城市气象学课件：07_3城市能见度

散射效率因子Qs
Q
s
s
πa
2
当x=6时，此时半径约 等于波长，Qs=4,最大， 即散射效率最高； 当x很大时，散射效率 和波长逐渐无关，并趋 于2，几何光学可解释。 当x很小时，瑞利散射 特征
水滴(m=1.33)散射效率随尺度数 变化
霓
强
虹
衍射,强
介质球表面的反射、折射、衍射。总衍射光等于投射到 粒子横截面上的总光通量，而与粒子的形状、性质无关。 当粒子没有吸收时，衍射光恰好占总散射光的一半。
Ch7 水分、云、雾和降雨
一、水平衡 二、湿度 三、云 四、雾 五、降水 六、能见度
六、能见度
1、吸收和散射基础 2、能见度 3、澳门能见度和PM关系 4、香港1968-2004年能见度变化分析
1、吸收和散射基础
吸收、散射、折射、反射、色散、衍射
大气对辐射吸收的物理过程
吸收，就是指投射到介质上面的辐射 能中的一部分被转变为物质本身的内能或 其它形式的能量。要用量子力学解释
Is (R, , )
I0 R2
( , )
这里 (,)称为粒子的散
射函数，
sc 4π ( , ) d
散射截面，一般来说， 散射截面和粒子真正 的几何截面并不相等。
消光截面
和散射截面相对应的还有吸收截面ab和消光截面 ex（也称削弱截面）。吸收截面反映粒子吸收的本
领，而消光截面表示粒子散射和吸收的总量，有
ka=单位体积分子吸收总辐射EaN /入射辐射E = N a
其量纲为L-1，所以也常称为距离吸收系数，
同样，有单色吸收系数ka,（或ka,）的概念。
某一波数处的吸收系数
大气的吸收带由许多紧密相连的谱线组成，而且每 条谱线不是严格的几何直线，具有一定的宽度及分 布。因此某一波数处的吸收系数，应该是所有谱线 在该处的叠加作用的总和：
吸收系数
• 单个气体分子的吸收能力可用吸收截面
a来描述。
• a：这个分子所吸收的辐射能相当于面 积a从入射辐射场中所截获的辐射能。
• 如果，E ：表示入射辐射的辐射通量密 度，则这个分子吸收的辐射能应为Ea。
• 若单位体积中吸收气体的分子数为N，则 单位体积气体吸收的总辐射能为EaN。
体积吸收系数
ks 0 s ( a,) n(a) d a
散射过程的分类
尺度数
x=2p a/
0.1<x<50
x<<1
米散射比瑞利散射更复杂
球形气溶胶粒子对0.5m光的散射
a=10-4 m
a=0.1 m
a=1 m
(1) 瑞利散射(分子散射 x<<1时即a << 时)
散射削弱系数为：
ks,
8π
3
( mr2 1) 3N
大气气溶胶的散射削弱系数
实际大气中 n(r) 的变化很大
ks, C b
对分子散射，取 b = 4 。对大颗粒的散射，b < 4 ，其数值 根据大气气溶胶或云滴半径而变。
(3)几何光学 (x >50 时即a >> 时的散射 )
服从几何光学规律
独立散射
在一般情况下，要研究的是某一体积内 众多粒子共同的散射。当粒子间的距离 比几个半径（例如3倍半径）还大时， 可以认为各粒子的散射是互相独立的， 即每个粒子的散射和周围的粒子无关， 称为独立散射。当独立散射的条件满足 时，某一体积内所有粒子的总散射等于 各个粒子散射的总和。
射光谱中入射光波长两边还可以观察到对称的弱谱线，即散射 光中还包含有和入射光频率不同的光。这种频率的改变是由于 入射光频率与分子的固有频率联合而引起的，故称为联合散射 （或喇曼散射）。利用这种现象可以测量大气中各种气体的含 量。
散射削弱系数
散射截面s ：这个分子所散射的辐射能相当 于面积s从入射辐射场中截获的辐射能。
ex sc ab
大气消光系数的测量
大气消光系数是散射系数和吸收系数之和， 其中每一项还可以区分为分子和气溶胶的作 用。一般认为在可见光和近红外波段，空气 分子的消光系数易从计算得到，故测量的重 点常常是气溶胶的散射和吸收。
测量大气消光系数最基本的方法是：
I I0 exp[ 0R kex d l]
ka, ka,,i
散射
电磁辐射在遇到大 气中的气体分子以 及悬浮的尘埃、云 滴、雨滴和冰粒、 雪花等粒子时，会 产生散射现象。
多次散射
散射现象的理解
分子、粒子内含多个分立的电子和质子，当电磁波照 射到粒子后，正负电荷中心产生偏移而构成电偶极子 或多极子，在电磁波激发下作受迫振动，向各方向发 射次生电磁波，就是散射辐射，其波长和原始波相同， 并且与原始波有固定的位相关系。散射可以用经典麦 克斯韦电磁波理论求解 。若入射光是严格的单色光，在散
I I0
exp[kex
R]
kex
1 R
ln(
I I0
)Hale Waihona Puke Baidu
对均匀大气
2、能见度问题
实践中常常遇到透过大气来看目标物能否看得 清晰，以及到底隔多远还可以把目标物从它的 背景上分辨出来问题。这里所说的“看”是广 义的，可以是用眼睛直接看或通过仪器看，也 可以是摄影或其它成象系统。和这类问题发生 关系的实践活动有航空、航海、陆上交通、高 空摄影和天文观测等等。由于这一问题纯粹是 大气中颗粒物对光散射所造成的，因此在大气 环境问题中也受到广泛的关注。
ks=单位体积分子吸收EsN /入射辐射E = N s
N
ks s,i i 1
s的量纲为L2，常用cm2，而ks的
量纲则为L1，，常用cm-1、m-1或 km-1。
若粒子尺度不均匀，则要考虑粒子谱分布： 对于不同大小的气溶胶散射粒子，如r为粒 子半径，n(a)da表示单位体积中半径为a到 a+da范围中的粒子数，则散射削弱系数为：
大气分子吸收光谱的形成
单个分子内含的能量，
E =Ee+Ev+Er
Ee ：电子围绕原子核运动的能量； Ev ：原子在其分子平均位置周围的振动； Er ：分子绕其质量中心转动的能量。 而且，都是量子化的。
电子跃迁：玻尔模型
氢光谱研究
Ek E j hf
另外还有：
振动跃迁、转动跃迁、振动和 转动跃迁。都是量子化的。
2
1
4
C 4
mr是介质折射率 ，N是单位体积散射质点数目。
对于空气分子，在标准情况下，
ks,0, 1.0563106 4
ks,
ks, 0,
0
在空气密度为 的空气中
天色：蓝色
天色：红色
天色：白色
天色：黑色
没有大气，没有散 射，天空黑色，太
阳白色
(2) 米散射 (大颗粒散射，0.1< x < 50即a ~ 时 )