由卫星资料估算晴空大气太阳直接辐射和散射辐射精选.doc

 A C TA M E T EO ROL O G ICA S IN ICA 2000年8月 A ug. , 2000 Ξ 辐射和散射辐射 陈渭民 边 多 ( 南京气象学院, 南京, 210044) ( 西藏自治区气象局, 拉萨, 850000) 郁 凡 ( 南京大学大气科学系, 南京, 210093) 要 根据光的多次散射理论, 对水汽、气溶胶、臭氧、混合气体等实行辐射参数化处理; 利用中 国探空站资料和诺阿 (N OA A ) 气象卫星垂直业务探测器 (TOV S) 资料反演的探空资料, 由离 散纵标法计算了大气各高度上的太阳直接辐射和散射辐射, 并与此同时的和同站点位置的卫 星可见光、红外测值进行统计回归拟合, 建立卫星测值与大气中太阳直接辐射和散射辐射的计 算模式, 据此可以利用卫星资料估算太阳直接辐射和太阳散射辐射, 这对于大气环境光学特性 和大气环流、气候变化的研究有重要意义。 : 卫星测值, 晴空大气, 太阳直接辐射, 太阳散射辐射。 引 言 1 太阳辐射是地球 2大气系统能量的主要源泉, 它推动大气环流, 在全球气候变化研究 中起重要作用。对太阳辐射的观测和理论计算的研究分析, 有助于加深理解全球气候系统 (海洋、陆地、冰雪层和大气) 的能量平衡和辐射收支。但是对太阳辐射的常规观测至今还 局限于地面, 即使如此, 地面辐射观测站如此之少, 难以得到太阳辐射的时空分布。对此近 几十年来, 国外学者发展了计算大气中太阳直接辐射和散射辐射的二流近似、离散纵标法 等理论方法1 ～ 4 , 但是这些理论计算所需要的各种参数受常规气象观测的限制, 得出的太 阳辐射分布在时空上是不连续的。随空间技术的发展, 气象卫星以多个波段测量地球 2大 气系统反射的太阳辐射和其自身发射的红外辐射, 由卫星资料已能反演得到大气中的云、 温度、湿度和气溶胶等多种气象参数的方法, 进而为计算太阳直接辐射和散射辐射提供了 有利条件, 为研究大气环境光学特性有重要意义。近年来, 国内外的学者运用卫星资料反 演太阳辐射的工作还限于地面5 ～ 10 , 但对大气各高度上太阳直接辐射和散射辐射的研究 工作还是空白。本工作的目的就是建立卫星测值与太阳直接辐射和散射辐射的理论关系, 提出一个用卫星资料反演大气中太阳直接辐射和散射辐射方法。考虑到大气的各高度上 没有太阳直接辐射和散射辐射的观测资料可用, 故本工作先利用收集到的无线电探空资 料、N OA A 卫星的 TOV S 资料, 根据离散纵标法计算各高度上太阳直接辐射和太阳散射 辐射。然后将此与卫星的可见光和红外测值进行统计拟合, 从而得到卫星估算太阳直接辐 Ξ 初稿时间: 1998 年 5 月 29 日; 修改稿时间: 1998 年 8 月 3 日。 资助课题: 由卫星资料计算太阳辐射理论模式的研究。 射和散射辐射的统计估计模式。 1 基本原理 111 对于平面平行分层大气中的辐射传输方程式写为 Λ d I v (Σv , Λ, Υ) = I v ( v Σ , Λ, Υ) - J v (Σ , Λ, Υ) (1) v dΣv 式中 I v (Σv , Λ, Υ) 为光学厚度 Σv、频率 v、方向 Λ = co sΗ、Υ上的辐射强度, Η为天顶角; J v (Σv , Λ, Υ) 是源函数, 写为 ～ Ξv (Σv ) 2Π 1 J v (Σv , Λ, Υ) = 4Π ∫0 dΥ∫′ 1 d Λ′P v (Σv , Λ, Υ; Λ′, Υ′) I v (Σv , Λ′, Υ′) + Q (Σv , Λ, Υ) (2) - ～ 式中 Ξv (Σv ) 是单次反照率, P v (Σv , Λ, Υ; Λ′, Υ′) 是相函数; Λ′= co sΗ, Υ′是入射至 Σv 处 I v (Σv , Λ′, Υ′) 的辐射方向, 即是 I v (Σv , Λ′, Υ′) 是来自 Λ′, Υ′方向, 入射至 Σv 处的散射辐射; Q (Σv , Λ, Υ) 是太阳一次散射辐射与大气热辐射之和, 写为 Q the rm a l Q beam Q (Σv , Λ, Υ) = v Σv ( ) + v Σv , Λ, Υ ( ) ( ) 3 式中 Q the rm a l v 为大气热辐射, 写为 ～ Q the rm a l v (Σv ) = Ξv (Σv ) B v T (Σv ) (4) 1 - ～ T (Σv ) 是黑体辐射, Ξv (Σv ) 为大气吸收率, 而大气对太阳辐射的一次散射 其中 B v 辐射为 1 - ～ Ξv ( Σv ) Σv ) Q beam v (Σv , Λ, Υ) v = I 0v P (Σv