大氣輻射傳輸

大氣輻射傳輸學是研究輻射能在地球大氣中的傳輸和轉換過程的學科，是氣象學和大氣物理學中一個較為古老，近年來又獲得新的發展的分支。大氣輻射傳輸學的理論基礎建立在分子光譜學和電磁波傳播理論之上，其近代應用則主要是大氣遙感和氣候研究。

大氣輻射傳輸是指電磁波在大氣界質中的傳播輸送過程。大氣中吸收太陽輻射的主要成分是氧氣、臭氧、水汽、二氧化碳、甲烷等，不同氣體對不同波段輻射的吸收作用也不同。這種性質稱為大氣對輻射能的選擇吸收。散射作用的強弱取決於入射電磁波的波長及散射質點的性質和大小。當散射粒子的尺度遠小於波長時，稱為分子散射或瑞利散射，散射係數與波長的四次方成反比，主要是空氣分子的散射。當粒子尺度可與波長相比擬時，稱為米氏散射，散射係數是波長和粒子半徑的一個複雜函數。當粒子尺度遠大於波長時，稱為無選擇性散射。散射係數與波長無關。電磁波在大氣中的傳輸規律對於研究地球輻射能量收支、環境資源遙感及反演大氣温度和濕度的分佈情況有重要意義。

電磁輻射在介質中傳輸時，通常因其與物質的相互作用而減弱。輻射強度的減弱主要是由物質對輻射的吸收和物質散射所造成的，有時也會因相同波長上物質的發射以及多次散射而增強，多次散射使所有其它方向的一部分輻射進入所研究的輻射方向。當電磁輻射為太陽輻射，而且忽略多次散射產生的漫射輻射時，光譜輻射強度的變化規律可以表述為 dI_λ/k_λρds=-I_λ ^[1] 

式中，I_λ是輻射強度，s是輻射通過物質的厚度，ρ是物質密度，k_λ表示對波長λ輻射的質量消光截面。令在s=0處的入射強度為I_λ（0），則在經過一定距離s₁後，其出射強度可由上式積分得到 I_λ(s₁)=I_λ(0)exp（

k_λρds）

假定介質是均勻的，則k_λ與距離s無關，因此定義路徑長度

則上式可表示為I_λ（s₁）=I_λ（0）exp（-k_λμ）

上式就是比爾定律，也稱朗伯定律。它指出，通過均勻消光介質傳輸的輻射強度按簡單的指數函數減弱，該指數函數的自變量是質量消光截面和路徑長度的乘積。它不僅適用於強度量，而且也適用於通量密度和通量。

根據式子我們可以定義單色透過率T_λ為 T_λ=I_λ（s₁）/I_λ（0）

式中，μ為θ的餘弦值。

一般在大氣輻射傳輸實際應用中，假定局域大氣為平面平行的，因此只允許輻射強度和大氣參數（温度和氣體分佈廓線）在垂直方向（即高度和氣壓）上變化，這種假定在物理意義上是適當的。 ^[1] 

隨着對氣候變化、環境監測、大氣遙感等領域研究的深入，大氣輻射傳輸研究的重要性日益凸顯，往往需要進行輻射傳輸模擬，計算大氣透過率、光譜輻亮度等參數，進行部分氣象要素的反演等，因此亟需發展快速精確、普遍適用的輻射傳輸模式。 ^[2] 

從20世紀80年代起，國外一些學者對遙感影像的大氣訂正研究做了許多工作，在模擬地—氣過程的能力上有了很大提高，發展了一系列輻射傳輸模型，如6S、LOWTRAN、MODTRAN和FASCODE模型等，下面分別介紹。 ^[1] 

6S（SecondSimulationoftheSatelliteSignalintheSolarSpectrum）模型估計了0.25-4.0μm波長電磁波在晴空無雲條件下的輻射特性，是在Tanre等人提出的5S(SimulationoftheSatelliteSignalintheSolarSpectrum)基礎上發展而來的。它在假設均一地表的前提下，描述了非朗伯反射地表情況下的大氣影響理論，而後Vermote又將其改進為6S模型。

6S模型主要包括以下5個部分:太陽、地物與傳感器之間的幾何關係，大氣模式，氣溶膠模式，傳感器的光譜特性和地表反射率，它考慮了太陽的輻射能量通過大氣傳遞到地表，再經地表反射通過大氣傳遞到傳感器的整個傳播過程。對於吸收係數的計算公式，採用了吸收線的隨機指數分佈統計模式，這對於寬帶傳感器是一種很好的近似。為了考慮多次散射及分子散射與氣溶膠散射及其相互作用，6S採用最新近似(state-of-the-art)和連續散射SOS(SuccessiveOrderofScattering)方法來求解輻射傳輸方程。 ^[1] 

LOWTRAN是由美國地球物理實驗室開發的單參數，譜帶模式的大氣傳輸模型，是計算大氣透過率及輻射的軟件包，其原意是“低譜分辨率大氣透過率計算程序”，適用於從紫外、可見、紅外到微波乃至更寬的電磁波譜範圍內，包括雲、霧、雨等多種大氣狀況的大氣透過率及背景輻射。 ^[1] 

MODTRAN是LOWTRAN的改進模型，其程序的基本結構和框架保持原樣。它覆蓋了0-22600cm^-1(即波長0.44μm-∞)的光譜範圍，具有2cm^-1的光譜分辨率。它利用二流(twosteams)近似模型考慮大氣多次散射效應。MODTRAN是一箇中分辨率大氣輻射傳輸模型，吸收帶模式參數用最新HITRAN數據庫計算而得，採用Curtis-Godson近似將多層的分層路徑近似為等價的均勻路徑，而且可以計算熱紅外的輻射亮度、輻照度等。 ^[1] 

FASCODE是一個全世界公認的、以完全的逐線Beer-Lambert算法計算大氣透過率和輻射的軟件，它的分辨率很高，提供了“精確”透過率計算，並且考慮了非局地熱力平衡狀態的影響，原則上它的應用高度不受限制。因此，FASCODE通常用作評估遙感系統或參數化帶模型的標準，也常用於大氣精細化結構的研究。 ^[1]