第三章 单次散射理论.ppt

Chapter 3Approximate model of the single scattering ?3.1 单次散射近似方法 一、两个假设： 1. 独立散射 散射粒子之间的距离足够大，其散射图象不受其它粒子的影响。（假定） 通常认为，粒子间的距离三倍于粒子直径，对独立散射的假设就足够了。对于大气中的气体分子之间的距离以及大气中气溶胶粒子之间的距离来说，都大大超过了三倍粒子直径。因此，对大气光传播问题而言，独立散射假设总是适用的。 2.散射强度非相干叠加相加 尽管我们作了独立散射的假设，但各散射光之间的干涉效应仍然是可能的。只是它们之间没有系统的相位关系。从平均的意义上，可以不计及相位，而将散射强度直接相加。 散射过程 图1 二、单次散射 二次以上的散射光的影响可以忽略的粒子散射。单散射近似的数学处理较为简单，在工程设计中得到了广泛的应用。 三、单次散射的基本公式 在大气环境的特定情况下，通常所处理的粒子如雾滴、气体分子等，都可以看作为球形粒子而不会有什么误差。这些粒子的半径显然会呈现一定的自小到大的分布状态，分布状态还会随着Z 坐标的变化而不同。我们把粒子数值密度随半径的分布记作n(a)。显然 再用消光效率因子Q代替消光截面C，我们就可以把消光系数写作： ?3.2 能见度和能见距离visible distance 该光强在观察平面产生的照度，依照单散射近似条件，可以写作： 在R处一个黑色目标的亮度，将上式从0积分到R： Visible distance ?3.3 大气中的微粒散射 霾：当对大气能见度造成影响时的气溶胶称谓。 爱根（Aitken）核：直径小于0.2?m的气溶胶质粒。爱根核对光传播的影响是可以忽略的。 对光传播影响最大的是直径从0.1 到10 ?m的“大”粒子。 气溶胶质粒的浓度分布 当粒径大于0.2?m时，通常用幂次方分布来描述气溶胶质粒粒径的分布典型分布函数 气溶胶的消光 Scattering coefficient ?3.2.2 水汽凝集物 水汽凝集物:指大气中以固态或液态形式存在的水粒子，包含：雾、云、雨、雪、雹、海水溅沫等 大小：一般，半径为1?m或更大。 形成：当大气中水汽含量达到过饱和状态时，水汽就有可能在气溶胶质粒上凝聚成水滴或冰晶，这种凝聚过程有时在水汽接近饱和时就开始发生。 水汽凝集物（1)--雾、霭 雾的基本描述参数 雾滴的粒子谱密度是雾生成时间的函数 最初的十几分钟内，可看成是幂分布, 图4 稳定状态，最流行的看法，雾滴谱呈现为修正G函数： 雾的基本描述参数（续） 液态水含量lw 能见距离与液态水含量的关系：（效率因子Q取作2） 消光系数与液态水含量的关系 3.3 气体分子对传播的影响 3.3.2 Molecular Absorption and Atmospheric windows 谱线加宽机制： 近地面时是压力加宽（Lorentzian line），主要由于低层大气，压力较大，分子碰撞几率高引起。 高空时为Doppler加宽，主要由分子的热运动决定。 具有混合多普勒-洛伦兹线型的单线吸收 称为 Vigit lineshape。 Statistical model（Goody model） 吸收线型一致，但强度和位置都是随机分布的。假设谱线的位置和强度可以用一种几率函数来表示。 适用：水蒸气的吸收带，因为它吸收光谱线是无规则的。 Random model 假设谱带中有几种Elssaser模型的谱带，而这几种谱带有不同的强度、不同的宽度、不同的光谱间隔，并且这几种谱带是无规则的叠加在一起的。这样，比较接近真实的光谱结构。 适用：2.7?m的谱带。 原因：在 2.7?m处既有比较规则的C2O吸收带，又有无规则的(H2O)吸收带。 Quasi Random model 是最精确的，因而也是最复杂的带模型。实际谱线既不像Elssaser模型那样规则，也不象统计模型（Goody模型）那样任意。 特点：这种模型可以产生与实际较为接近的吸收，但是计算工作量大。 处理方法：如下 处理方法 A 首先针对光谱间隔?v分为若干个宽度为?的小间隔，再取一个包括几个小间隔的区段?； B 计算各?小间隔内的吸收率； C 求区段?内的平均吸收率； D 将此区段?的位置移动?/2，重复上面的计算，一直进行到将?v都包含在内 E 把全部区段的吸收率平均，即得到最终的吸收率。 适用范围：波长范围宽、压强变化较大 谱 带 吸 收 模 型的局限性 (1)每种带模型只是实际谱线强度及其分布的一种模拟，而不同吸收气体又有不同的谱线结构。因此，一种带模型可用于一种气体而不适用于另一种气体。 (2) 都是采用较简单的洛伦兹线型函数。 （高度小于50km是可以使用的） (3