大氣輻射

大氣輻射(1張)

大氣輻射的方向既有向上的，也有向下的。大氣輻射中向下的那一部分，剛好和地面輻射的方向相反，所以稱為大氣逆輻射。雲多、空氣濕度大，大氣中含有水汽、二氧化碳越多，吸收的地面輻射越多，大氣輻射越強。

大氣吸收了地面輻射以後，又以輻射方式向外發射輻射。大氣發出的長波輻射與大氣温度有關，與天空雲量有關。Paltridge(1970)發現雲量每增加1/10，大氣長波輻射就會增加6W/m2。當天空全部被雲遮蔽後，地面獲得的輻射中，大約有30%是來自大氣長波輻射。在比較晴朗的天空，大氣長波輻射也主要是由大氣中的水汽、二氧化碳及少量臭氧發射的。

當温度大於絕對零度時，大氣中的氣體（主要是氧和水汽）、水滴（雲、雨和霧）和冰滴(主要在冰雲中)均會輻射電磁能，併產生熱輻射噪聲。在微波波段，這種熱輻射噪聲的特性通常用亮度温度來表徵，亮度温度與熱力學温度之比稱為發射率。分子中的電子從高能態躍遷到低能態時放出電磁能，形成輻射。分子吸收入射電磁能，使電子從低能態躍遷到高能態，形成吸收。一種分子具有的能態數是一定的。因此，它的輻射頻譜和吸收頻譜相同。根據基爾霍夫定律，發射率等於吸收係數。在氣體中，分子密度小，碰撞只使譜線加寬，仍是離散的。但在固體或液體中，分子密度很大，碰撞使譜線混在一起而形成連續譜，在所有的頻率上均有吸收和輻射。

在實際的大氣傳輸過程中，因吸收和散射而損失一部分能量；另一方面，大氣輻射又使總能量增加。

﹙1﹚大氣對短波輻射吸收很少，能讓大量的太陽短波透射到達地面，而對地面輻射是極少能透射的。

（2）大氣對長波輻射的吸收非常強烈，吸收作用不僅與吸收物質的分佈有關，而且還與大氣的温度、壓強等有關。大氣在整個長波輻射段，除8～12μm段外，其餘的吸收率基本都接近1.8～12μm處透射率最大，所以這一波段被稱為“大氣窗口”。這個波段的輻射，正好位於地面輻射能力最強處，所以地面輻射有20%的能量透過這一窗口射向宇宙空間。

（3）大氣成分中的水汽、液態水、二氧化碳及臭氧是長波輻射主要吸收者，它們對長波輻射的吸收均具有選擇性。

﹙4﹚大氣輻射一部分逸到宇宙中，大約有62～64%投向地面，投向地面的這部分大氣輻射稱為大氣逆輻射。

（5）大氣輻射為紅外線長波輻射。

大氣逆輻射會使地面增温，而地面增温又能加強地面輻射。

大氣輻射噪聲會對接收系統，特別是對噪聲係數很低的系統造成有害的影響。但在大氣無源微波遙感中，卻能利用大氣輻射噪聲的各種特性，測量大氣的温度分佈、水汽密度分佈和雲中含水量等大氣參數。

如果能知道它們的温度，就可以直接用斯蒂芬波爾茲曼公式計算出大氣長波輻射量，但這非常困難。因此許多科學家研究出了一些採用氣象台站百葉箱內的空氣温度，直接估算大氣長波輻射的經驗公式。

理論根據：絕大部分的大氣長波輻射來自距地面最近的100m大氣層中，這裏集中了絕大部分的水汽、二氧化碳等，而它們的温度在很大程度上隨近地層空氣温度的變化而變化。

公式分為二種類型：天空晴朗型和天空多雲型。

地面有效輻射（F0)等於地面輻射（Eg）和地面所吸收的大氣逆輻射（δEa）之差。

F0=Eg－δEa

當F0>0時，地面通過長波輻射損失熱量。

當F0<0時，地面通過長波輻射獲得熱量。

通常，T地面>T大氣，F0>0。即：地面經常由長波輻射失去熱量。可以説，F0是表示地面真正失去熱量多少的物理量。

Ra=qa+F0－F∞

通常情況，F∞>F0，表示大氣以長波損失熱量。此外，qa

大氣的熱平衡不僅靠輻射，還有對流、潛熱等方式交換熱量。

Rs=(Q+q)(1-α)+qa－F∞

35°N、35°S附近輻射差額=0；

35°之間低緯，輻射差額>0，熱量盈餘，温度上升；

35ºN以北、35°S以南中高緯度地區輻射差額<0，熱量虧損，温度下降。

Rs=0（就全球平均而言）表明地球大氣多年平均温度沒有變化。

輻射差額的分佈現狀是產生大氣環流（空氣運動）和洋流（水流運動）的根本原因，並使全球輻射的熱能和温度常年保持近於平衡狀態。

大氣輻射傳輸特性是指電磁波在大氣中傳輸時,大氣中的粒子對電磁波吸收和散射作用,作用效果包括兩方面：一方面,大氣對目標自身輻射能量以及目標對太陽輻射的反射能量經過大氣傳輸路徑到達成像系統鏡頭前的能量衰減；另一方面,大氣對太陽輻射能量單次散射和多次散射、對目標場景周圍環境熱輻射的多次散射、大氣中粒子的自身熱輻射等致使輻射傳輸到成像系統鏡頭前能量增強。輻射在大氣中的能量衰減通常用大氣透過率來表示,能量增強通常用大氣程輻射來表示。 ^[1] 

電磁波在大氣層中傳輸時受到大氣的吸收、散射等作用會發生衰減作用。大氣消光係數是描述這種衰減作用的重要參數。 大氣消光係數係指電磁波輻射在大氣中傳播單位距離時的相對衰減率。經積分運算可得電磁波輻射在大氣中傳輸時的衰減方程，即大氣輻射傳輸方程。它描述了輻射能在空間或媒質中傳輸過程、特性及其規律的數學方程。其中的指數項即為相應的透射率。

一、相對輻射校正和絕對輻射校正

基於物理模型的絕對輻射校是利用一系列參數(例如，衞星過境時的地物反射率，大氣的能見度，太陽天頂角和衞星傳感器的標定參數等)將遙感圖像進行校正的方法。儀器引起的誤差畸變一般在數據生產過程中由生產單位根據傳感器參數進行了校正。對於用户來所，絕對輻射校正的方法主要是輻射傳輸模型法，該方法校正精度較高，它是利用電磁波在大氣中的輻射傳輸原理建立起來的模型對遙感圖像進行大氣校正的方法。由於有不同的不同的假設條件和適用的範圍，因此產生很多可選擇的大氣較正模型，例如6S模型、LOWTRAN模型、MODTRAN模型、ATCOR模型等。

基於統計模型的相對輻射校正,主要包括不變目標法、黑暗像元法與直方圖匹配法等等。不變目標法假定圖像上存在具有較穩定反射輻射特性的像元，並且可確定這些像元的地理意義，那麼就稱這些像元為不變目標，這些不變目標在不同時相的遙感圖像上的反射率將存在一種線性關係。當確定了不變目標以及它們在不同時相遙感圖像中反射率的這種線性關係，就可以對遙感圖像進行大氣校正。黑暗像元法的基本原理就是在假定待校正的遙感圖像上存在黑暗像元區域、地表朗伯面反射、大氣性質均一，忽略大氣多次散射輻照作用和鄰近像元漫反射作用的前提下，反射率很小的黑暗像元由於大氣的影響，而使得這些像元的反射率相對增加，可以認為這部分增加的反射率是由於大氣程輻射的影響產生的。利用黑暗像元值計算出程輻射，並代入適當的大氣校正模型，獲得相應的參數後，通過計算就得到了地物真實的反射率。直方圖匹配法是指如果確定某個沒有受到大氣影響的區域和受到大氣影響的區域的反射率是相同的，並且可以確定出不受影響的區域，就可以利用它的直方圖對受影響地區的直方圖進行匹配處理。此外，還有很多基於統計模型的方法，如有人提出利用小波變換的遙感圖像相對輻射校正方法。該方法對源圖像小波變換域的低頻成分實施輻射變換,並保持高頻成分不變重構的圖像具有保持高頻信息的特性,因而能夠較好地保留原圖像中由於地物變化引起的輻射差異；也有人利用主成分分析法把遙感圖像中有用的信息和大氣影響噪音區分開來。

二、大氣輻射傳輸模型6S

1986年，法國UniversitédesSciencesetTechnologiesdeLille（里爾科技大學）大氣光學實驗室Tanré等人為了簡化大氣輻射傳輸方程，開發了太陽光譜波段衞星信號模擬程序5S（SIMULATION OF THE SATELLITE SIGNAL INTHESOLARSPECTRUM），用來模擬地氣系統中太陽輻射的傳輸過程並計算衞星入瞳處輻射亮度。

1997年，EricVemote對5S進行了改進，發展到6S（SECONDSIMULATIONOF THE SATELLITE SIGNAL IN THESOLARSPECTRUM）,6S吸收了最新的散射計算方法，使太陽光譜波段的散射計算精度比5S有所提高。

這種模式是在假定無雲大氣的情況下，考慮了水汽、CO2、O3和O2的吸收、分子和氣溶膠的散射以及非均一地面和雙向反射率的問題。6S是對5S的改進，光譜積分的步長從5nm改進到2.5nm，同5S相比，它可以模擬機載觀測、設置目標高程、解釋BRDF作用和臨近效應，增加了兩種吸收氣體的計算（CO、N2O）。採用SOS(successiveorderofscattering)方法計算散射作用以提高精度。缺點是不能處理球形大氣和limb(臨邊)觀測。

1、6S主要包括以下幾個部分：

（1）太陽、地物與傳感器之間的幾何關係:用太陽天頂角、太陽方位角、觀測天頂角、觀測方位角四個變量來描述；

（2）大氣模式：定義了大氣的基本成分以及温濕度廓線，包括7種模式，還可以通過自定義的方式來輸入由實測的探空數據，生成局地更為精確、實時的大氣模式，此外，還可以改變水汽和臭氧含量的模式；

（3）氣溶膠模式：定義了全球主要的氣溶膠參數，如氣溶膠相函數、非對稱因子和單次散射反照率等，6S中定義了7種缺省的標準氣溶膠模式和一些自定義模式；

（4）傳感器的光譜特性：定義了傳感器的通道的光譜響應函數，6S中自帶了大部分主要傳感器的可見光近紅外波段的通道相應光譜響應函數，如TM，MSS，POLDER和MODIS等；

（5）地表反射率：定義了地表的反射率模型，包括均一地表與非均一地表兩種情況，在均一地表中又考慮了有無方向性反射問題，在考慮方向性時用了9種不同模型）。

這5個部分便構成了輻射傳輸模型，考慮了大氣頂的太陽輻射能量通過大氣傳遞到地表，以及地表的反射輻射通過大氣到達傳感器的整個輻射傳輸過程。

2、6S的輸入參數主要有9個部分組成：

（1）幾何參數6S兩種輸入方法：

①太陽和衞星的天頂角和方位角以及觀測時間(月,日)。②衞星的接收時間(月,日,年)、像素點數、升交點時間，由程序計算太陽和衞星的天頂角和方位角。特別注意的是這裏的時間採用世界時且要精確到1/6秒。

（2）大氣模式：6S給出幾種可供選擇的大氣模式，熱帶、中緯度夏季、中緯度冬季、近極地夏季、近極地冬季、美國62標準大氣也可自定義大氣模式。

（3）氣溶膠模式三種選擇：

①無氣溶膠。②自定義氣溶膠模式。如，四種基本氣溶膠的體積的加權平均；氣溶膠的譜分佈加光度計測量結果（光學厚度）和復折射指數；直接給出消光係數。③提供的三種氣溶膠模式大陸型，海洋型和鄉村型。

（4）氣溶膠濃度兩種選擇：在550nm處的光學厚度;②氣象能見度（km）。故它也提供了兩者的相互關係。

（5）地面高度以千米為單位的地面海拔高度（設為負值）。

（6）探測器高度：-1000代表衞星測量，0為地基觀測，飛機航測輸入以千米為單位的負值。

（7）探測器的光譜條件：給出了常見衞星Meteosat，Goes，NOAA/AVHRR和HRV，LandsatTM和MSS，ModisPolder的每個通道的光譜響應函數，也可選擇自定義。

（8）地表特性：可以選擇地表均一或不均一，也可選擇地表為郎伯體或雙向反射。6S給出了九種比較成熟的BRDF模式供用户選擇，也可自定義BRDF函數（輸入個角度的反射率及入射強度）

（9）表觀反射率：輸入反射率或輻射亮度，同時也決定模式是正向還是反向工作。當RAPP<-1時是正向。RAPP>0（輻射亮度）或-1

太陽輻射是大氣輻射的前提和基礎。太陽輻射是一種電磁波，由紫外線、可見光、紅外線三部分組成，其能量主要集中在可見光部分。太陽輻射是一種短波輻射，具有光效應、熱效應兩個效應。 ^[2] 

太陽輻射大氣輻射兩個輻射之間的相同點：都以電磁波的形式傳輸能量、都有熱效應。

太陽輻射大氣輻射的不同點如下表所示：