大气辐射传输理论
引言
学科定义：
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。大气辐射学是天气学、气候学、动力气象学、应用气象学、大气化学和大气遥感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。
学习、研究的意义
辐射是地气系统与宇宙空间能量交换的唯一方式
数值天气预报中需要定量化考察大气辐射过程
辐射传输规律是大气遥感的理论基础
气候问题——辐射强迫
近年来人类活动造成的地球大气气候变迁成为大气科学研究热点，其原因也在于人类活动所排放的某些物质会改变地球大气中的辐射过程所致。
大气辐射学主要研究内容：
一、地-气系统辐射传输的基本物理过程和规律，包括
1、太阳的辐射(97%E在0.3～3μm波段内，λ m=0.5μm附近)；
2、地-气系统辐射(绝大部分E在4～80μm波段内，λ m=10μm附近)；
3、不同地表状态云、气溶胶、水汽、臭氧、二氧化碳等对辐射传输的影响。
二、大气辐射学还要研究辐射传输方程的求解。
辐射传输方程：是描述辐射传播通过介质时与介质发生相互作用(吸收、散射、发射等)而使辐射能按一定规律传输的方程，在地球大气条件下，求解非常复杂，只能在一些假定下求得解析解，因此辐射传输方程的求解，一直是大气辐射学研究的重要内容。
三、另外，对辐射与天气、气候关系的研究也是大气辐射学的重要内容，它是从地-气系统辐射收支的角度，来研究天气和气候的形成以及气候变迁问题的。
相关内容：
许多复杂的物理动力气候学问题中，涉及到海洋、极冰、陆地表面的辐射和热状况，大气中的云、气溶胶、二氧化碳等因子在辐射过程中对气候所造成的影响，以及这些过程和大气辐射过程之间复杂的相互作用和反馈关系。
第一章用于大气辐射的基本知识
第一节辐射的基本概念
太阳辐射和地球大气辐射虽具有不同的特性，其本质是相同的，它们都是电磁辐射。电磁辐射是以波动和粒子形式表现出的一种能量传送形式。
1.1.1电磁波及其特性
一、波：波是振动在空间的传播。有横波和纵波的形式之分。
二、机械波：机械振动在媒质中的传播，如声波、水波和地震波。
三、电磁波（ElectroMagnetic Spectrum）：变化电场和变化磁场在空间的传播。
四、电磁辐射: 电磁能量的传递过程（包括辐射、吸收、反射和投射）称为电磁辐射。
五、电磁波的特性：
1、电磁波是横波
2、在真空中以光速传播
3、电磁波具有波粒二相性：
波动性：表现在电磁辐射以波动方式在大气中传播，并发生反射、折射、衍射和偏振等效应。也就是说电
磁波是以波动的形式在空间传播，因此具有波动性。
粒子性：电磁波是由密集的光电子微粒组成的，电磁辐射的实质是光子微粒的有规律的运动。电磁波的粒子性使得电磁辐射的能量具有统计性。表现在电磁辐射过程、吸收过程发生的气体辐射谱线和吸收谱线、光电效应等。
波粒二相性的程度与电磁波的波长有关：波长越短，辐射的粒子性越明显；波长越长，辐射的波动性越明显。这种双重特性实际正是电磁辐射本质在不同方面的表现。
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 。 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] 常用辐射量 辐射能E
能量:焦耳、热力学卡（1k=4.1840J ） 辐射通量（发光度）f （辐射功率W ） 单位时间内通过任意表面的辐射能量，单位为J/s ，即W
辐射通量密度F
单位时间通过单位面积的辐射能量，单位为W/m2。设面元为dA ： 表示面元接受的F 时，又称辐照度（irradiance ）
表示从物体表面发射出的F ，又称辐出度、辐射度、辐射能力（emittance ）。 辐射强度I （又称辐亮度，辐射率）
单位立体角、单位时间、单位面积所通过的辐射能量，单位为W/m2sr 。
()()
sin d rd r d σθθφ=2
sin d d d d r σθθφΩ==dE
f dt
=
如面元法向与辐射方向成θ角，则上式为：
辐射率是指源或接收面上的点的辐射能力，应注意的是，它的定义在平行光束情形由于需要除以零立体角而不再适用。
符号Quantity 辐射量
量纲
单位'
E f
F I
Energy 强度能量
Flux (发光度)通量Flux density (辐照度or 辐出度)(辐亮度，辐射率)
ML T T 2-2
ML 2
-3
MT -3M T -3
焦耳(W m sr )
(J)
Joule per second (J sec -1, W)
Joule per second per square meter -2)
Joule per second per square meter per steradian (W m -2
-l
单色辐射术语的引用：
在讨论限制在一个指定的无穷小的波长λ、频率 或波数n 间隔上的单色辐射时，各辐射量都有它对应的量，这些量是光谱量，在符号上分别用下标λ、 和n 来标注，如f λ F λ I λ 。 单色与谱段积分辐射量
辐射通量密度与辐射强度的关系
辐射强度与方向无关称为各向同性，如太阳、陆地表面，又称：余弦辐射体或朗伯体光源。平静的水面因有反射不能当做朗伯面处理。
在极坐标系中，对各向同性辐射，其单色辐射通量密度与单色辐射强度的关系为： （习题1：证明此关系式） 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f 0 ，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常数，即在任何位置上设置一个和辐射传输方向相垂直的平面，通过这平面的辐射通量密度都应当是一个常数。
面辐射源：面辐射源的特点是其辐射的方向可以是不同的，它可以向2π立体角中发射辐射能。我们大部
21Q Q d λλλλ
=?F I
π=
分讨论的是水平均一或球面均匀的大气。
第二节 黑体辐射定律
1.2.1 吸收率、反射率和透射率 定义：
? 吸收率A = E a / E 0，
? 反射率R = E r / E 0， A ＋R ＋ τ＝1 ? 透射率τ = E t / E 0。
? 当物体不透明时，τ = 0, 则有A + R = 1。吸收率、反射率、透射率的概念可用于各种波长的条件 。
单色吸收率、反射率和透射率，分别记为A λ R λ τ λ
? 各种物体对不同波长的辐射具有不同的吸收率与放射率，构成了该物体的吸收光谱或辐射光谱。 黑体和灰体
绝对黑体：对所有波长的辐射吸收率均为1 单色黑体;对某一波长的辐射吸收率为1 注意：黑体与黑色物体是有区别的！
灰体 吸收率<1的常数，不随波长而变
选择性辐射体：吸收率小于1，且随波长而变化。 辐射平衡
当物体放射出的辐射能恰好等于吸收的辐射能，称该物体处于辐射平衡。这时物体处于热平衡态，因而可以用一态函数，温度来描述它。热力学定律可用来研究辐射平衡态时物体吸收和发射的规律:基尔霍夫定律和有关黑体热辐射的三个定律。
1.2.2四个定律
（1）普朗克Planck Law (1901)
1901年Planck 提出量子化辐射的假设，对于绝对黑体物质，单色辐射通量密度与发射物质的温度和辐射波长或频率的关系。
从理论上得出，与实验精确符合 Planck 函数：
第一辐射常数 C1：
第二辐射常数 C2：
光速 c = 3.0?108 m s-1， 普朗克常数 h = 6.6262?10-34 J s -1， 波尔兹曼常数 k =1.3806?10-23 JK-1。
由普朗克定律可以得出各种温度下绝对黑体的辐射光谱曲线。 黑体辐射与物质组成无关
1、任何温度的绝对黑体都放射波长 0 ~无穷 mm 的辐射，但温度不同，辐射能量集中的波段不同。
2、温度越高，各波段放射的能量均加大。积分辐射能力也随温度升高而迅速加大。但能量集中的波段则向短波方向移动。（例：铁）
3、每一温度下，都有辐射最强的波长l max ，即光谱曲线有一极大值，而且随温度升高，l max 变小。
2
52exp 1T hc B hc kT λπλλ=????- ???????
（2）斯蒂芬－玻耳兹曼定律 Stefan-Boltzmann
普朗克定律提出之前，1879年Stefan 从实验得出，后经Boltzmann 于1884年从热力学理论上予以证明。即黑体总辐射通量随温度的增加而迅速增加，它与绝对温度的四次方成正比。因此，温度的微小变化，就会引起辐射通量密度很大的变化。 Stefan-Boltzmann 常数
是红外装置测定温度的理论基础。 =5.66961*10-8Wm -2K -4
（3）维恩Wien 位移定律
1893年维恩从热力学理论推导出：黑体辐射最大强度的波长与它的温度成反比。同样将planck 函数对波长微分，可得：
黑体温度越高，l max 愈小。即：随着温度的升高，辐射最大值对应的峰值波长向短波方向移动。
（4） 基尔霍夫kirchhoff 定律
1859年提出，于1882年由热力学定律论证
在辐射平衡条件下，任何物体的单色辐射通量密度F λT 与吸收系数A λT 成正比关系，二者比值只是波长和温度的函数，与物体性质无关，比值大小等于Planck 函数的通量密度形式
T T T
F
B A λλλ=A
=ε
基尔霍夫kirchhoff 定律的意义：
1、不仅将物体的辐射能力与其吸收率联系起来，同时又将物体的辐射能力与黑体的辐射能力联系在一起。可以将有关黑体的结果应用于非黑体，就给讨论物体辐射的发射和吸收带来很大方便。
2、该定律要求热力学平衡条件，所以要求达到均一的温度分布和各向同性辐射。显然，地球大气的辐射场就整体而言不是各向同性的，他的温度也不均一。但是对大约60～70km 以下的局部空间而言，可以作较好的近似。所以只有在局域热力学平衡的意义上，基尔霍夫定律才适用于大气。
[习题2] 若黑体积分辐射能力F B = 7.250?104 W m -2, 计算该黑体的温度以及辐射最强的波长。 =5.66961*10-8Wm -2K -4
第四节 辐射传输引论 散射、吸收、发射
散射(scattering):物体通过该过程从入射辐射中连续地提取能量，再将其向各方向重新辐射出去 Rayleigh 散射、和Mie 散射；单次、二次和多次散射
吸收 (absorption):辐射能量被吸收后被转换为其它形式的能量 消光 (extinction = attenuation):散射+吸收 发射 (emission) 辐射传输方程
辐射强度I 在大气中传播，通过ds 的距离后变为I+dI ，dI 由以下两方面原因产生：dI ＝dI1＋dI2 1、吸收和散射作用?辐射能衰减
ρ是传输介质的密度，k 称为单色辐射的质量消光系数，是质量吸收和质量散射系数之和.(cm2*g-1)
截面（cross section ）σ
表示粒子从初始光束中移除的能量大小 面积： [L2] cm2
相对质量： [L2M-1] cm2g-1 ? 质量消光截面 k 红外传输中，质量吸收截面 ? 吸收系数 … （体积）消光系数 β ： [L-1] cm-1
消光截面σ(cm2 )×数密度N(cm-3 )或 质量消光截面k ×密度ρ 2、因物质发射的同波长辐射和多次散射而增强 定义源函数系数j （质量发射系数W.g-1.cm.sr-1） 综合上述两方面作用：
定义源函数
1dI k Ids
ρ=
-2
dI j ds
ρ=12dI dI dI k Ids j ds
ρρ=+=-+/J j k
≡
普遍的辐射传输方程，讨论任何辐射传输过程的基础 Beer-Bouguer-Lambert Law
辐射传输最简单的情形：忽略散射和发射的贡献，此时k 只代表质量吸收系数。则从s=0积分到s=s1可得
假定传输介质均匀（如薄层近似），则k 不依赖于距离s ，因此定义光学路径长度（path length ）或光学质量（optical mass ），量纲为[ML-2]
这就是著名的Beer-Bouguer-Lambert Law 。表示通过均匀吸收介质传播的辐射按简单的指数函数减弱，该指数函数的自变量是质量吸收截面和光学质量的乘积 单色透过率T （transmissivity ）
对于无散射介质，单色吸收率为
对于有散射作用的介质，定义单色反射率R 为反射强度与入射强度之比
Planck 函数给出
该方程称为Schwarzschild 方程
右边第一项表示由于物体的黑体发射造成的辐射增强 右边第二项表示由于吸收造成的辐射减弱。 求解
定义点s 和s1之间介质的单色光学厚度（optical depth = optical thickness = optical path ）
()
11
()(0)exp s I s I k ds
ρ=-?10
s u ds
ρ=?1()(0)ku I s I e
-=1()/(0)ku T I s I e
-==1ku A T e
-=-=-1
T A R ++=
τ的不同表示 τ的求和
Schwarzschild （施瓦兹希尔德）方程
平面平行大气中的传输方程
在大气科学问题的讨论中，常常假定大气是水平均匀的，称为平面平行大气或平面分层大气。 这时，所考虑的面是水平面。其法线方向或者指向上，或者指向下。如果不特别说明，把指向上的取为正，指向下的取为负。
1
1(
,)'
s s s s k ds τ
ρ
=?
1
11(,0)(,)1
0()(0)[()]s s s s I s I e
B T s e
k ds
ττρ--=+?
F +
-
(;,)cos (;,)(;,)
dI z I z J z k ds θφθθφθφρ=-+'
z
k dz τρ∞
=?(;,)(;,)(;,)
dI I J d τμφμ
τ
μφ
τμ
φ
τ
=-
出通量密度的表达式。提示：利用方程
[转载]大气辐射传输模型 已有 968 次阅读2010-11-6 14:31|个人分类:未分类|系统分类:科普集锦|关键词:辐射传输 转自https://www.doczj.com/doc/69864819.html,/s/blog_4b700c4c0100jgl7.html 相对辐射校正和绝对辐射校正 基于物理模型的绝对辐射校是利用一系列参数(例如，卫星过境时的地物反射率，大气的能见度，太阳天顶角和卫星传感器的标定参数等)将遥感图像进行校正的方法。仪器引起的误差畸变一般在数据生产过程中由生产单位根据传感器参数进行了校正。对于用户来所，绝对辐射校正的方法主要是辐射传输模型法，该方法校正精度较高，它是利用电磁波在大气中的辐射传输原理建立起来的模型对遥感图像进行大气校正的方法。由于有不同的不同的假设条件和适用的范围，因此产生很多可选择的大气较正模型，例如 6S模型、LOWTRAN模型、MODTRAN模型、ATCOR模型等。 基于统计模型的相对辐射校正,主要包括不变目标法、黑暗像元法与直方图匹配法等等。不变目标法假定图像上存在具有较稳定反射辐射特性的像元，并且可确定这些像元的地理意义，那么就称这些像元为不变目标，这些不变目标在不同时相的遥感图像上的反射率将存在一种线性关系。当确定了不变目标以及它们在不同时相遥感图像中反射率的这种线性关系，就可以对遥感图像进行大气校正。黑暗像元法的基本原理就是在假定待校正的遥感图像上存在黑暗像元区域、地表朗伯面反射、大气性质均一，忽略大气多次散射辐照作用和邻近像元漫反射作用的前提下，反射率很小的黑暗像元由于大气的影响，而使得这些像元的反射率相对增加，可以认为这部分增加的反射率是由于大气程辐射的影响产生的。利用黑暗像元值计算出程辐射，并代入适当的大气校正模型，获得相应的参数后，通过计算就得到了地物真实的反射率。直方图匹配法是指如果确定某个没有受到大气影响的区域和受到大气影响的区域的反射率是相同的，并且可以确定出不受影响的区域，就可以利用它的直方图对受影响地区的直方图进行匹配处理。此外，还有很多基于统计模型的方法，如有人提出利用小波变换的遥感图像相对辐射校正方法。该方法对源图像小波变换域的低频成分实施辐射变换,并保持高频成分不变,重构的图像具有保持高频信息的特性,因而能够较好地保留原图像中由于地物变化引起的辐射差异；也有人利用主成分分析法把遥感图像中有用的信息和大气影响噪音区分开来。 大气辐射传输模型6S 1986年，法国Université des Sciences et Technologies de Lille（里尔科技大学）大气光学实验室Tanré等人为了简化大气辐射传输方程，开发了太阳光谱波段卫星信号模拟程序5S（SIMULATION OF THE SATELLITE SIGNAL IN THE SOLAR SPECTRUM），用来模拟地气系统中太阳辐射的传输过程并计算卫星入瞳处辐射亮度。1997年，Eric Vemote对5S进行了改进，发展到6S（SECOND SIMULATION OF THE SATELLITE SIGNAL IN THE SOLAR SPECTRUM）,6S吸收了最新的散射计算方法，使太阳光谱波段的散射计算精度比5S有所提高。 这种模式是在假定无云大气的情况下，考虑了水汽、CO2、O3和O2的吸收、分子和气溶胶的散射以及非均一地面和双向反射率的问题。6S是对5S的改进，光谱积分的步长从5nm 改进到2.5nm，同5S 相比，它可以模拟机载观测、设置目标高程、解释BRDF作用和临近效应，增加了两种吸收气体的计
遥感辐射传输模型 姓名：张超 学院：地球科学与环境工程学院 专业：遥感科学与技术 班级：遥感一班 提交时间：2015年5月10日 大气订正是遥感技术的重要组成部分，主要包括大气参数估计和地表反射率反演两个方面。如果获得了大气特性参数，进行大气订正就变得相对容易，但是
获得准确的大气特性参数通常比较困难。通常有两类方法用辐射传输方程计算大气订正函数：一种是直接的方法，对于大气透过率函数和反射率函数，通过对模型的积分来得到；另一种是间接的方法，他不是直接计算所需要的大气订正函数，而是通过辐射传输模型输出的表观反射率，结合模型输入的参数来求解。大气订正方法有很多，比如：基于图像特征的相对订正法、基于地面线形回归模型法、大气辐射传输模型法和复合模型法等。它是利用电磁波在大气中的 辐射传输原理建立起来的模型对遥感图像进行大气订正的方法。 其中，大气辐射传输模型(Atmospheric Radiative Transfer Model)法是较常用的大气订正方法，它用于模拟大气与地表信息之间耦合作用的结果，其过程可以描述为地表光谱信息与大气耦合以后，在遥感器上所获得的信息，其中考虑了光子与大气相互作用机理，物理意义明确，具有很高的反演精度。 大气辐射传输原理 电磁辐射在介质中传输时，通常因其与物质的相互作用而减弱。辐射强度的减弱主要是由物质对辐射的吸收和物质散射所造成的，有时也会因相同波长上物质的发射以及多次散射而增强，多次散射使所有其它方向的一部分辐射进入所研究的辐射方向。当电磁辐射为太阳辐射，而且忽略多次散射产生的漫射辐射时，光谱辐射强度的变化规律可以表述为[1] （1）式中，IΛ是辐射强度， s是辐射通过物质的厚度，ρ是物质密度,KΛ表示对波长λ辐射的质量消光截面。令在s=0 处的入射强度为Iλ（0），则在经过一定距离s1后，其出射强度可由式(1)积分得到 （2）假定介质是均匀的，则kλ与距离s无关，因此定义路径长度 （3）则式(2)可表示为 （4）上式就是比尔定律，也称朗伯定律。它指出，通过均匀消光介质传输的辐射强度按简单的指数函数减 弱，该指数函数的自变量是质量消光截面和路径长度的乘积。它不仅适用于强度
大气辐射传输理论 引言 学科定义： 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。大气辐射学是天气学、气候学、动力气象学、应用气象学、大气化学和大气遥感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。 学习、研究的意义 辐射是地气系统与宇宙空间能量交换的唯一方式 数值天气预报中需要定量化考察大气辐射过程 辐射传输规律是大气遥感的理论基础 气候问题——辐射强迫 近年来人类活动造成的地球大气气候变迁成为大气科学研究热点，其原因也在于人类活动所排放的某些物质会改变地球大气中的辐射过程所致。 大气辐射学主要研究内容： 一、地-气系统辐射传输的基本物理过程和规律，包括 1、太阳的辐射(97%E在0.3～3μm波段内，λ m=0.5μm附近)； 2、地-气系统辐射(绝大部分E在4～80μm波段内，λ m=10μm附近)； 3、不同地表状态云、气溶胶、水汽、臭氧、二氧化碳等对辐射传输的影响。 二、大气辐射学还要研究辐射传输方程的求解。 辐射传输方程：是描述辐射传播通过介质时与介质发生相互作用(吸收、散射、发射等)而使辐射能按一定规律传输的方程，在地球大气条件下，求解非常复杂，只能在一些假定下求得解析解，因此辐射传输方程的求解，一直是大气辐射学研究的重要内容。 三、另外，对辐射与天气、气候关系的研究也是大气辐射学的重要内容，它是从地-气系统辐射收支的角度，来研究天气和气候的形成以及气候变迁问题的。 相关内容： 许多复杂的物理动力气候学问题中，涉及到海洋、极冰、陆地表面的辐射和热状况，大气中的云、气溶胶、二氧化碳等因子在辐射过程中对气候所造成的影响，以及这些过程和大气辐射过程之间复杂的相互作用和反馈关系。 第一章用于大气辐射的基本知识 第一节辐射的基本概念 太阳辐射和地球大气辐射虽具有不同的特性，其本质是相同的，它们都是电磁辐射。电磁辐射是以波动和粒子形式表现出的一种能量传送形式。 1.1.1电磁波及其特性 一、波：波是振动在空间的传播。有横波和纵波的形式之分。 二、机械波：机械振动在媒质中的传播，如声波、水波和地震波。 三、电磁波（ElectroMagnetic Spectrum）：变化电场和变化磁场在空间的传播。 四、电磁辐射: 电磁能量的传递过程（包括辐射、吸收、反射和投射）称为电磁辐射。 五、电磁波的特性： 1、电磁波是横波 2、在真空中以光速传播 3、电磁波具有波粒二相性： 波动性：表现在电磁辐射以波动方式在大气中传播，并发生反射、折射、衍射和偏振等效应。也就是说电
在遥感的实际应用中，常用很多简化的手段，如假设地面为朗伯面，排除云的存在，采用有关标准大气模式及大气气溶胶模式等，一次产生了许多不同类型的大气辐射传输模型，主要分为两类， 1）采用大气的光学参数 2）直接采用大气物理参数如lowtran、modtran等大气辐射近似计算模型，而且还增加了多次散射计算 1. 5s模型 该模型的代码模拟计算海平面上的均匀朗伯体目标的反射率，并假定大气吸收作用与散射作用可以耦合，就像吸收粒子位于散射层的上面一样，则大气上层测 量的目标反射率可以表示为， 海平面处朗伯体的反射率 大气透过率 分子、气溶胶层的内在反射率 有太阳到地表再到传感器的大气透过率 S为大气的反射率 大气传输辐射校正模型－3 modtran 该模型是由美国空军地球物理实验室研制的大气辐射模拟计算程序，在遥感领域被广泛应用于图像的大气校正。
lowtran7是一个光谱分辨率20cm－1，的大气辐射传输实用软件，它提供了6种参考大气模式的温度、气压、密度的垂直廓线，水汽、臭氧、甲烷、一氧化碳、一氧化二氮的混合比垂直廓线，其他13种微量气体的垂直廓线，城乡大气气溶胶、雾、沙尘、火山喷发物、云、雨的廓线，辐射参量（如消光系数、吸收系数、非对称因子的光谱分布），以及地外太阳光谱。 lowtran7可以根据用户的需要，设置水平、倾斜、及垂直路径，地对空、空对地等各种探测几何形式，适用对象广泛。lowtran7的基本算法包括透过率计算方法，多次散射处理和几何路径计算。 1）多次散射处理 lowtran 采用改进的累加法，自海平面开始向上直至大气的上界，全面考虑整层大气和地表、云层的反射贡献，逐层确定大气分层每一界面上的综合透过率、吸收率、反射率和辐射通量。再用得到的通量计算散射源函数，用二流近似解求辐射传输方程。 2）透过率计算 该模型在单纯计算透过率或仅考虑单次散射时，采用参数化经验方法计算带平均透过率，在计算多次散射时，采用k－分布法 3）光线几何路径计算 考虑了地球曲率和大气折射效应，将大气看作球面分层，逐层考虑大气折射效应 由于lowtran直接使用大气物理参数，因而需要按照下列方法计算出与 lowtran使用的大气物理参数相对应的大气光学参数179页 4.modtran辐射传输模型 modtran可以计算0到50000cm－1的大气透过率和辐射亮度，它在440nm到无限大的波长范围精度是2cm－1，在22680到50000cm－1紫外波（200-440nm）范围的精度是20cm－1，在给定辐射传输驱动、气溶胶和云参数、光源与遥感器的几何立体对和地面光谱信息的基础上，根据辐射传输方程来计算大气的透过率以及辐射亮度。
大气辐射传输模型6S简介 1986年，法国Université des Sciences et Technologies de Lille（里尔科技大学）大气光学实验室Tanré等人为了简化大气辐射传输方程，开发了太阳光谱波段卫星信号模拟程序5S（SIMULATION OF THE SATELLITE SIGNAL IN THE SOLAR SPECTRUM），用来模拟地气系统中太阳辐射的传输过程并计算卫星入瞳处辐射亮度。1997年，Eric Vemote对5S进行了改进，发展到6S（SECOND SIMULATION OF THE SATELLITE SIGNAL IN THE SOLAR SPECTRUM）,6S吸收了最新的散射计算方法，使太阳光谱波段的散射计算精度比5S有所提高。 这种模式是在假定无云大气的情况下，考虑了水汽、CO2、O3和O2的吸收、分子和气溶胶的散射以及非均一地面和双向反射率的问题。6S是对5S的改进，光谱积分的步长从5nm改进到2.5nm，同5S相比，它可以模拟机载观测、设置目标高程、解释BRDF作用和临近效应，增加了两种吸收气体的计算（CO、N2O）。采用SOS (successive order of scattering) 方法计算散射作用以提高精度。缺点是不能处理球形大气和limb (临边)观测。 它其中主要包括以下几个部分： （1）太阳、地物与传感器之间的几何关系:用太阳天顶角、太阳方位角、观测天顶角、观测方位角四个变量来描述； （2）大气模式：定义了大气的基本成分以及温湿度廓线，包括7种模式，还可以通过自定义的方式来输入由实测的探空数据，生成局地更为精确、实时的大气模式，此外，还可以改变水汽和臭氧含量的模式； （3）气溶胶模式：定义了全球主要的气溶胶参数，如气溶胶相函数、非对称因子和单次散射反照率等，6S中定义了7种缺省的标准气溶胶模式和一些自定义模式； （4）传感器的光谱特性：定义了传感器的通道的光谱响应函数，6S中自带了大部分主要传感器的可见光近红外波段的通道相应光谱响应函数，如TM，MSS，POLDER和MODIS等； （5）地表反射率：定义了地表的反射率模型，包括均一地表与非均一地表两种情况，在均一地表中又考虑了有无方向性反射问题，在考虑方向性时用了9种不同模型）。 这5个部分便构成了辐射传输模型，考虑了大气顶的太阳辐射能量通过大气传递到地表，以及地表的反射辐射通过大气到达传感器的整个辐射传输过程。 6S的输入参数主要有9个部分组成：
§4 电磁辐射在自然环境中的传输 远距离探测是信息获取与处理技术的基本功能或主要应用。这必然会遇到电磁辐射在自然环境中的传输问题。不论是对地观测还是空间监视，辐射必然要穿越地球大气。显然，大气传输既是系统的组成部分，也是技术的基本内容。 辐射传输的基本问题是辐射同大气的相互作用。地球表面（陆地和水面）被大气包围着，大气分布在高度300km以下的空间。共分三层。对流层（0～10）km；同温层（10～60）km；电离层60km以上。大气密度随高度增加而减少。到30km高度已经下降二个数量级。大部分气体分布在10km以下高度。大气成份包括气体分子和悬浮粒子（气溶胶）。前者由氮（N2，78％）、氧（O2，21％）、臭氧（O3）、氩（Ar）和二氧化碳（CO2）等十几种分子组成。后者为烟尘、灰尘等微粒子。 电磁辐射在大气中传输，与大气中分子和粒子发生相互作用，主要是散射或吸收。其结果会使辐射中所携带的信息损失或畸变。传输特性的知识给出这种作用的详情。一方面可以校正畸变，另一方面也帮助系统设计者选择优良的辐射波段（窗口），保证信息传送。有许多情形，辐射同大气物质相互作用本身也是一种信息媒介。特别是主动式敏感过程，通过源（自然的或人工的）辐射同目标相互作用的结果来推断目标的相关性质。研究这种传输过程的本身就是获取目标信息的过程。例如，光雷达的光束穿过大气后，根据其变化测量大气成份。 4.1 反射、吸收、透射 4.2 大气的透射窗口 4.3 太阳辐射与地面反射 4.4 大气中的吸收和散射 4．4．1吸收 4．4．2散射 4.1 反射、吸收、透射 照理，电磁辐射同物体相互相互作用，会发生三种可能的情况。部分能量被反射和散射（反射率ρ），即改变了原来的传播方向而未进入物体；其它的能量则进入了物体。在进入物体的能量中，一部分被物体吸收（吸收率α），而另一部分则因物体透明而使其发生折射，然后从物体的另一端透射出去（透射率τ）。根据能量守恒原理，这三部分的比例因子之和应当等于1，即 α＋ρ＋τ＝1 （1－7）
大气辐射传输模型及其软件? 焦斌亮 高志强 李素静 白云 燕山大学信息科学与工程学院，河北 秦皇岛 066004 摘 要：本文主要阐述了大气辐射传输模型在大气订正中的应用，介绍了大气辐射传输原理，详细地叙述了6S 、LOWTRAN 、MODTRAN 和 FASCODE 等模型，同时提到了在以上模型基础上发展起来的其它辐射传输模型及软件，并对相应的模型及软件的共同特点和主要区别进行了比较，认为大气辐射传输模型在当前的大气订正模型中依然是比较可靠而常用的方法。 关键词：大气订正 辐射传输 6S MODTRAN 1 引 言 大气订正是遥感技术的重要组成部分，主要包括大气参数估计和地表反射率反演两个方面。如果获得了大气特性参数，进行大气订正就变得相对容易，但是获得准确的大气特性参数通常比较困难。通常有两类方法用辐射传输方程来计算大气订正函数：一种是直接的方法，对于大气透过率函数和反射率函数，通过对模型的积分来得到；另一种是间接的方法，它不是直接计算所需要的大气订正函数，而是通过辐射传输模型输出的表观反射率，结合模型输入的参数来求解。大气订正方法有很多，比如：基于图像特征的相对订正法、基于地面线形回归模型法、大气辐射传输模型法和复合模型法等。它是利用电磁波在大气中的辐射传输原理建立起来的模型对遥感图像进行大气订正的方法。 其中，大气辐射传输模型(Atmospheric Radiative Transfer Model)法是较常用的大气订正方法，它用于模拟大气与地表信息之间耦合作用的结果，其过程可以描述为地表光谱信息与大气耦合以后，在遥感器上所获得的信息，其中考虑了光子与大气相互作用机理，物理意义明确，具有很高的反演精度。 2 大气辐射传输原理 电磁辐射在介质中传输时，通常因其与物质的相互作用而减弱。辐射强度的减弱主要是由物质对辐射的吸收和物质散射所造成的，有时也会因相同波长上物质的发射以及多次散射而增强，多次散射使所有其它方向的一部分辐射进入所研究的辐射方向。当电磁辐射为太阳辐射，而且忽略多次散射产生的漫射辐射时，光谱辐射强度的变化规律可以表述为[1] λλλρI ds k dI ?= (1) 式中，I λ 是辐射强度，s 是辐射通过物质的厚度，ρ是物质密度，k λ表示对波长λ辐射的质量消光截面。 令在s=0处的入射强度为I λ（0） ，则在经过一定距离s 1后，其出射强度可由式(1)积分得到 ? 作者介绍：焦斌亮（1964—），男(汉族)，陕西户县人，燕山大学教授，主要从事光学遥感与CCD 应用技术研究；高志强（1981—），男（汉族），河北鹿泉人，燕山大学硕士研究生，研究方向：大气辐射在光学遥感中的应用。
第43卷第3期红外与激光工程2014年3月Vol.43No.3Infrared and Laser Engineering Mar.2014 辐射特性测量大气传输修正研究：大气辐射传输模式和 关键大气参数分析 魏合理1,2，戴聪明1 (1.中国科学院安徽光学精密机械研究所中国科学院大气成分与光学重点实验室，安徽合肥230031 2.中国科学技术大学环境光学学院，安徽合肥230031) 摘要：工作于大气中的光电测量(或遥感)设备接收的目标辐射信号受大气衰减和大气背景辐射影响。大气传输修正是目标辐射特性测量的一个重要环节。介绍了目前国际上实用的大气辐射传输计算模式及影响大气传输的重要大气光学参数的探测方法。对影响红外波段大气传输的重要大气光学参数作了分析，论证了辐射测量大气传输修正系统必须测量的大气参数。 关键词：大气传输修正；大气辐射传输模式；大气参数；测量 中图分类号：P407.6文献标志码：A文章编号：1007-2276(2014)03-0884-07 Research of atmospheric transfer correction in radiance measurement:atmospheric radiative transfer model and the analysis of key atmospheric parameters Wei Heli1,2,Dai Congming1 (1.Key Laboratory of Atmospheric Composition and Optical Radiation,Anhui Institute of Optics and Fine Mechanics,Chinese Academy of Sciences,Hefei230031,China;2.School of Environmental Sciences and Optoelectronic Techrology,University of Science and Technology of China,Hefei230031,China) Abstract:The signal of a target measured by electro-optics detector is attenuated by the atmosphere and affected by atmospheric background radiance.Atmospheric transfer correction is important to the measurement of target′s radiation characteristic.The commonly-used atmospheric radiative transfer models and the detecting methods of important atmospheric optics parameters affecting atmospheric radiative transfer were introduced.The atmospheric parameters affecting infrared radiative transfer were analyzed, the analyzed results indict those key atmospheric optics parameters must be measured in the atmospheric transfer correction system. Key words:atmospheric transfer correction;atmospheric radiative transfer model; atmospheric parameter;measurement. 收稿日期：2013-07-05；修订日期：2013-08-03 基金项目：国家自然科学基金(61077081)；国家高技术项目 作者简介：魏合理(1965-)，男，研究员，博士生导师，博士，现主要从事大气辐射传输研究、卷云辐射传输特性方面的研究。 Email:hlwei@https://www.doczj.com/doc/69864819.html,。
第三章 太阳辐射在大气中的吸收和散射 第一节 地球大气的成分和结构 为了描述地球大气与太阳辐射的相互作用，我们首先来了解一下大气的结构和成分。 3.1.1热力结构 ? 为了确定与太阳光吸收 和散射有关的大气区域，我们首先给出标准大气的垂直温度廓线： 大气的分层命名通常由它的热力状态导出 ? 对流层－对流层顶的高度随纬度和季节变化(低纬17~18km ，中11~12km ，高8~9km)；集中了整个 大气质量的3/4和全部的水汽；天气现象都发生在这一层。 ? 平流层－高达50km ；气层稳定；T 最初微升，30km 以上随Z 的升高增加很快，达270～290K 。 这主要是由于O3 吸收紫外辐射所致；水汽很少，能见度很高。 ? 中层－高达80~85km ；T 随Z 升高而递减得很快；有强烈的湍流混合和光化学反应。 ? 热层－高达500~600km ；T 随Z 上升而迅速增加，可达1000~2000K ，所以称热层；由于波长小于 0.175微米的太阳紫外辐射，被热层气体吸收所致。温度是分子运动速度的一个度量；温度一日间有显著变化；热层处于高度电离状态。 ? 外层－热层顶以上是外层，这一层可能一直延伸到约1600km 的高空，并且逐步融合到行星空间去。 由于地球引力场的束缚力很小，一些高速运动的空气质粒不断向星际空间逃逸，又称外逸层。 ? 电离层－从距离约60km 开始向上延伸。在远距离无线电通讯中起着重要作用。与太阳活动密切相 关。 ? 磁层－500km 以上的高空。受太阳风的作用，看起来像彗星状。 ? 行星边界层：大气层的最低1km 左右的层次明显与对流层的其他高度不同，它与地表发生强烈而重要 的相互作用，这一层称为行星边界层。 3.1.2 化学成分 恒定成分变化成分成分 体积比（％） 成分 体积比（％） Nitrogen (N 2)Oxygen (O 2)Argon (Ar) Carbon dioxide (CO 2)Neon (Ne)Helium (He)Krypton (Kr)Xenon (Xe) Hydrogen (H 2)Methane (CH 4) Nitrous oxide (N 2O)b Carbon monoxide (CO)b 78.08420.9480.934 0.036 18.18 ×10-45.24 ×10-41.14 ×10-40.089 ×10-40.5 ×10-41.7 ×10-40.3 ×10-40.08 ×10-4 Water vapor (H2O)Ozone (O3) Sulfurdioxide (SO2)b Nitrogendioxide (NO2)b Ammonia (NH3)b Nitric oxide (NO)b Hydrogensulfide (H2S)b (HNO3) Chlorofluorocarbons (CFCI3, CF2C12 CH3CCI3, CC14, etc.) 0 ～0.04 0 ～12 ×10-40.001 ×10-40.001 ×10-40.004 ×10-40.0005 ×10-40.00005 ×10-4微量Trace
【珍藏】大气辐射传输校正模型(5S,modtran,acorn) 在遥感的实际应用中～常用很多简化的手段～如假设地面为朗伯面～排除云的存在～采用有关标准大气模式及大气气溶胶模式等～一次产生了许多不同类型的大气辐射传输模型～主要分为两类～ 1,采用大气的光学参数 2,直接采用大气物理参数如lowtran、modtran等大气辐射近似计算模型～而且还增加了多次散射计算 1. 5s模型 该模型的代码模拟计算海平面上的均匀朗伯体目标的反射率～并假定大气吸收作用与散射作用可以耦合～就像吸收粒子位于散射层的上面一样～则大气上层测量的目标反射率可以表示为～ 海平面处朗伯体的反射率 大气透过率 分子、气溶胶层的内在反射率 有太阳到地表再到传感器的大气透过率 S为大气的反射率 大气传输辐射校正模型,3 modtran 该模型是由美国空军地球物理实验室研制的大气辐射模拟计算程序～在遥感领域被广泛应用于图像的大气校正。
,1lowtran7是一个光谱分辨率20cm～的大气辐射传输实用软件～它提供了6 种参考大气模式的温度、气压、密度的垂直廓线～水汽、臭氧、甲烷、一氧化碳、一氧化二氮的混合比垂直廓线～其他13种微量气体的垂直廓线～城乡大气气溶胶、雾、沙尘、火山喷发物、云、雨的廓线～辐射参量,如消光系数、吸收系数、非对称因子的光谱分布,～以及地外太阳光谱。 lowtran7可以根据用户的需要～设置水平、倾斜、及垂直路径～地对空、空对地等各种探测几何形式～适用对象广泛。lowtran7的基本算法包括透过率计算方法～多次散射处理和几何路径计算。 1, 多次散射处理 lowtran 采用改进的累加法～自海平面开始向上直至大气的上界～全面考 虑整层大气和地表、云层的反射贡献～逐层确定大气分层每一界面上的综 合透过率、吸收率、反射率和辐射通量。再用得到的通量计算散射源函数～用二流近似解求辐射传输方程。 2, 透过率计算 该模型在单纯计算透过率或仅考虑单次散射时～采用参数化经验方法计算 带平均透过率～在计算多次散射时～采用k,分布法 3, 光线几何路径计算 考虑了地球曲率和大气折射效应～将大气看作球面分层～逐层考虑大气折 射效应 由于lowtran直接使用大气物理参数～因而需要按照下列方法计算出与 lowtran使用的大气物理参数相对应的大气光学参数179页 4.modtran辐射传输模型 ,1modtran可以计算0到50000cm的大气透过率和辐射亮度～它在440nm到无限
84． 晴朗天空呈蓝色的原因(多选)? 【答案】：AD A. 主要是分子散射 B. 主要是粗粒散射 C. 散射能力与波长四次方成正比 D. 散射能力与波长四次方成反比 85．地面辐射差额的定义是（）。【答案】：D A．地面吸收的太阳直接辐射与地面长波出射度之差； B．地面吸收的长波辐射与地面有效辐射之差； C．地面吸收的太阳总辐射与地面长波出射度之差； D．地面吸收的太阳总辐射与地面有效辐射之差。 86．下列哪一种说法不正确：（）【答案】：C A.物体温度越高，辐射能力越强； B.物体在热辐射平衡条件下，吸收多少辐射，放出多少辐射； C.黑体的辐出度与波长的四次方成正比，与其它因素无关； D.黑体最大放射能力所对应的波长与其绝对温度成反比。 87.大气具有保温效应的原因是【答案】：C A．大气容易吸收太阳短波辐射 B．大气容易发射短波辐射 C．大气对长波辐射吸收多，对短波辐射透明度高 D．大气中水汽含量多 88.下列哪一条不是晴空呈兰色的原因： A.到达人眼的可见光，既非波长太长的光，又非波长太短的光； B.到达人眼的光是不同波长的混合散射光； C.到达人眼的光是不同波长的混合折射光； D.人眼感觉敏锐的色光偏向于绿色【答案】：C 89.温度为T的灰体球，对长波辐射吸收率为Aλ，对短波辐射发射率为ελ，下列关系正确的是（） A.Aλ=ελ<1 B.Aλ〈ελ<1 C.Aλ〉ελ>1 D.Aλ=ελ=1 【答案】：A 90.一年中南京大气上界太阳辐射日总量最大的是（） A.春分日 B.夏至日 C.秋分日 D.冬至日【答案】：B 91.关于长波辐射在大气中传输不同于太阳辐射的特征，下列哪一条不正确（） A.不计散射削弱作用 B.可以不考虑大气本身发射的长波辐射 C.具有漫射性质 D.必须考虑大气本身发射的长波辐射【答案】：B 92．分子散射的特点是：（） A．与波长无关，前向散射大；B．与波长成正比，后向散射大； C．与波长四次方成反比，前向后向散射相同； D.与波长四次方成正比，前向后向散射相同。【答案】：C 93．一年中上海正午太阳高度角最小的是（） A.3月22日 B. 6月21日 C. 9月22日 D.12月22日【答案】：D 94．到达地面的短波辐射主要由以下几部分组成（可多选）（） A．大气逆辐射B．太阳直接辐射C．地面有效辐射D．天空散射辐射【答案】：BD 95．到达地面的太阳辐射主要影响因素有（可多选）（） A．太阳常数B．太阳高度角C．大气透明系数D．天空散射辐射【答案】：BC 96．到达地面的辐射主要由以下几部分组成（可多选）（） A．大气逆辐射B．太阳直接辐射C．地面有效辐射D．天空散射辐射【答案】：ABD 97．由于辐射的作用，多年平均来说，大气是净得到能量还是净失去能量（） A．通过吸收地面长波辐射净得到能量B．通过太阳直接辐射净得到能量