輻射基礎(chǔ)知識(shí)

氣象衛(wèi)星相關(guān)的

輻射基本原理

2009.4.212電磁輻射是氣象衛(wèi)星遙感的基礎(chǔ)圖象基本識(shí)別應(yīng)用衛(wèi)星資料探測(cè)原理電磁波譜基本輻射量基本輻射定律輻射在地球大氣系統(tǒng)傳輸規(guī)律3一、電磁波譜電磁波：是能量的一種，凡是能夠釋出能量的物體，都會(huì)釋出電磁波。（高于絕對(duì)零度）電磁波譜：為了對(duì)各種電磁波有個(gè)全面的了解，人們按照波長(zhǎng)或頻率的順序把電磁波排列起來(lái)，這就是電磁波譜4電磁波跟水波聲波等一樣λ--電磁波波長(zhǎng)?--電磁波頻率c--電磁波傳播速度波數(shù)—C的倒數(shù)5電磁波譜67γ射線(xiàn)放射性元素蛻變時(shí)產(chǎn)生從10-11—10-4納米能量很高，能穿透非常稠密的物質(zhì)8Χ射線(xiàn)原子內(nèi)部的電子從激發(fā)態(tài)恢復(fù)到穩(wěn)態(tài)產(chǎn)生的有較高的頻率0.0045—10-5微米能穿透密度很大的物質(zhì)9紫外線(xiàn)原子和分子內(nèi)部電子狀態(tài)的改變引起的0.35—0.0045微米頻率較高各種物質(zhì)對(duì)短的紫外線(xiàn)波都有強(qiáng)烈的吸收10可見(jiàn)光狹窄的波長(zhǎng)間隔0.35—0.76微米對(duì)人眼的網(wǎng)膜施以一種特殊的刺激而引起視覺(jué)短紫外（紫藍(lán)綠黃橙紅）紅外長(zhǎng)11紅外線(xiàn)0.76—1000微米分子原子的振動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生短（近中遠(yuǎn)）長(zhǎng)在紅外線(xiàn)照射下，組織溫度升高，熱輻射、溫度輻射12微波1毫米-30厘米微波爐、天氣雷達(dá)10厘米無(wú)線(xiàn)電波大于30厘米13在氣象衛(wèi)星遙感中，主要采用可見(jiàn)光波段(0.35-0.76微米)紅外波段(0.76-1000微米)微波波段(1mm-30cm)（圖像）14微波1.58厘米探測(cè)有云時(shí)的洪水15AMSU-A微波反演可降水總量16(1)與波相關(guān)的幾個(gè)量

電磁波在真空中的傳播速度是

2.997925±0.000003×1010cm/s

3×108m/s

每秒30萬(wàn)公里二、基本的輻射量17電磁波的量子特性從量子觀點(diǎn)看：電磁輻射可以看作是一粒一粒以光速c運(yùn)動(dòng)的粒子流，這些粒子稱(chēng)為光量子18光譜—任何物體只要其溫度大于0K都會(huì)發(fā)出電磁輻射。電磁輻射能量的大小與波長(zhǎng)成反比，波長(zhǎng)越短，能量越大。19與能量相關(guān)的幾個(gè)量輻射能電磁波攜帶的能量或物體發(fā)射的全部能量用來(lái)量度輻射做物理功的本領(lǐng)20輻射通量(j/s,w)單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)某一表面的輻射能表示了輻射能傳遞的時(shí)間速率21輻射通量密度(wm-2)通過(guò)單位面積的輻射通量22輻照度投入到平表面上的輻射通量密度出射度(輻出度,輻射率)輻射體表面射出的輻射通量密度23電磁輻射包括太陽(yáng)輻射、熱輻射、無(wú)線(xiàn)電波等，

它的波長(zhǎng)范圍很廣

從10-10微米（宇宙射線(xiàn)）到1010微米（無(wú)線(xiàn)電波）24電磁輻射包括太陽(yáng)輻射熱輻射無(wú)線(xiàn)電波等25太陽(yáng)高度角：是指太陽(yáng)光的入射方向和地平面之間的夾角太陽(yáng)方位角：太陽(yáng)方位角即太陽(yáng)所在的方位，指太陽(yáng)光線(xiàn)在地平面上的投影與當(dāng)?shù)刈游缇€(xiàn)（南向）的夾角26當(dāng)輻射通過(guò)介質(zhì)時(shí)，

部分將透過(guò)，

部分被吸收，

部分被反射（散射）。

三部分輻射的總和等于入射到介質(zhì)的輻射能量。27吸收率反射率透過(guò)率28輻射定律

（基本輻射定律）29黑體如果某一物體在任何溫度下，對(duì)任意方向和任意波長(zhǎng)，其吸收率（或發(fā)射率）都等于130灰體如果物體的吸收率與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)，且為小于1的常數(shù)31選擇性輻射體物體的吸收率（或發(fā)射率）隨波長(zhǎng)而變?cè)谧匀唤缰薪^大多數(shù)物體是選擇性輻射體32不少選擇性輻射體在某些波長(zhǎng)間隔內(nèi)的吸收率隨波長(zhǎng)變化很小，可以近似看作灰體

在紅外波段，不少物體的吸收率近似為1，可看做黑體33發(fā)射率（比輻射率）將輻射體的輻射通量密度與具有同一溫度的黑體的輻射通量密度作比值其值介于0與1之間34輻射平衡

如果一個(gè)物體在某一溫度從外界得到輻射能量，恰等于物體因輻射而失去的能量，

則物體的熱輻射達(dá)到平衡，

使溫度保持不變35大氣中沒(méi)有完全的熱力平衡

局地?zé)崃ζ胶?/p>

設(shè)想大氣中存在如下?tīng)顟B(tài)

氣體的每一體積元處在熱力平衡狀態(tài)中（對(duì)這個(gè)體積溫度而言）36以下定律

都在熱力平衡條件下成立37當(dāng)黑體的溫度升高時(shí)，最大輻射值朝短波方向移動(dòng)

太陽(yáng)6000K，最大輻射波長(zhǎng)0.47微米

地球256K，最大輻射波長(zhǎng)10微米

維恩位移定律3839黑體的全波長(zhǎng)輻射本領(lǐng)與絕對(duì)溫度的4次方成正比

黑體溫度只要有很小的變化，就會(huì)引起輻射很大的變化

對(duì)于用輻射精確推算溫度十分有利

斯帝芬-波耳茲曼定律40一物體在一定溫度下

發(fā)射某一波長(zhǎng)的輻射

則該物體在同一溫度下

吸收這種波長(zhǎng)的輻射

基爾霍夫定律41一物體是好的吸收體

也是好的發(fā)射體

反之亦然

基爾霍夫定律42亮度溫度Tb

如果物體發(fā)射的輻射亮度（輻射強(qiáng)度）與溫度為T(mén)b的黑體輻射亮度相等

黑體的溫度Tb

叫做該物體的亮度溫度43亮度溫度比實(shí)際溫度低44亮度溫度是

用衛(wèi)星測(cè)到的輻射能的值

計(jì)算出來(lái)的(使用輻射定律)45黑體物體衛(wèi)星100100120100100實(shí)際溫度亮度溫度輻射能輻射能46亮度溫度

10.3—12.5微米

等效黑體溫度TBB

BlackBodyTemperature47在無(wú)云或少云區(qū)

TBB是地表黑體輻射溫度,值較高

TBB高值區(qū)常與高氣壓系統(tǒng)相對(duì)應(yīng)48在云區(qū)里

TBB是云頂?shù)妮椛錅囟?值較低

TBB低值區(qū)一般為云區(qū)

尤其是夏季和熱帶地區(qū)49冬季高緯地區(qū)和青藏高原

地表溫度很低(等于或低于云頂)

難以區(qū)分無(wú)云區(qū)和中低云區(qū)5051OLR產(chǎn)品不是衛(wèi)星觀測(cè)的直接結(jié)果，是要利用經(jīng)驗(yàn)的理論的方法，通過(guò)計(jì)算所得到的,屬于所謂二次產(chǎn)品。OutgoingLongwaveRadiation

OLR(5-50微米)

52OutgoingLongwaveRadiation

OLR(5-50微米)

窗區(qū)亮溫等效通量溫度53OLR(W/m2)和TBB

不同：物理意義、單位

相同：時(shí)間變化和空間分布

54OLR應(yīng)用OLR與熱帶大氣環(huán)流OLR與大氣低頻振蕩OLR反演的熱帶散度風(fēng)對(duì)ENSO的監(jiān)測(cè)OLR與亞洲季風(fēng)OLR與中國(guó)旱澇及西太平洋臺(tái)風(fēng)OLR與強(qiáng)地震預(yù)報(bào)55OLR產(chǎn)品要大范圍、長(zhǎng)時(shí)間的累計(jì)，才更能顯示出其潛在的價(jià)值。56舉例云量大，OLR低，數(shù)值紅外云圖云頂溫度低，OLR低，對(duì)流強(qiáng)OLR小，對(duì)流強(qiáng)，上升強(qiáng)，低層輻合，高層輻散；凝結(jié)釋放潛熱量大雨量大晴空洋面上OLR=SST用OLR〈240W/m2表征ITCZ，最小值連線(xiàn)57OLR表征ITCZ58四、太陽(yáng)和地氣系統(tǒng)的輻射光譜59太陽(yáng)輻射在大氣中的傳輸特性

太陽(yáng)是一個(gè)巨大的火球

直徑約139.14萬(wàn)公里

是地球直徑的104倍

太陽(yáng)離地球的平均距離為1.495×108公里60太陽(yáng)常數(shù)

太陽(yáng)常數(shù)是指在不考慮大氣作用，在平均日—地距離處，垂直于太陽(yáng)入射的表面上接收到太陽(yáng)的輻照度。根據(jù)高空氣球，飛機(jī)，衛(wèi)星測(cè)量到的太陽(yáng)常數(shù)數(shù)值為1353瓦/米2，其估計(jì)誤差為±21瓦/米2。太陽(yáng)常數(shù)的變化與太陽(yáng)黑子數(shù)有關(guān)。由太陽(yáng)常數(shù)可以計(jì)算單位時(shí)間內(nèi)太陽(yáng)輻射的總能量61地球表面測(cè)量到的太陽(yáng)輻射光譜曲線(xiàn)

它是波長(zhǎng)的函數(shù)

太陽(yáng)輻射能主要集中于0.3—3微米

輻照度最大值位于0.47微米

大約1/4的太陽(yáng)輻射能在小于0.47波段

太陽(yáng)輻射能總數(shù)的46%在0.4-0.76可見(jiàn)光波段62地球表面測(cè)量到的太陽(yáng)輻射光譜曲線(xiàn)

它是波長(zhǎng)的函數(shù)

太陽(yáng)輻射能主要集中于0.3—3微米

輻照度最大值位于0.47微米

大約1/4的太陽(yáng)輻射能在小于0.47波段

太陽(yáng)輻射能總數(shù)的46%在0.4-0.76可見(jiàn)光波段63太陽(yáng)波譜及其輻射能量所占的比重64地球-大氣系統(tǒng)的輻射

紅外輻射

95%集中于4-120微米

最大輻射相應(yīng)波長(zhǎng)在10微米附近65地球接收太陽(yáng)的短波輻射，

放出紅外長(zhǎng)波輻射6695%集中于4-120微米

最大輻射相應(yīng)波長(zhǎng)在10微米附近6768太陽(yáng)輻射能0.3-3.0微米，太陽(yáng)溫度高達(dá)6000K，最大輻射能位于0.47微米；地球大氣系統(tǒng)發(fā)出的輻射主要是紅外輻射，溫度300K地球大氣輻射發(fā)出的能量的95%集中于4-120微米，最大輻射波長(zhǎng)10微米。697071通過(guò)大氣的太陽(yáng)輻射或地球大氣系統(tǒng)輻射將被大氣中某些氣體所吸收，這些吸收隨波長(zhǎng)的變化很大，在某些波段的吸收很強(qiáng)，而在另一些波段的吸收則很弱，在這些吸收最弱的波段，太陽(yáng)輻射和地球大氣輻射可以象光通過(guò)窗戶(hù)那樣透過(guò)大氣，這些波段稱(chēng)做大氣窗。72大氣窗—地表反射的太陽(yáng)輻射和地球大氣系統(tǒng)發(fā)射的輻射在通過(guò)大氣到達(dá)衛(wèi)星的途中，將被大氣中某些氣體所吸收，這些吸收隨波長(zhǎng)的變化很大，在某些波段的吸收很強(qiáng)（這些波段稱(chēng)做吸收帶），而在另一些波段的吸收則很弱，在這些吸收最弱的波段，太陽(yáng)輻射和地球大氣輻射可以象光通過(guò)窗戶(hù)那樣透過(guò)大氣，故這些波段稱(chēng)做大氣窗73(1)臭氧的吸收主要位于太陽(yáng)光的紫外區(qū)0．2—0．3微米處，臭氧完全吸收小于0.29微米的短波紫外線(xiàn)輻射，另外在0.32—0.36微米、0．6微米(可見(jiàn)光)附近和4．75微米也有較弱的臭氧吸收。

(2)氧在紫外區(qū)的吸收也很強(qiáng),在可見(jiàn)光區(qū)也有氧吸收帶,但較弱。(3)水汽吸收太陽(yáng)能最多，在0．7微米以下有幾條弱的吸收線(xiàn)，在0.7—0.8微米的近紅外波段有不同強(qiáng)度寬的吸收帶。

(4)二氧化碳對(duì)太陽(yáng)輻射的紅外部分也有吸收作用，但不是主要的74吸收帶和大氣窗大氣中的O3與O2將太陽(yáng)輻射中小于0.29μm的紫外輻射幾乎全部吸收了；可見(jiàn)光區(qū)，大氣的吸收很少；