研究大气中污染物传输和扩散规律的理论模型，广泛应用于环境科学、气象学、空气质量评估等领域。
本文将对大气区域传输模型的原理、方法和应用进行分析。
一、大气区域传输模型的原理大气区域传输模型基于大气物理学和大气动力学理论，采用数学计算方法，模拟和预测大气中污染物在空间和时间上的传输和扩散过程。
模型考虑了大气运动、湍流扩散、化学反应等因素，能够较准确地描述大气中污染物的传输规律。
大气区域传输模型通常包括以下几个关键方程：质量守恒方程、动量守恒方程、湍流扩散方程和污染物反应方程。
其中，质量守恒方程描述了污染物的传输过程，动量守恒方程描述了大气运动的影响，湍流扩散方程描述了湍流对污染物扩散的影响，污染物反应方程描述了污染物在大气中的化学反应。
二、大气区域传输模型的方法大气区域传输模型的方法主要包括数值模拟方法和统计方法。
数值模拟方法是将大气区域划分成网格，通过求解离散的差分方程，计算每个网格点上的物理量。
数值模拟方法适用于复杂地形和复杂边界条件下的大气传输模拟，能够提供空间和时间上的具体结果。
统计方法则通过观测数据和统计分析，建立数学模型，预测大气中污染物的传输和扩散过程。
统计方法适用于数据不足、无法建立精确的物理模型的情况，能够提供一定的估计结果。
三、大气区域传输模型的应用大气区域传输模型广泛应用于环境科学和气象学领域。
在环境科学领域，大气区域传输模型可以用于评估和预测污染物的扩散范围和浓度分布，帮助制定环境保护政策和污染控制措施。
例如，可以通过模拟和预测大气中颗粒物的传输过程，评估不同源区的颗粒物对空气质量的影响，为减少颗粒物污染提供科学依据。
在气象学领域，大气区域传输模型可以用于研究大气环流和湍流扩散规律，提高天气预报的准确性。
例如，可以通过模拟和预测大气中的湍流扩散过程，提供对污染物传播路径的预测，帮助预警和应对突发性空气污染事件。
此外，大气区域传输模型还可以应用于空气质量评估、健康风险评估等方面，为保护环境和人类健康提供科学支持。
大气辐射传输校正模型
大气辐射传输校正模型在遥感的实际应用中，常用很多简化的手段，如假设地面为朗伯面，排除云的存在，采用有关标准大气模式及大气气溶胶模式等，一次产生了许多不同类型的大气辐射传输模型，主要分为两类，1)采用大气的光学参数2)直接采用大气物理参数如lowtran、modtran等大气辐射近似计算模型，而且还增加了多次散射计算1.5s模型该模型的代码模拟计算海平面上的均匀朗伯体目标的反射率，并假定大气吸收作用与散射作用可以耦合，就像吸收粒子位于散射层的上面一样，则大气上层测量的目标反射率可以表示为，海平面处朗伯体的反射率大气透过率分子、气溶胶层的内在反射率有太阳到地表再到传感器的大气透过率S为大气的反射率2.6S模型用FORTRAN语言编写的适用于太阳反射波段(0.4-2.5um)的大气辐射传输模型，这种模式再假定大气无云的情况下考虑了水汽、二氧化碳、臭氧。
和氧气的吸收、分子和气溶胶的散射以及均一地面和双向反射率问题，它是对5s模型的改进(vermote,1997)，考虑了目标高程、表面的非朗伯体特性、新的吸收分子种类的影响(CO N2O等)，采用好的近似算法来计算大气和气溶胶的散射和吸收的影响，其中气体的吸收以10cm-1的光谱间隔来计算的，并且光谱积分的步长达到了 2.5nm，适用于可见光和近红外的多角度数据。
它可以模拟机载观测、设置地表的高度、解释brdf作用和临近效应，还采用sos(successive orderof scattering)方法计算散射作用以提高精度，但该模型的缺点是不能处理球形大气和limb(临边)观测。
需要输入的参数：1)几何参数：太阳天顶角、卫星天顶角。
太阳方位角、卫星方位角，观测时间，也可以通过输入卫星轨道与时间参数代替2)大气模式：大气组分参数，：包括水汽，灰尘颗粒度等参数，偌缺乏精确的实况数据数据，可以根据卫星数据的地理位置和时间，选用6s提供的标准模型来替代3)气溶胶模式：气溶胶组分参数，包括水分含量以及烟尘、灰尘等在空气中的百分比等参数，若缺乏情却的实况数据，可以选用6s提供的标准模型来代替4)气溶胶浓度：气溶胶的大气路径长度，一般可用当地的能见度参数表示。
【珍藏】大气辐射传输校正模型(5S,modtran,acorn)
【珍藏】大气辐射传输校正模型(5S,modtran,acorn) 在遥感的实际应用中～常用很多简化的手段～如假设地面为朗伯面～排除云的存在～采用有关标准大气模式及大气气溶胶模式等～一次产生了许多不同类型的大气辐射传输模型～主要分为两类～1,采用大气的光学参数2,直接采用大气物理参数如lowtran、modtran等大气辐射近似计算模型～而且还增加了多次散射计算1. 5s模型该模型的代码模拟计算海平面上的均匀朗伯体目标的反射率～并假定大气吸收作用与散射作用可以耦合～就像吸收粒子位于散射层的上面一样～则大气上层测量的目标反射率可以表示为～海平面处朗伯体的反射率大气透过率分子、气溶胶层的内在反射率有太阳到地表再到传感器的大气透过率S为大气的反射率大气传输辐射校正模型,3 modtran该模型是由美国空军地球物理实验室研制的大气辐射模拟计算程序～在遥感领域被广泛应用于图像的大气校正。
,1lowtran7是一个光谱分辨率20cm～的大气辐射传输实用软件～它提供了6种参考大气模式的温度、气压、密度的垂直廓线～水汽、臭氧、甲烷、一氧化碳、一氧化二氮的混合比垂直廓线～其他13种微量气体的垂直廓线～城乡大气气溶胶、雾、沙尘、火山喷发物、云、雨的廓线～辐射参量,如消光系数、吸收系数、非对称因子的光谱分布,～以及地外太阳光谱。
lowtran7可以根据用户的需要～设置水平、倾斜、及垂直路径～地对空、空对地等各种探测几何形式～适用对象广泛。
lowtran7的基本算法包括透过率计算方法～多次散射处理和几何路径计算。
1, 多次散射处理lowtran 采用改进的累加法～自海平面开始向上直至大气的上界～全面考虑整层大气和地表、云层的反射贡献～逐层确定大气分层每一界面上的综合透过率、吸收率、反射率和辐射通量。
再用得到的通量计算散射源函数～用二流近似解求辐射传输方程。
2, 透过率计算该模型在单纯计算透过率或仅考虑单次散射时～采用参数化经验方法计算带平均透过率～在计算多次散射时～采用k,分布法3, 光线几何路径计算考虑了地球曲率和大气折射效应～将大气看作球面分层～逐层考虑大气折射效应由于lowtran直接使用大气物理参数～因而需要按照下列方法计算出与lowtran使用的大气物理参数相对应的大气光学参数179页 4.modtran辐射传输模型,1modtran可以计算0到50000cm的大气透过率和辐射亮度～它在440nm到无限,1,1大的波长范围精度是2cm～在22680到50000cm紫外波,200-440nm,范围的,1精度是20cm～在给定辐射传输驱动、气溶胶和云参数、光源与遥感器的几何立体对和地面光谱信息的基础上～根据辐射传输方程来计算大气的透过率以及辐射亮度。
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第16卷第2期强激光与粒子束Vol.16，No.2 2004年2月HIGH POWER LASER AND PARTICLE BEAMS Feb.，2004文章编号：1001-4322（2004）02-0149-05大气辐射传输模型的比较研究*孙毅义，董浩，毕朝辉，李治平（烟台大学数学与信息科学系，山东烟台264005）摘要：讨论了三种通用的大气辐射传输模型的特点和使用限制，用辐射传输定律作了数值检验，并与实验测量资料作了比较。
结果表明，氧碘激光和氟化氢泛频20P4激光谱线大气透过率的计算值与实验测量值吻合，氟化氢泛频20P5却出现严重偏差。
还研究了大气气溶胶种类对大气透过率计算和测量的严重影响。
关键词：大气传输模型；大气透过率；激光大气传输；FASCODE；MODTRAN；LOWTRAN；HITRAN中图分类号：O438；P421 文献标识码：A光辐射在大气中传输受到大气吸收和散射的影响，使到达接收系统的光辐射能量减弱，同时光辐射也携带了大气本身的信息。
根据不同的应用目的，人们将把辐射源的波长选择在“大气窗口”以增加到达接收系统的能量，或选择在特定分子成分的吸收峰附近以测量传输路径上这类分子成分的含量。
尽管应用目的不同，它们都需要定量地求得测量时刻的大气透过率和辐射效应，正确地解释观测（遥感）资料。
为此，大气传输模型一直为光电测量系统的设计人员和一些与地球大气中辐射传输有关的研究（如环境监测、气候学、气象学、激光传输及红外成像技术）所关注，光辐射大气传输模型的研究和应用越来越受到重视。
经过大量大气科学工作者三十多年的努力，已经成功地开发并建立了宽、窄光谱带和逐个光谱线计算的大气辐射传输模型，这些传输模型包括多种观测方式，适用于非常宽的电磁波谱范围及多种可变气象要素。
这些实用的大气传输模型对主动或被动型目标辐射传输及背景辐射的计算有着十分重要的应用价值。
本文将简要地介绍目前比较通用的大气辐射传输模型LOWTRAN［1］，MODTRAN［2］和FASCODE［3］的共同特点和主要差异，用辐射传输中常用的Beer定律检验大气辐射传输模型，给出高分辨率大气辐射传输模型对某些具有应用价值的化学激光大气传输的计算结果，并与已发表的实验观测资料相比较。
希望通过介绍和结果的比较，使一些非大气传输专业的光电设计工程技术人员能够正确选择和使用大气辐射传输模型，有助于光电系统的设计和仿真，并能正确地定量解释实际大气环境中观测（遥感）到的资料。
1 三种大气辐射传输模型的共同特点和主要差别LOWTRAN，MODTRAN和FASCODE都是由美国空军地球物理实验室（AFGL）根据不同的应用目的而开发和研制的宽带、窄带和逐线计算的大气辐射传输模型及其相应的应用软件。
它们之间相互借鉴，取长补短，具有一组共享的公共模块，在编程时如同拼积木似的互相调用，这样也便于互相比较。
这三个大气辐射传输模型具有如下共同的特点：它们都可以在非常宽的电磁波谱范围（0～50000cm-1，0.2µm～∞）内使用，都涉及了复杂大气条件下多种辐射传输量的计算。
在这些计算模型中都包括了1976年美国标准大气作为高度函数的温度、压力、密度以及水汽、臭氧、甲烷、一氧化碳和一氧化二氮等30种气体混合比的六种参考模型大气，这些大气模型适合气候学选择的范围。
同时还可以根据理论计算或实测资料，由用户自行定义模型大气，使这个模型在特定环境下仿真和使用显得特别灵活。
此外，在这些传输模型实用程序中包括了具有代表性的大气、气溶胶、云和雨的模型，这些复杂的天气环境使它们具有更广泛的应用。
模型还包括了水平、垂直、倾斜向上和向下传输等各种复杂的几何关系，在计算大气倾斜路径及沿着传输路径衰减量时，都考虑了大气折射和地球的曲率。
这些辐射传输模型都利用了HITRAN［4，5］数据库中的基本分子常数，然而，它们采取了各不相同的处置方法把这些常数换算成透过率和辐射度，显然，这些辐射传输模型具有不同的精确性。
下面我们将讨论这些模型在应用这个信息时所采取的不同方法。
*收稿日期：2003-05-30；修订日期：2003-08-18作者简介：孙毅义（1937—），男，研究员，从事大气光学（激光传输）和卫星遥感资料定量化研究；E-mail：ies@在HITRAN数据库出现之前，LOWTRAN4A利用20cm-1分辨率的经验透过函数和有效吸收系数。
从LOWTRAN5开始首次引入HITRAN80，以后，LOWTRAN的每个新版本都在分子成分的数目和计算效率上作了改进。
直到1986年LOWTRAN7把吸收带模型直接与HITRAN86连接，使用单参数（压力）带模型（吸收系数），加上分子密度尺度函数。
利用最小二乘方方法与逐线计算的透过率拟合，作了大量光学厚度的计算。
MODTRAN除了把LOWTRAN20cm-1（FWHM）的光谱分辨率和在5cm-1（bin）光谱间隔上作分子吸收计算改进为2cm-1（FWHM）的光谱分辨率和在1cm-1（bin）光谱间隔上作分子吸收计算外，它使用了三个与温度有关的参数（吸收系数，线密度参数和平均带宽），使之更精确地服从分子跃迁的温度和压力关系（能级粒子数和Voigt线形）。
由于LOWTRAN局限于Lorentz压力为主的线形，只适用于30km以下的高度，而MODTRAN同时考虑了Lorentz压力加宽和Doppler移动（与温度有关）加宽相结合的Voigt线形，可以在更高高度上使用。
但是，在高于60km的高度上，大部分分子不再处于局地热力平衡状态，这意味着有些分子带的强度不再由环境温度确定。
MODTRAN没有对非局地热力平衡态的分子带进行合理的处理，它的适用高度限于60km以下。
另外，与FASCODE精确计算每一层大气的光学厚度的做法不同，MODTRAN采用适合于地球大气中中等温度变化的Curtis-Godson近似，通过一个等效均匀路径来代替多层路径的计算，因而，MODTRAN不可能达到FASCODE的精度。
FASCODE是一个完全的逐线Beer-Lambert算法，它以最精细的光谱分辨率“精确”计算孤立的、重叠的分子谱线，这样的光谱分辨率与任意版本的HITRAN的分子成分跃迁资料相兼容。
通过对每一层分子吸收，散射效应（分子和气溶胶）及一些连续吸收的计算，FASCODE提供了“精确”透过率计算的处理。
并且FASCODE考虑了非局地热力平衡状态的处理，原则上它的应用高度不受限制。
因此，FASCODE通常用作评估遥感系统和/或参数化带模型的基准。
2 Beer-Lambert方程符合程度的检验Beer定律也称布给（Bouguer）定律，是大气辐射传输中常用的定律。
沿着z方向传播的平面波，以微分形式书写的布给定律为d I（v）=-I（v）α（v，z）d z（1）式中：d I（v）是波数为v的单色辐射强度I（v）通过媒质层厚度d z以后的强度变量；α（v，z）为媒质的衰减系数。
（1）式的积分表达式为I（v）=I（v）exp［-α（v，z）d z］（2）在厚度为L的均匀媒质层内传输，（2）式可以写成I（v）=I（v）exp［-α（v，z）L］（3）式中：I（v）为初始辐射强度；指数α（v）L称为媒质层的光学厚度，通常用т（v）表示。
实际上，布给定律是指单色辐射的传输方程，根据定义，带模型不能服从布给定律。
但是，人们通常也用它来计算用平均波长表示的带模型的传输。
问题在于：所有吸收带模型基本上都计算“全路程”的量，而不作分层计算，这样势必带来一定的误差。
MODTRAN也不进行分层计算，而进行了压力（或密度）加权的整个空气柱总量的计算。
这种加权量连同带模型光谱参数（光谱间隔中的光谱线的平均数和平均强度，加上附加的连续吸收来描述超过1cm-1间隔的扩展线型）可以求得分子成分的全程透过率，于是，总的透过率是全程各个分子成分透过率、散射衰减和连续吸收透过率的乘积。
表1列出了用三种大气传输模型计算氧碘化学激光大气透过率以及2.7µm水汽吸收带附近某波长处的大气透过率的结果。
其中水平传输是在地面温度285K，相对湿度92%，CO2的体积分数为360×10-6，地面能见度10km和农村气溶胶情况下的计算结果。
而在倾斜向上传输中，采用了美国标准大气，地面能见度10km，农村气溶胶和30º观测天顶角的情况。
表中Tn 为n km水平传输路径的透过率，Tn1～n2为高度n1到高度n2之间的大气透过率。
由表可见，在这样最通常的情况下，由于吸收带模型处理分子成分吸收的方式与FAS-CODE不同，LOWTRAN和MODTRAN的计算结果显然带有一定的误差。
其中，LOWTRAN计算的透过率与布给定律偏离的绝对误差将超过7%，MODTRAN小于3%，FASCODE小于1%。
由此可见，MODTRAN基本上符合Beer-Lambert定律，而LOWTRAN7显然具有较大的偏差，也就是说在使用LOWTRAN7时需要注意到它的精051强激光与粒子束第16卷度。
这就是为什么从20世纪90年代起，MODTRAN 已经取代了LOWTRAN7的原因。
MODTRAN 这种处理方式与FASCODE 的计算已经十分接近。
表1 三种大气传输模型符合Beer 定律的检验Table 1 Numerical tests for the three models through Beer's lawhorizontal pathswavelength /cm -1model atmospheric transmittance T 1T 2T 3T 1×T 27603.138FASCODE 3HITRAN20000.83960.70180.58670.58927603MODTRAN HITRAN960.77620.61700.49480.47897605LOWTRAN 70.65410.49600.38640.3244slant pathswavelength /cm -1model atmospheric transmittance T 0～2T 2～5T 0～5T 0～5×T 2～57603.138FASCODE 3HITRAN20000.77550.95990.74440.74447603MODTRAN HITRAN960.72620.92020.67880.66827605LOWTRAN 70.61750.82560.56630.5098atmospheric transmittance near 2.7µm absorption band for slant pathswavelength /cm -1model atmospheric transmittanceT 0～2T 2～5T 0～5T 0～2×T 2～53411FASCODE 3HITRAN20000.61030.84850.52420.51873411MODTRAN HITRAN960.51760.78380.42280.40573410LOWTRAN 70.30440.54100.23290.1647另外，由表还可以见到，这三个模型计算得到的大气透过率数值差别很大，这是由于三个模型具有不同光谱分辨率所致。