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大气辐射

大气吸收地面长波辐射的同时,又以辐射的方式向外放射能量,大气这种向外放射能量的方式,称为大气辐射(atmospheric radiation)。由于大气本身的温度也低,放射的辐射能的波长较长,故也称为大气长波辐射。

大气辐射的方向既有向上的,也有向下的。大气辐射中向下的那一部 分,刚好和地面辐射的方向相反,所以称为大气逆辐射。云多、空气湿度大,大气中含有水汽、二氧化碳越多,吸收的地面辐射越多,大气辐射越强。

大气吸收了地面辐射以后,又以辐射方式向外发射辐射。大气发出的长波辐射与大气温度有关,与天空云量有关。Paltridge(1970)发现云量每增加1/10,大气长波辐射就会增加6W/m2。当天空全部被云遮蔽后,地面获得的辐射中,大约有30-是来自大气长波辐射。在比较晴朗的天空,大气长波辐射也主要是由大气中的水汽、二氧化碳及少量臭氧发射的。

当温度大于绝对零度时,大气中的气体(主要是氧和水汽)、水滴(云、雨和雾)和冰滴(主要在冰云中)均会辐射电磁能,并产生热辐射噪声。在微波波段,这种热辐射噪声的特性通常用亮度温度来表征,亮度温度与热力学温度之比称为发射率。分子中的电子从高能态跃迁到低能态时放出电磁能,形成辐射。分子吸收入射电磁能,使电子从低能态跃迁到高能态,形成吸收。一种分子具有的能态数是一定的。因此,它的辐射频谱和吸收频谱相同。根据基尔霍夫定律,发射率等于吸收系数。在气体中,分子密度小,碰撞只使谱线加宽,仍是离散的。但在固体或液体中,分子密度很大,碰撞使谱线混在一起而形成连续谱,在所有的频率上均有吸收和辐射。

在实际的大气传输过程中,因吸收和散射而损失一部分能量;另一方面,大气辐射又使总能量增加。

1大气对短波辐射吸收很少,能让大量的太阳短波透射到达地面,而对地面辐射是极少能透射的。

(2)大气对长波辐射的吸收非常强烈,吸收作用不仅与吸收物质的分布有关,而且还与大气的温度、压强等有关。大气在整个长波辐射段,除8~12μm段外,其余的吸收率基本都接近1.8~12μm处透射率最大,所以这一波段被称为“大气窗口”。这个波段的辐射,正好位于地面辐射能力最强处,所以地面辐射有20-的能量透过这一窗口射向宇宙空间。

(3)大气成分中的水汽、液态水、二氧化碳及臭氧是长波辐射主要吸收者,它们对长波辐射的吸收均具有选择性。

4大气辐射一部分逸到宇宙中,大约有62~64-投向地面,投向地面的这部分大气辐射称为大气逆辐射。

(5)大气辐射为红外线长波辐射。

大气逆辐射会使地面增温,而地面增温又能加强地面辐射。

大气辐射噪声会对接收系统,特别是对噪声系数很低的系统造成有害的影响。但在大气无源微波遥感中,却能利用大气辐射噪声的各种特性,测量大气的温度分布、水汽密度分布和云中含水量等大气参数。

如果能知道它们的温度,就可以直接用斯蒂芬波尔兹曼公式计算出大气长波辐射量,但这非常困难。因此许多科学家研究出了一些采用气象台站百叶箱内的空气温度,直接估算大气长波辐射的经验公式。

理论根据:绝大部分的大气长波辐射来自距地面最近的100m大气层中,这里集中了绝大部分的水汽、二氧化碳等,而它们的温度在很大程度上随近地层空气温度的变化而变化。

公式分为二种类型:天空晴朗型和天空多云型。

地面有效辐射(F0)等于地面辐射(Eg)和地面所吸收的大气逆辐射(δEa)之差。

F0=Eg-δEa

当F0>0时,地面通过长波辐射损失热量。

当F0<0时,地面通过长波辐射获得热量。

通常,T地面>T大气,F0>0。即:地面经常由长波辐射失去热量。可以说,F0是表示地面真正失去热量多少的物理量。

Ra=qa+F0-F∞

通常情况,F∞>F0,表示大气以长波损失热量。此外,qa<F∞-F0,表示长波损失大于短波吸收。所以,Ra<0,大气损失热量,温度降低。大气通过辐射方式失去热量。

大气的热平衡不仅靠辐射,还有对流、潜热等方式交换热量。

Rs=(Q+q)(1-α)+qa-F∞

35°N、35°S附近辐射差额=0;

35°之间低纬,辐射差额>0,热量盈余,温度上升;

35N以北、35°S以南中高纬度地区辐射差额<0,热量亏损,温度下降。

Rs=0(就全球平均而言)表明地球大气多年平均温度没有变化。

辐射差额的分布现状是产生大气环流(空气运动)和洋流(水流运动)的根本原因,并使全球辐射的热能和温度常年保持近于平衡状态。

大气辐射传输特性是指电磁波在大气中传输时,大气中的粒子对电磁波吸收和散射作用,作用效果包括两方面:一方面,大气对目标自身辐射能量以及目标对太阳辐射的反射能量经过大气传输路径到达成像系统镜头前的能量衰减;另一方面,大气对太阳辐射能量单次散射和多次散射、对目标场景周围环境热辐射的多次散射、大气中粒子的自身热辐射等致使辐射传输到成像系统镜头前能量增强。辐射在大气中的能量衰减通常用大气透过率来表示,能量增强通常用大气程辐射来表示。

电磁波在大气层中传输时受到大气的吸收、散射等作用会发生衰减作用。大气消光系数是描述这种衰减作用的重要参数。 大气消光系数系指电磁波辐射在大气中传播单位距离时的相对衰减率。经积分运算可得电磁波辐射在大气中传输时的衰减方程,即大气辐射传输方程。它描述了辐射能在空间或媒质中传输过程、特性及其规律的数学方程。其中的指数项即为相应的透射率。

一、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。

二、大气辐射传输模型6S

1986年,法国UniversitédesSciencesetTechnologiesdeLille(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 INTHESOLARSPECTRUM),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,EricVemote对5S进行了改进,发展到6S(SECONDSIMULATIONOF THE SATELLITE SIGNAL IN THESOLARSPECTRUM),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(successiveorderofscattering)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。

1、6S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。

2、6S的输入参数主要有9个部分组成:

(1)几何参数6S两种输入方法:

①太阳和卫星的天顶角和方位角以及观测时间(月,日)。②卫星的接收时间(月,日,年)、像素点数、升交点时间,由程序计算太阳和卫星的天顶角和方位角。特别注意的是这里的时间采用世界时且要精确到1/6秒。

(2)大气模式:6S给出几种可供选择的大气模式,热带、中纬度夏季、中纬度冬季、近极地夏季、近极地冬季、美国62标准大气也可自定义大气模式。

(3)气溶胶模式三种选择:

①无气溶胶。②自定义气溶胶模式。如,四种基本气溶胶的体积的加权平均;气溶胶的谱分布加光度计测量结果(光学厚度)和复折射指数;直接给出消光系数。③提供的三种气溶胶模式大陆型,海洋型和乡村型。

(4)气溶胶浓度两种选择:在550nm处的光学厚度;②气象能见度(km)。故它也提供了两者的相互关系。

(5)地面高度以千米为单位的地面海拔高度(设为负值)。

(6)探测器高度:-1000代表卫星测量,0为地基观测,飞机航测输入以千米为单位的负值。

(7)探测器的光谱条件:给出了常见卫星Meteosat,Goes,NOAA/AVHRR和HRV,LandsatTM和MSS,ModisPolder的每个通道的光谱响应函数,也可选择自定义。

(8)地表特性:可以选择地表均一或不均一,也可选择地表为郎伯体或双向反射。6S给出了九种比较成熟的BRDF模式供用户选择,也可自定义BRDF函数(输入个角度的反射率及入射强度)

(9)表观反射率:输入反射率或辐射亮度,同时也决定模式是正向还是反向工作。当RAPP<-1时是正向。RAPP>0(辐射亮度)或-1<RAPP<0(反射率)均决定是反向过程,即要进行大气订正过程。

太阳辐射是大气辐射的前提和基础。太阳辐射是一种电磁波,由紫外线、可见光、红外线三部分组成,其能量主要集中在可见光部分。太阳辐射是一种短波辐射,具有光效应、热效应两个效应。

太阳辐射大气辐射两个辐射之间的相同点:都以电磁波的形式传输能量、都有热效应。

太阳辐射大气辐射的不同点如下表所示:

太阳辐射

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