遥感物理 大气辐射传输模型
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第2章 大气辐射传输模型
2.1 大气的组成和结构特征
Main constituents of the earth's atmosphere
Nitrogen氮, oxygen氧 and argon氩 account for about
99.99% of the permanent gases. Of the variable constituents, carbon dioxide 二氧化碳
can be somewhat variable in concentration on a
localised basis at low levels. Water vapour 水汽content may vary from about 0 to
4% ozone臭氧 concentrations also vary markedly.
大气厚度约为1000km,从地面到大气上界，可垂直分为4层： ➢对流层：高度在7～12 km,温度随高度而降低，空气明显垂直对流，天气变 化频繁，航空遥感主要在该层内。上界随纬度和季节而变化。 ➢平流层：高度在12～50 km，没有对流和天气现象。底部为同温层（航空 遥感活动层），同温层以上为暖层，温度由于臭氧层对紫外线的强吸收而逐 渐升高。 ➢电离层：高度在50～1 000 km，大气中的O2、N2受紫外线照射而电离， 对遥感波段是透明的，是陆地卫星活动空间。 ➢大气外层：800～35 000 km ,空气极稀薄，对卫星基本上没有影响。
大气窗口：通过大气而较少被反射、吸收或散射的 投射率较高的电磁辐射波段。
大气窗口是选择遥感工作波段的重要依据。
常见的大气窗口：
大气窗口
波段
透射率/%
应用举例
反射光谱 0.3～1.3 μm
＞90
TM1-4、SPOT的 HRV
近红外 近-中红外 反射和发射 发射光谱
微波
1.5～1.8 μm 2.0～3.5 μm 3.5～5.5 μm
8～14 μm 0.8～2.5cm
80 80
60～70 100
TM5 TM7 NOAA的AVHRR TM6 Radarsat
2.3 大气散射
❖散射的概念：电磁波与物质相互作用后电磁波偏离原来的传 播方向的一种现象。 ❖不同于吸收作用，只改变传播方向，不能转变为内能。 ❖大气的散射是太阳辐射衰减的主要原因。 ❖对遥感图像来说，降低了传感器接收数据的质量，造成图像 模糊不清。 ❖散射主要发生在可见光区。 ❖大气发生的散射主要有三种：
真正对电磁波传播起重要吸收作用的是一些非常定的少 量气体，作用最为显著的是O3、CO2、CH4和H2O 大气中的O3主要分布在10~50Km的中层大气中，极 大值出现在20~25Km处； O3含量有明显的地域分布特 征及季节变化
大气中的CO2含量相对稳定，一般认为它不随高度而 变。对红外波段有强烈的吸收作用，以15μm波长为中 心形成了一个13~17 μm的强烈吸收带，这一特性使CO2 成为探测大气温度廓线的重要手段
dI(s)/ds=-K(I-J)
回忆第一章中提到的平面平行介质中的传输方程为：
dI I J d
因此，考虑散射源函数后，辐射传输方程可以展开为：
dI(, ) I(, ) I0e/0P(, 0)
d
4
I(, ')P(, ')d'
➢多波段中不使用蓝紫光的原因：
ห้องสมุดไป่ตู้
颜色
红 橙黄 黄
绿
青兰 紫 紫外线
波长 0.7 0.62 0.57 0.53 0.47 0.4 0.3
散射率 1 1.6 2.2 3.3 4.9 5.4 30.0
米氏散射
当微粒的直径与辐射波长差不多时的大气散射。
云、雾的粒子大小与红外线的波长接近，所以云雾对对红外 线的米氏散射不可忽视。
2.2 大气吸收与大气窗口
物质的吸收光谱实际上具有一定的宽度。描述吸收特性 需要三个物理量：谱线强度、线型及中心频率：
R(v)=s.f(v-v0)
R(v)为光谱吸收系数， s为谱线强度， f(v-v0)为线型因子， v0为中心频率
地球上接受到的太阳辐射来自太阳光球层相当于6000K 的黑体辐射，而地球自身的平均温度只有250K左右，所 以地球以长波辐射的形式向太空散发着热量。地球表面吸 收太阳短波辐射的总能量应该等于它自身长波辐射支出的 总能量。
瑞利散射：d <<λ 米氏散射：d ≈λ 非选择性散射：d >>λ
瑞利散射
当微粒的直径比辐射波长小得多时，此时的散射称为瑞利散射。
➢散射率与波长的四次方成反比，因此，瑞利散射的强度随着波 长变短而迅速增大。紫外线是红光散射的30倍，0.4微米的蓝光 是4微米红外线散射的1万倍。
➢瑞利散射对可见光的影响较大，对红外辐射的影响很小，对微 波的影响可以不计。
大气中的水汽（H2O）对可见光、红外以及微波波段都 有表征性的吸收波段，水汽密度对电磁波的吸收与发射是 大气效应纠正的重要内容，也是探测大气中水汽含量垂直 分布的基本依据
大气气溶胶是指悬浮于地球大气之中具有一定稳定性的、 沉降速度小的，尺度在10-3 μm到10μm的液态及固体粒子。 气溶胶颗粒尺度与可见光波长相当，故对光的散射作用属 于米氏散射。气溶胶大多集中在底层大气0~4Km范围之内。
In addition to these variable constituents there are also aerosols 气溶胶 and hydrometeors水颗粒 which can
vary widely in space and time.
大气的垂直结构
表述大气物理状况的物理量一般有气压、大气温度与大气湿度，他们在垂 直方向上的变化远远大于水平方向上的梯度，大气效应纠正中大多假定大 气具有水平均一、垂直分层结构。
米氏散射的特征： （1）电磁波可以穿透介质表面而深入到散射颗粒的内部。 （2）由于颗粒尺度与波长可以比拟，所以颗粒的不同部位往
往处在不同的电场强度下，导致诱发电流的产生，一方面这高 度电流会产生高变的磁场，另一方面电流的存在意味着焦耳热 损耗的出现——电磁波的吸收。
2.4 大气辐射传输方程
描述电磁辐射在散射、吸收介质中传输的基本方程:
2.1 大气的组成和结构特征
Main constituents of the earth's atmosphere
Nitrogen氮, oxygen氧 and argon氩 account for about
99.99% of the permanent gases. Of the variable constituents, carbon dioxide 二氧化碳
can be somewhat variable in concentration on a
localised basis at low levels. Water vapour 水汽content may vary from about 0 to
4% ozone臭氧 concentrations also vary markedly.
大气厚度约为1000km,从地面到大气上界，可垂直分为4层： ➢对流层：高度在7～12 km,温度随高度而降低，空气明显垂直对流，天气变 化频繁，航空遥感主要在该层内。上界随纬度和季节而变化。 ➢平流层：高度在12～50 km，没有对流和天气现象。底部为同温层（航空 遥感活动层），同温层以上为暖层，温度由于臭氧层对紫外线的强吸收而逐 渐升高。 ➢电离层：高度在50～1 000 km，大气中的O2、N2受紫外线照射而电离， 对遥感波段是透明的，是陆地卫星活动空间。 ➢大气外层：800～35 000 km ,空气极稀薄，对卫星基本上没有影响。
大气窗口：通过大气而较少被反射、吸收或散射的 投射率较高的电磁辐射波段。
大气窗口是选择遥感工作波段的重要依据。
常见的大气窗口：
大气窗口
波段
透射率/%
应用举例
反射光谱 0.3～1.3 μm
＞90
TM1-4、SPOT的 HRV
近红外 近-中红外 反射和发射 发射光谱
微波
1.5～1.8 μm 2.0～3.5 μm 3.5～5.5 μm
8～14 μm 0.8～2.5cm
80 80
60～70 100
TM5 TM7 NOAA的AVHRR TM6 Radarsat
2.3 大气散射
❖散射的概念：电磁波与物质相互作用后电磁波偏离原来的传 播方向的一种现象。 ❖不同于吸收作用，只改变传播方向，不能转变为内能。 ❖大气的散射是太阳辐射衰减的主要原因。 ❖对遥感图像来说，降低了传感器接收数据的质量，造成图像 模糊不清。 ❖散射主要发生在可见光区。 ❖大气发生的散射主要有三种：
真正对电磁波传播起重要吸收作用的是一些非常定的少 量气体，作用最为显著的是O3、CO2、CH4和H2O 大气中的O3主要分布在10~50Km的中层大气中，极 大值出现在20~25Km处； O3含量有明显的地域分布特 征及季节变化
大气中的CO2含量相对稳定，一般认为它不随高度而 变。对红外波段有强烈的吸收作用，以15μm波长为中 心形成了一个13~17 μm的强烈吸收带，这一特性使CO2 成为探测大气温度廓线的重要手段
dI(s)/ds=-K(I-J)
回忆第一章中提到的平面平行介质中的传输方程为：
dI I J d
因此，考虑散射源函数后，辐射传输方程可以展开为：
dI(, ) I(, ) I0e/0P(, 0)
d
4
I(, ')P(, ')d'
➢多波段中不使用蓝紫光的原因：
ห้องสมุดไป่ตู้
颜色
红 橙黄 黄
绿
青兰 紫 紫外线
波长 0.7 0.62 0.57 0.53 0.47 0.4 0.3
散射率 1 1.6 2.2 3.3 4.9 5.4 30.0
米氏散射
当微粒的直径与辐射波长差不多时的大气散射。
云、雾的粒子大小与红外线的波长接近，所以云雾对对红外 线的米氏散射不可忽视。
2.2 大气吸收与大气窗口
物质的吸收光谱实际上具有一定的宽度。描述吸收特性 需要三个物理量：谱线强度、线型及中心频率：
R(v)=s.f(v-v0)
R(v)为光谱吸收系数， s为谱线强度， f(v-v0)为线型因子， v0为中心频率
地球上接受到的太阳辐射来自太阳光球层相当于6000K 的黑体辐射，而地球自身的平均温度只有250K左右，所 以地球以长波辐射的形式向太空散发着热量。地球表面吸 收太阳短波辐射的总能量应该等于它自身长波辐射支出的 总能量。
瑞利散射：d <<λ 米氏散射：d ≈λ 非选择性散射：d >>λ
瑞利散射
当微粒的直径比辐射波长小得多时，此时的散射称为瑞利散射。
➢散射率与波长的四次方成反比，因此，瑞利散射的强度随着波 长变短而迅速增大。紫外线是红光散射的30倍，0.4微米的蓝光 是4微米红外线散射的1万倍。
➢瑞利散射对可见光的影响较大，对红外辐射的影响很小，对微 波的影响可以不计。
大气中的水汽（H2O）对可见光、红外以及微波波段都 有表征性的吸收波段，水汽密度对电磁波的吸收与发射是 大气效应纠正的重要内容，也是探测大气中水汽含量垂直 分布的基本依据
大气气溶胶是指悬浮于地球大气之中具有一定稳定性的、 沉降速度小的，尺度在10-3 μm到10μm的液态及固体粒子。 气溶胶颗粒尺度与可见光波长相当，故对光的散射作用属 于米氏散射。气溶胶大多集中在底层大气0~4Km范围之内。
In addition to these variable constituents there are also aerosols 气溶胶 and hydrometeors水颗粒 which can
vary widely in space and time.
大气的垂直结构
表述大气物理状况的物理量一般有气压、大气温度与大气湿度，他们在垂 直方向上的变化远远大于水平方向上的梯度，大气效应纠正中大多假定大 气具有水平均一、垂直分层结构。
米氏散射的特征： （1）电磁波可以穿透介质表面而深入到散射颗粒的内部。 （2）由于颗粒尺度与波长可以比拟，所以颗粒的不同部位往
往处在不同的电场强度下，导致诱发电流的产生，一方面这高 度电流会产生高变的磁场，另一方面电流的存在意味着焦耳热 损耗的出现——电磁波的吸收。
2.4 大气辐射传输方程
描述电磁辐射在散射、吸收介质中传输的基本方程: