第一章：大气遥感..ppt

地理数学方法 中科院研究生院资环学院 主要参考书目： 《大气辐射导论》第2版，[美]K.N.Liou（廖国男）著，气象出版社，2004年 《大气辐射导论》第1版，[美]K.N.Liou著，气象出版社，1985年 《大气辐射学》，刘长盛 刘文保著，南大出版，1990 《大气辐射学讲义》石广玉编，中国科学院研究生院讲义，北京，2001。 《大气辐射传输实用算法》吴北婴，气象出版社，1998 考核方式： 1、平时成绩30%：课堂出勤、作业、实验 2、期末考试70%（闭卷） 大气遥感 学科定义： 大气遥感 remote sensing of atmosphere atmospheric remote sensing 仪器不直接同某处大气接触，在一定距离以外测定某处大气的成分、运动状态和气象要素值的探测方法和技术。气象雷达和气象卫星等都属于大气遥感的范畴。 大气遥感不单单研究大气的物理化学等特征，还包括地表特性的相关内容。 大气辐射 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。大气辐射学是大气遥感、天气学、气候学、动力气象学、应用气象学、大气化学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。 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?（1?＝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。 立体角 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] 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f0 ，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