可见光近红外波段辐射传输方程上课讲义
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PM10\PM2.5\TSP？
Main constituents of the earth's atmosphere
大气效应
大气吸收
大气中的主要组成物氮（N2）和氧（O2）对辐射的吸收主 要位于紫外波段，由于大气上层臭氧的存在，而臭氧对小于0.3微 米的电磁波具有极强的吸收能力，所以到达地面的太阳短波辐射 中，已不存在小于0.3微米的短波辐射了，因此氧（O2），氮（N2 ）的吸收作用也就不重要了。
大气效应及建模
大气组成
大气垂直结构
Troposphere(对流层) Stratosphere(平流层) Mesosphere(中间层) Thermosphere(热层)
大气廓线？
大气组成
大气组成
对流层 邻近地表的一层。厚度最薄，大气质量80%，水汽90%。 低纬：16~18km; 中纬：10~12km; 高纬：7~9km.
Hydrogen sulphide (H2S) Nitric acid vapour (HNO3)
Nitrous oxide (N2O) Carbon monoxide (CO)
大气组成
•Solid and liquid particulates: 气溶胶、水滴、冰晶，可能会聚集为云和霾。 气溶胶：大气中大量悬浮的固体和液体粒子。 典型的有霾(灰尘)、烟、雾 气溶胶来源: 1）自然：火山、沙暴、林火烟灰、各种酸性粒子。 2）人类活动：工业、交通、建筑、农业等 气溶胶大小: 5*10-3~ 0.2mm, 爱根核(Aitken nuclei)； 0.2~ 1mm, 大粒子； >1mm,巨粒子 气溶胶分布: 对流层内：浓度随高度指数衰减(由于降水，不能维持很久) 平流层中：稳定
0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 2.4 2.6 2.8 3.0 3.2 3.4 3.6 3.8 4.0
二氧化碳的吸收
它在红外区的吸收为15微米为中心，范围为13.5—16.5微米 的强吸收带。
其二，为以4.3微米为中心的吸收带；
除此之外还有中心在10.4微米,9.4微米,5.2微米,4.8微米,2.7 微米,2.0微米,1.6微米及1.4微米的弱吸收带都比窄，宽度约为0.1 微米量级，所以一般可以不予考虑。
平流层
从对流层顶到50~55km。约20%大气质量，水汽少，臭氧 (10~40km)丰富，吸收太阳紫外辐射，气体密度低，分子 动能大。 特点： a. 20~32km, 同温层。 b. 同温层之上，温度随高度增加而增加，到平流层顶温
度停止增加。 c. 无垂直运动，稳定，导致气溶胶可以停留很长时间。
大气组成
大气组成
Atmospheric Constituents •Permanent Gases: 基本比例固定，且没有空间变化。 Nitrogen (N2): 78.084% by volume Oxygen (O2): 20.948% Argon (Ar): 0.934% Carbon dioxide (CO2): 0.033% 浓 度可变
特点： a. 温度随高度增加不断下降，平均6.5ºC/km，天气变 化都发生在该层。 b. 垂直方向空气运动激烈。 c. 自地面至2m高的范围为贴地层, 昼夜温度变化10ºC。 从地面到1~2km的为行星边界层，富含气溶胶粒子， 气溶胶密度随高度指数衰减。 d. 在行星边界层以上，主要为分子散射。
大气组成
臭氧吸收
臭氧对紫外光有强烈的吸收作用致使波长短于0.3 微米的太阳辐射无法到达地面，在0.6微米附近有一个弱 吸收带；
在红外区，以9.6微米为中心有一个较强的吸收带， 其次在4.75微米有一个较显著的吸收带，在14微米附近 的吸收带与CO2的强吸收带重迭。
大气吸收
大 气 吸 收
Βιβλιοθήκη Baidu气吸收
经过大气层的太阳辐射
大气组成
•Gases with Variable Concentration: 随空间及时间变化明显。 Water vapour (H2O) ：0~4% 随温度、气压有剧烈变化，有很强的时空变化特性。 集中在对流层下半部，随高度增加而急剧递减。
饱和水汽压 混合比与比湿 水汽压 水汽密度（绝对湿度） 相对湿度 露点与霜点 虚温
称的陀螺分子形状。由于正、负离子的重心不重合，所以水分子 是一个极性分子，具有很强的电偶极矩;
水汽的最强和最宽的振转吸收带为以6.3微米为中心的吸收 带，其次还有两个分别以2.74微米和2.66微米为中心的吸收带， 此处，在近红区还有很多的吸收带，1.4、0.94等。
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
大气效应
散射
散射
尺度参数
大气效应
a 2r
a<0.6, 小分子散射(Rayleigh散射) 400>a>0.6 ,大分子散射(Mie散射) a>400,折射和反射
瑞利散射
m
8 3 n2 1 3N 24
2
n = 折射指数 N = 单位体积内的粒子个数
大气组成
•Gases with Variable Concentration:
Ozone (O3) ：0~12*10-4 吸收紫外，导致平流层增温，有明显的地区和季节性 变化。垂直结构也比较复杂。
Sulphur dioxide (SO2) Nitrogen dioxide (NO2) Ammonia (NH3) Nitric oxide (NO)
中间层
从平流层顶到80~85km。 特点：
a. 温度递减 b. 化学组成非常均匀，压力很低。 c. 中间层顶的温度通常最低：-95ºC
热层
从中间层顶到几百公里。特点： a. 密度很低，温度约500~2000K。 b. 又称电离层，反射无线电波。 c. 没有固定的化学组成。
---遥感通常考虑的高度范围？
从可见光到红外到微波波段，起主要作用的是大气中的一 些少量的多变的气体，它们是臭氧（O3），水汽（H2O），二氧 化碳（CO2），甲烷（CH4），氮氨化物（N2O），一氧化碳（ CO）等，（以60GHZ为中心的微波氧（O2）吸收带除外）。
水汽的吸收 水汽（H2O）是大气中的重要吸收成分，水汽是一个不对
Main constituents of the earth's atmosphere
大气效应
大气吸收
大气中的主要组成物氮（N2）和氧（O2）对辐射的吸收主 要位于紫外波段，由于大气上层臭氧的存在，而臭氧对小于0.3微 米的电磁波具有极强的吸收能力，所以到达地面的太阳短波辐射 中，已不存在小于0.3微米的短波辐射了，因此氧（O2），氮（N2 ）的吸收作用也就不重要了。
大气效应及建模
大气组成
大气垂直结构
Troposphere(对流层) Stratosphere(平流层) Mesosphere(中间层) Thermosphere(热层)
大气廓线？
大气组成
大气组成
对流层 邻近地表的一层。厚度最薄，大气质量80%，水汽90%。 低纬：16~18km; 中纬：10~12km; 高纬：7~9km.
Hydrogen sulphide (H2S) Nitric acid vapour (HNO3)
Nitrous oxide (N2O) Carbon monoxide (CO)
大气组成
•Solid and liquid particulates: 气溶胶、水滴、冰晶，可能会聚集为云和霾。 气溶胶：大气中大量悬浮的固体和液体粒子。 典型的有霾(灰尘)、烟、雾 气溶胶来源: 1）自然：火山、沙暴、林火烟灰、各种酸性粒子。 2）人类活动：工业、交通、建筑、农业等 气溶胶大小: 5*10-3~ 0.2mm, 爱根核(Aitken nuclei)； 0.2~ 1mm, 大粒子； >1mm,巨粒子 气溶胶分布: 对流层内：浓度随高度指数衰减(由于降水，不能维持很久) 平流层中：稳定
0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 2.4 2.6 2.8 3.0 3.2 3.4 3.6 3.8 4.0
二氧化碳的吸收
它在红外区的吸收为15微米为中心，范围为13.5—16.5微米 的强吸收带。
其二，为以4.3微米为中心的吸收带；
除此之外还有中心在10.4微米,9.4微米,5.2微米,4.8微米,2.7 微米,2.0微米,1.6微米及1.4微米的弱吸收带都比窄，宽度约为0.1 微米量级，所以一般可以不予考虑。
平流层
从对流层顶到50~55km。约20%大气质量，水汽少，臭氧 (10~40km)丰富，吸收太阳紫外辐射，气体密度低，分子 动能大。 特点： a. 20~32km, 同温层。 b. 同温层之上，温度随高度增加而增加，到平流层顶温
度停止增加。 c. 无垂直运动，稳定，导致气溶胶可以停留很长时间。
大气组成
大气组成
Atmospheric Constituents •Permanent Gases: 基本比例固定，且没有空间变化。 Nitrogen (N2): 78.084% by volume Oxygen (O2): 20.948% Argon (Ar): 0.934% Carbon dioxide (CO2): 0.033% 浓 度可变
特点： a. 温度随高度增加不断下降，平均6.5ºC/km，天气变 化都发生在该层。 b. 垂直方向空气运动激烈。 c. 自地面至2m高的范围为贴地层, 昼夜温度变化10ºC。 从地面到1~2km的为行星边界层，富含气溶胶粒子， 气溶胶密度随高度指数衰减。 d. 在行星边界层以上，主要为分子散射。
大气组成
臭氧吸收
臭氧对紫外光有强烈的吸收作用致使波长短于0.3 微米的太阳辐射无法到达地面，在0.6微米附近有一个弱 吸收带；
在红外区，以9.6微米为中心有一个较强的吸收带， 其次在4.75微米有一个较显著的吸收带，在14微米附近 的吸收带与CO2的强吸收带重迭。
大气吸收
大 气 吸 收
Βιβλιοθήκη Baidu气吸收
经过大气层的太阳辐射
大气组成
•Gases with Variable Concentration: 随空间及时间变化明显。 Water vapour (H2O) ：0~4% 随温度、气压有剧烈变化，有很强的时空变化特性。 集中在对流层下半部，随高度增加而急剧递减。
饱和水汽压 混合比与比湿 水汽压 水汽密度（绝对湿度） 相对湿度 露点与霜点 虚温
称的陀螺分子形状。由于正、负离子的重心不重合，所以水分子 是一个极性分子，具有很强的电偶极矩;
水汽的最强和最宽的振转吸收带为以6.3微米为中心的吸收 带，其次还有两个分别以2.74微米和2.66微米为中心的吸收带， 此处，在近红区还有很多的吸收带，1.4、0.94等。
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
大气效应
散射
散射
尺度参数
大气效应
a 2r
a<0.6, 小分子散射(Rayleigh散射) 400>a>0.6 ,大分子散射(Mie散射) a>400,折射和反射
瑞利散射
m
8 3 n2 1 3N 24
2
n = 折射指数 N = 单位体积内的粒子个数
大气组成
•Gases with Variable Concentration:
Ozone (O3) ：0~12*10-4 吸收紫外，导致平流层增温，有明显的地区和季节性 变化。垂直结构也比较复杂。
Sulphur dioxide (SO2) Nitrogen dioxide (NO2) Ammonia (NH3) Nitric oxide (NO)
中间层
从平流层顶到80~85km。 特点：
a. 温度递减 b. 化学组成非常均匀，压力很低。 c. 中间层顶的温度通常最低：-95ºC
热层
从中间层顶到几百公里。特点： a. 密度很低，温度约500~2000K。 b. 又称电离层，反射无线电波。 c. 没有固定的化学组成。
---遥感通常考虑的高度范围？
从可见光到红外到微波波段，起主要作用的是大气中的一 些少量的多变的气体，它们是臭氧（O3），水汽（H2O），二氧 化碳（CO2），甲烷（CH4），氮氨化物（N2O），一氧化碳（ CO）等，（以60GHZ为中心的微波氧（O2）吸收带除外）。
水汽的吸收 水汽（H2O）是大气中的重要吸收成分，水汽是一个不对