地球大氣透過率及輻射率計算_百度文庫

1、第9卷1期應(yīng)用氣象學(xué)報V o l .9,N o .11998年2月QUA R T ERL Y JOU RNAL O F A PPL IED M ET EOROLO GY February 1998地球大氣透過率及輻射率計算吳曉(國家衛(wèi)星氣象中心,北京100081提要文章介紹了一種比較簡單實用的地球大氣的光譜透過率和到達大氣層頂?shù)募t外輻射率的計算模型,光譜波長從4m 到m ,吸收氣體H 2O 、CO 2、O 3的吸收計算采用E lsasser 帶模式及其經(jīng)驗參數(shù),H 2O 的連續(xù)吸收公式是美國LOW TRAN 26計算程序的水汽連續(xù)吸收經(jīng)驗公式.透過率的計算結(jié)果與LOW TRAN 計算結(jié)果相一致

2、.以這種透過率簡化模型為基礎(chǔ),建立了輻射傳遞正演計算模型,開發(fā)了相應(yīng)軟件,并用于衛(wèi)星遙感射出長波輻射的資料處理中,取得了良好結(jié)果.關(guān)鍵詞:大氣透過率輻射率射出長波輻射1大氣透過率的計算模型本文計算中取光譜間距為10c m -1,計算分子帶吸收、氣溶膠消光、H 2O 分子連續(xù)吸收的大氣平均透過率,分子帶吸收由H 2O ,O 3和大氣均勻混和氣體CO 2,CH 4,N 2O 各自的透過率組成.10c m -1波數(shù)范圍內(nèi)的分子帶吸收平均透過率由下列公式表示1:=f (k w 3(1式中,k 是與波數(shù)相關(guān)的吸收系數(shù),w 3是氣體分子的有效吸收量,如下式表示:w 3=w (p z p 0 (T 0T z

3、 12(2w 是吸收氣體的實際含量(用g 或c m 表示,p 0=1個大氣壓,T 0=293.16K .水汽分子的連續(xù)吸收系數(shù)2:k c (r =s r tan h (hcr 2kT s 0 C s (r ,T +(f 0 C f (r ,T (3函數(shù)tan h (x =e x -e -x e x +e -x (4s 是水汽數(shù)密度,f 是其它氣體的數(shù)密度,0是S T P (氣壓1013hPa 、氣溫296K 狀態(tài)下的空氣數(shù)密度.分為N 層的大氣柱的水汽連續(xù)吸收率則為:N i =1i k c (r d s =C s (r ,296N i =1i (i 0i d s +C s (r ,260-19

4、960628,19970918.C s (r ,296Ni =1(296-T i 296-260i (i 0i d s +C f (r ,296N i =1i (f 0i d s (5式中,C s (r ,296=r tan h (hcr 2k (296 Cs (r ,296C s (r ,260=r tan h (hcr 2k (260 Cs (r ,260C f (r ,296=r tan h (hcr 2k (296 C f (r ,296C s (r ,T 、C f (r ,T 是水汽自加寬連續(xù)吸收系數(shù)和外加寬連續(xù)吸收系數(shù),C s 、C f 的具體數(shù)據(jù)見圖1.圖1(a 水汽自身密度決定

5、的連續(xù)吸收參數(shù)(b 外密度決定的水汽連續(xù)吸收參數(shù)垂直大氣柱的水汽連續(xù)吸收透過率函數(shù):c =e -N i =1i k c (r d s (6大氣均勻混和氣體CH 4、N 2O 的7.6m 、7.8m 吸收帶透過率模式如下3:=e-(w 3w e (7式中,w e 是環(huán)境氣壓740mm H g 和氣溫300K ,透過率=e -1時的純吸收氣體含量(單位:c m .w 3是有效吸收含量:w 3=w p zp 0(8p 0=740mm H g ,w 是CH 4、N 2O 的實際含量,經(jīng)驗系數(shù)取值:CH 4,=0.46;N 2O ,=0.48.氣溶膠消光的透過率函數(shù)如下4:=e -r L(9L 是大氣路

6、徑(km ,r 是氣溶膠消光系數(shù).r =b +k(10b 是氣溶膠散射系數(shù),k 是氣溶膠吸收系數(shù).2地球大氣輻射模型對于4m 以上的長波區(qū),地球表面輻射作為黑體輻射處理,其輻射率由普朗克函數(shù)表示:B (r ,T =C 1r 3e c 2r T -1.0(11式中,r 是波數(shù),C 1=1.191068×10-5,C 2=1.438833,B (r ,T 是黑體輻射率(單位:10-7J c m 2s sr c m -1.5211期吳曉:地球大氣透過率及輻射率計算穿過地球大氣到達外界的輻射率B (r ,T 由輻射傳遞積分方程表示:B (r ,T =B (r ,T 0b t +1a B (r

7、 ,T s d a (12a 是分子吸收透過率,s 是分子散射和氣溶膠散射透過率,b t 是總透過率:b t =a sB (r ,T 0是地表輻射率.為簡化計算過程,在輻射傳遞計算中作了如下處理:(1大氣分為40層均質(zhì)層,從海平面到60km ,60km 以上的大氣忽略不計.(2折射效應(yīng)沒有包括進大氣路徑的計算中.(310c m -1波數(shù)區(qū)間的平均透過率用一個特殊的參數(shù)化的經(jīng)驗公式表示,它可表示為吸收系數(shù)和有效吸收路徑量乘積的函數(shù).(4在給定波數(shù)的10c m -1區(qū)間內(nèi)的總平均透過率是分子吸收帶透過率、氣溶膠消光透過率、水汽連續(xù)吸收透過率的乘積.(5大氣的氣溶膠模式以能見度V IS <5k

8、m 的“霧霾大氣”和V IS >23km 的“干潔大氣”兩類狀態(tài)為標(biāo)準(zhǔn).(6計算中未考慮散射的影響.3大氣透過率和輻射率計算結(jié)果大氣透過率和輻射率的計算結(jié)果舉例在圖2至圖4中給出.圖2表示到達大氣層頂?shù)妮椛渎?光譜波長從4m 到m ,計算中使用的是41.08°N 、121.07°E 1986年1月2日的晴空探空資料,能見度5km .圖3表示大氣整層的水汽透過率和氣溶膠消光透過率,光譜波長從4m 到m ,探空資料同圖2,氣溶膠模式是“霧霾大氣”模式.圖4表示大氣整層的CO 2氣體吸收透過率、O 3吸收透過率、CH 4氣體吸收透過率、N 2O 氣體吸收透過率.4應(yīng)用和討論

9、本計算模型是基于美國A FGL LOW TRAN 5,6,7計算結(jié)構(gòu),透過率計算的精度、射出長波輻射率計算的精度基本滿足要求.計算中使用的探空資料是1986年全球各臺站探空資料,每條廓線的計算結(jié)果適用于輻射傳遞理論方面的應(yīng)用和衛(wèi)星遙測資料的模擬 ,圖2到達地球大氣外界的輻射率光譜(1986年1月2日,p 0=1022hPa ,T 0=251.86K ,晴空,41.08°N ,121.07°E 探空資料621應(yīng)用氣象學(xué)報9卷 圖3水汽透過率和氣溶膠消光透過率光譜(說明同圖2 圖4CO 2、O 3、CH 4和N 2O 透過率光譜(說明同圖2基于本模型建立了NOAA 214、G

10、M S 25氣象衛(wèi)星的地球窄波段輻射率長波射出輻射通量密度的輻射轉(zhuǎn)換模式,取得較好效果.利用本計算模型開發(fā)出簡單實用的輻射傳遞計算軟件,此軟件在衛(wèi)星遙感地氣系統(tǒng)射出長波輻射(OL R 資料處理中得到應(yīng)用,例如衛(wèi)星遙感資料的臨邊變暗訂正公式8R (0=R (+1+2R (sec -1+1+2R (sec -12(13式中R (0和R (分別為衛(wèi)星視角為0和時的測值,1、2、1、2為臨邊變暗系數(shù).窄波段通道溫度T B 到全波段通量密度亮溫T F 的變換公式:T F =a +b T B +cT 2B(14利用本正演軟件,通過正演模擬計算可確定臨邊變暗系數(shù)和轉(zhuǎn)換公式(14中的系數(shù)a 、b 、c .參考

11、文獻.A FCRL 2TR 285,1985.3A nding D avid .Band 2model m ethods fo r computing atmo spheric slant 2path mo lecular abso rp ti on .I R I A state 2of 27211期吳曉:地球大氣透過率及輻射率計算821應(yīng)用氣象學(xué)報9卷the2art repo rt,714222127,Infrared and Op tical Senso r L abo rato ry,W illow R un L abo rato ries,T he Institute of Scien

12、ce and T echno logy,T he U nivevsity of M ich igan.1967.4M cC latchey R A,Fenn R W,Selby J E,V o lz F E,Garing J S.Op tical p roperties of the atmo sphere,A D 753075,A FCRL27220495,1972.2.A FCRL2TR27320745.1972.CALCULAT I ON OF EARTH AT MOSPHER I CTRANS M ISSIV IT Y AND RAD I ANCEW u X iao(N a tiona

13、 l S a tellite M eteorolog ica l Cen ter,B eij ing100081AbstractA si m p lified calcu lati on m ethod of the earth atm o sp heric sp ectrum tran s m issivity and the I R radiance arrived at the top of atm o sp here is in troduced.Sp ectral range is from4m tom.T he E lsasser band m odel and em p iric

14、al p aram eters are u sed to cal2 cu late the ab so rp ti on of H2O,CO2and O3.T he con tinuou s ab so rp ti on of H2O is calcu2 lated by LOW TRAN26em p irical equati on.T he calcu lated resu lts of tran s m issivity are co incided w ith tho se of LOW TRAN.B ased on the si m p lified tran s m issivity m odel,a ra2 diative tran sfer regressi on m odel is set up,and relevan