紅外輻射在大氣中的傳輸

1、紅外輻射在大氣中的傳輸?shù)?頁(yè)，共55頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)48分，星期二2大氣概述第一節(jié) 大氣的組成 第二節(jié) 大氣的結(jié)構(gòu) 第三節(jié) 主要?dú)庀笠?第2頁(yè)，共55頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)48分，星期二3 大氣的組成一、干潔空氣 1 概念： 大氣中除水汽、液體和固體雜質(zhì)外的整個(gè)混合氣體。2 成分：主要成分是氮、氧、氬、二氧化碳等，此外還有少量的氫、氖、氪、氙、臭氧等稀有氣體 。3 特點(diǎn)：(1)組成干潔空氣的各種成分總是維持，(2)干潔空氣的平均分子量是28.996，(3)在垂直高度90km以下干潔空氣的主要成分所占比例不變4 干潔空氣中幾種有影響的氣體（1）臭氧:含量少，20-25

2、km最多；影響氣溫垂直分布，保護(hù)生物（2）二氧化碳：集中于大氣底部20公里，因時(shí)間和空間而不同(夏季較 少，冬季較多；城市較多，農(nóng)村較少)強(qiáng)烈吸收長(zhǎng)波輻 射,影響大氣和地面溫度；但含量過高影響會(huì)響人類健 康。第一節(jié)第3頁(yè)，共55頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)48分，星期二4二、水汽來源：江、河、湖、海及潮濕物體表面的水分蒸發(fā) .分布：集中在大氣底層，一般隨高度的增高而減少 ;且因緯度、地勢(shì)高 低以及海陸的不同而有差異：低緯高緯、夏季冬季、濕潤(rùn)地 區(qū)干旱地區(qū)作用：是大氣唯一能發(fā)生相變的氣體，產(chǎn)生天氣現(xiàn)象； 對(duì)地面和空氣溫度產(chǎn)生影響； 在水平和垂直方向上進(jìn)行物質(zhì)與能量的交換。三、大氣中的固體雜質(zhì)

3、和液體微粒 1.固體雜質(zhì) 定義：懸浮于大氣中的煙粒、塵埃、鹽粒等。 來源：物質(zhì)燃燒的煙粒、海水飛濺揚(yáng)入大氣后而被蒸發(fā)的鹽粒，被風(fēng)吹 起的土壤微粒及火山噴發(fā)的煙塵，流星燃燒所產(chǎn)生的細(xì)小微粒和 宇宙塵埃,還有細(xì)菌、微生物、植物的孢子花粉等 。 第4頁(yè)，共55頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)48分，星期二5含量分布：多集中在大氣的底層，隨時(shí)間、地區(qū)和天氣 條件而變化（陸上多于海上,城市多于鄉(xiāng)村， 冬季多于夏季 ）作用:(1)吸收一部分太陽(yáng)輻射和阻擋地面放熱，對(duì)地面 和空氣溫度有一定影響； (2)使大氣能見度變壞 ； (3)充當(dāng)水汽凝結(jié)的核心，對(duì)云、雨的形成起重要作用。2.液體微粒定義：懸浮大氣中的水

4、滴、過冷水滴和冰晶等水汽凝結(jié) 物。作用：它們常聚集在一起，以云、霧等形式出現(xiàn)，使能 見度變壞，還能減弱太陽(yáng)輻射和地面輻射。第5頁(yè)，共55頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)48分，星期二6四、大氣污染定義：由于工業(yè)、交通運(yùn)輸業(yè)的發(fā)展，在廢氣不加以回收利用的情況下，空氣中增加了許多新的成分，這就是所說的大氣污染。大氣污染物:如下表分類成分粉塵微粒碳粒、飛灰.碳酸鈣、氧化鋅、二氧化鉛硫化物二氧化硫、三氧化硫、硫酸、硫化氫、硫醇等氮化物一氧化氮、二氧化氮、氨等氧化物臭氧、過氧化物、一氧化碳等鹵化物氯、氟化氫、氯化氫等有機(jī)化合物碳化氫、甲醛、有機(jī)酸、焦油、有機(jī)鹵化物、酮等第6頁(yè)，共55頁(yè)，2022年，5月

5、20日，9點(diǎn)48分，星期二7 大氣的結(jié)構(gòu)一、大氣的高度嚴(yán)格地說，不存在大氣圈的上界。 大氣圈的垂直范圍通常有兩種劃法：（一）著眼于大氣中出現(xiàn)的某些物理現(xiàn)象。大氣中極光是出現(xiàn)高度最高 的物理現(xiàn)象，因此，可以把大氣的上界定為1200公里。 （二）著眼于大氣密度，用接近于星際的氣體密度的高度來估計(jì)大氣 的上界。按照人造衛(wèi)星探測(cè)資料推算，這個(gè)上界大約在2000 3000公里高度上。 第二節(jié)第7頁(yè)，共55頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)48分，星期二8二、大氣的垂直分層 觀測(cè)證明，大氣在垂直方向上的物理性質(zhì)是有顯著差 異的。根據(jù)溫度、成分、電荷等物理性質(zhì)，同時(shí)考慮到 大氣的垂直運(yùn)動(dòng)等情況，可將大氣分為五

6、層 ：對(duì)流層、 平流層、中間層、暖層、散逸層。（一）對(duì)流層 對(duì)流層是地球大氣中最低的一層，其底界是地面。 云、霧、雨、雪等主要大氣現(xiàn)象都出現(xiàn)在此層。因而， 對(duì)流層是對(duì)人類生產(chǎn)、生活影響最大的一個(gè)層次，也是 各種大氣研究的重點(diǎn)層次。 第8頁(yè)，共55頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)48分，星期二91.界限：底層是下地墊面，上層隨緯度和季節(jié)而不同低緯度地區(qū)平均為17-18公里，中緯度地區(qū)為10-12公里，高緯度地區(qū)為8-9公里 任何緯度尤其是中緯度的對(duì)流層厚度，夏季較大，冬季較小同大氣的總厚度比較起來，對(duì)流層是非常薄的，不及整個(gè)大氣厚度的1。但是，由于地球引力的作用，這一層卻集中了整個(gè)大氣34的質(zhì)量

7、和幾乎全部的水汽。 2.主要的特征:(1)氣溫隨高度的升高而降低：由于對(duì)流層主要是從地面得到熱量，因此溫度隨高度增加而降低。 氣溫鉛直梯度：對(duì)流層中氣溫隨高度而降低的數(shù)值，在不同地區(qū)、不 同季節(jié)、不同高度是不一致的，平均而言，每上升100米， 氣溫 下降約0.65。這稱為氣溫直減率，也叫氣溫鉛直梯度。通常以y 表示：y=-dT/dZ=0.65/100m第9頁(yè)，共55頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)48分，星期二10(2)鉛直對(duì)流運(yùn)動(dòng)：由于地表面的不均勻加熱，產(chǎn)生鉛直對(duì)流 運(yùn)動(dòng)?？諝馔ㄟ^對(duì)流和湍流運(yùn)動(dòng)，高、低層的空氣進(jìn) 行交換，使近地面的熱量、水汽、雜質(zhì)等易于向上輸 送，對(duì)成云致雨有重要作用。

8、(3)氣象要素水平分布不均勻：由于對(duì)流層受地表的影響最 大，而地表的性質(zhì)差異也是很大的，因此在對(duì)流層 中，溫度、濕度的水平分布是不均勻的，特別是冷、 暖氣團(tuán)交綏的地帶，即所謂鋒區(qū)，往往有嚴(yán)重的天氣 現(xiàn)象發(fā)生，如寒潮、梅雨、暴雨、大風(fēng)、冰雹等。 第10頁(yè)，共55頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)48分，星期二11(二)平流層 1.界限：自對(duì)流層頂?shù)?5公里左右 2.特點(diǎn): 1) 隨著高度的增高，氣溫最初保持不變或微有上升，到25公里以上，氣 溫隨高度增加而顯著升高，在55公里高度上可達(dá)-3 ； 2)氣流比較平衡，空氣的垂直混合作用顯著減弱；多晴好天氣，能見度高。(三)中間層 自平流層頂?shù)?5公里左

9、右為中間層。該層的特點(diǎn)是: 氣溫隨高度增高而上升，并有相當(dāng)強(qiáng)烈的垂直運(yùn)動(dòng)。該層的60-90公里高度上，有一個(gè)只在白天出現(xiàn)的電離層，叫做D層。(四)暖層：中間層頂至800公里高度暖層有兩個(gè)特點(diǎn)：(1)隨著高度的增高，氣溫迅速升高空氣就更稀薄。(2)空氣處于高度電離狀態(tài)。從這一特征來說，暖層又可稱為 電離層。 (五)散逸層 800公里高度以上的大氣層，統(tǒng)稱為散逸層。這一層的氣溫隨高度的增高而升 高。這一層的主要特征是大氣質(zhì)點(diǎn)經(jīng)常散逸至星際空間。 第11頁(yè)，共55頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)48分，星期二12第12頁(yè)，共55頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)48分，星期二13第13頁(yè)，共55頁(yè)，2

10、022年，5月20日，9點(diǎn)48分，星期二14 主要?dú)庀笠貧庀笠兀褐副硎敬髿庵形锢憩F(xiàn)象的物理量。如氣壓、溫度、濕 度、風(fēng)向、風(fēng)力、云量、能見度、降水量、日照、輻 射等。 一、氣溫 表示空氣冷熱程度的物理量，稱為氣溫。在一定的容積內(nèi)，一定質(zhì)量空氣溫度的高低與氣體分子運(yùn)動(dòng)的平均動(dòng)能多少有關(guān)，而氣體分子運(yùn)動(dòng)的平均動(dòng)能只與溫度有關(guān)，且與絕對(duì)溫度成正比。因此，空氣冷熱的程度，實(shí)質(zhì)上是空氣分子平均動(dòng)能。第三節(jié)第14頁(yè)，共55頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)48分，星期二15 大小的表現(xiàn)：當(dāng)空氣獲得熱量時(shí)，它的分子運(yùn)動(dòng)的平均速度增大，隨之平均動(dòng)能增加，氣溫也就升高；反之當(dāng)空氣失去熱量時(shí)，它的分子運(yùn)動(dòng)平均速

11、度減小，隨之平均動(dòng)能也減少，氣溫也就降低。 氣溫的單位：目前我國(guó)規(guī)定用攝氏()溫標(biāo)。以氣壓為760mmHg時(shí)純水冰點(diǎn)為零度，沸點(diǎn)為100度，其間等分100等分即為1。在理論研究上常用絕對(duì)溫標(biāo)，以K表示，這種溫標(biāo)中一度的間隔和攝氏溫標(biāo)相同，但其零度規(guī)定為攝氏-273.16，稱為“絕對(duì)零度”，水的冰點(diǎn)為273.16K，沸點(diǎn)定為373.16K。第15頁(yè)，共55頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)48分，星期二16兩種溫標(biāo)之間的換算關(guān)系如下： T=t+273.16t+273 (1-2) 大氣中的溫度一般以百葉箱中干球溫度為代表。二、氣壓 氣壓指大氣的壓強(qiáng)。它是空氣的分子運(yùn)動(dòng)與地球重力場(chǎng)綜合作用的結(jié)果。若以

12、P代表氣壓，F(xiàn)代表面積A上所承受的力，則： PF/A第16頁(yè)，共55頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)48分，星期二17地面氣壓分布一般在9401040mb之間，在臺(tái)風(fēng)中心可能低于900mb，在西伯利亞高壓中心可能高于1080mb。第17頁(yè)，共55頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)48分，星期二18例題：1、若空氣溫度為298K，相對(duì)濕度RH60，求10km水平路程的可凝結(jié)水量。2、當(dāng)大氣處于標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)，在1km路程上，求CO2的大氣厘米數(shù)。 某地區(qū)，10Km高空大氣壓強(qiáng)為26000Pa，溫度為220K，求1km水平路程上CO2的大氣厘米數(shù)。第18頁(yè)，共55頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)48分，星

13、期二19例5-2 氣象條件：海平面水平路程長(zhǎng)為1.8km，氣溫為22，相對(duì)濕度RH=59%，氣象視程V=13.8km（在0.61m）處，求：在3.54.0 m光譜帶的平均大氣透射率。解: (1) 求s()因?yàn)閂=13.8km，故取q=1.3，0=0.61m。在3.54.0m這樣一個(gè)狹窄的范圍內(nèi)，由散射而導(dǎo)致的透射率隨波長(zhǎng)的變化較慢，可以取該光譜范圍內(nèi)的中心波長(zhǎng)=3.75m處的s()作為平均的s 根據(jù)式(5-25)，可得第19頁(yè)，共55頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)48分，星期二20（2）求a這里只取兩個(gè)組元的吸收，即水蒸氣和二氧化碳吸收的透過率，所以有 先求水蒸氣的透射率H2O。由表5-2查

14、得22的飽和水蒸氣密度為19.22g/m3，所以全路程的可凝結(jié)水的毫米數(shù)為 當(dāng)w=20mm，查表5-6可以得到各波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的透射率第20頁(yè)，共55頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)48分，星期二21求二氧化碳的透射率CO2.因?yàn)閤=1.8km，可取近似值x=2km，由表5-7得到的各波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的透射率，將該表中的a()畫圖，如右所示，可以得到3.54.0m區(qū)的平均透射率a。此時(shí)整個(gè)光譜區(qū)域的帶寬為=0.5m，光譜間隔為d=0.1m，其邊緣上兩個(gè)波長(zhǎng)只有間隔的一半，所以平均透射率為3.43.53.63.73.83.94.04.1200406080100波長(zhǎng)大氣吸收率第21頁(yè)，共55頁(yè)，2022年，5月

15、20日，9點(diǎn)48分，星期二22所以 第22頁(yè)，共55頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)48分，星期二23波長(zhǎng)/mH2O()CO2()a()as3.50.83210.8320.940.950.893.60.91610.9163.70.94410.9443.80.97210.9723.90.97210.9724.00.9600.9910.951第23頁(yè)，共55頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)48分，星期二24紅外輻射在大氣中的傳輸問題一直受到人們的普遍重視。這是因?yàn)榧t外輻射自目標(biāo)發(fā)出后，要在大氣中傳輸相當(dāng)長(zhǎng)的距離，才能達(dá)到觀測(cè)儀器，由此總要受到大氣中各種因素的影響，給紅外技術(shù)的應(yīng)用造成限制性的困難。

16、第24頁(yè)，共55頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)48分，星期二25紅外輻射在大氣中傳輸時(shí)，主要有以下幾種因素使之衰減： （1）在0.20.32m的紫外光譜范圍內(nèi)， 光吸收與臭氧的分解作用有聯(lián)系。 （2）在紫外和可見光譜區(qū)域中，由氮分子和氧分子所引起的瑞利（Rayleigh)散射是必須要考慮的。 （3）粒子散射或米（Mie)氏散射。 （4）大氣中某些元素原子的共振吸收 。 （5）分子的帶吸收是紅外輻射衰減的重要原因。 第25頁(yè)，共55頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)48分，星期二265.1 地球大氣的基本組成和氣象條件1 大氣的基本組成 包圍著地球的大氣層，每單位體積中大約有78%的氮?dú)夂?1%

17、的氧氣，另外還有不到1%的氬（Ar）、二氧化碳(CO2)、一氧化碳(CO)、一氧化二氮(N2O)、甲烷(CH4)、臭氧(O3)、水汽(H2O)等成分。除氮?dú)狻⒀鯕馔獾钠渌麣怏w統(tǒng)稱為微量氣體。 除了上述氣體成分外，大氣中還含有懸浮的塵埃、液滴、冰晶等固體或液體微粒，這些微粒通稱為氣溶膠。 第26頁(yè)，共55頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)48分，星期二272 大氣的氣象條件 所謂大氣的氣象條件，是指大氣的各種特性，如大氣的溫度、強(qiáng)度、濕度、密度等，以及它們隨時(shí)間、地點(diǎn)、高度的變化情況。 右圖表示了海拔100km內(nèi)大氣溫度隨高度變化的情況。第27頁(yè)，共55頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)48分，星期

18、二285.2 大氣中的主要吸收氣體和主要散射粒子大氣中的主要吸收氣體由水蒸氣、二氧化碳、和臭氧等。下面主要介紹這些氣體的濃度和變化范圍。第28頁(yè)，共55頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)48分，星期二291 水蒸氣 水蒸氣在大氣中，尤其在低層大氣中的含量較高，是對(duì)紅外輻射傳輸影響較大的一種大氣成分。雖然人眼看不見，但它的分子對(duì)紅外輻射有強(qiáng)烈的選擇吸收作用。 (1)水蒸氣含量描述 (2)水蒸氣的分布 水蒸氣壓強(qiáng):水蒸氣壓強(qiáng)是大氣中水蒸氣的分壓強(qiáng)，用符號(hào)pw表示，其單位是Pa。 絕對(duì)濕度:絕對(duì)濕度是單位體積空氣中所含有的水蒸氣的質(zhì)量，通常用符號(hào)w表示，其單位為g/m3。所謂絕對(duì)濕度，是指水蒸氣的密度

19、。第29頁(yè)，共55頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)48分，星期二303)飽和水蒸氣壓: 在由氣體轉(zhuǎn)變?yōu)橐后w過程中的水蒸氣，稱為飽和水蒸氣。在飽和空氣中，水蒸氣在某一溫度下開始發(fā)生液化時(shí)的壓強(qiáng)，稱為再該溫度下的飽和水蒸氣壓，用ps表示，它就是飽和狀態(tài)下水蒸氣的分壓強(qiáng)，只是溫度的函數(shù)。 4)飽和水蒸氣量: 某一空氣試樣中，處于某一溫度時(shí)，單位體積內(nèi)所能容納最大可能的水蒸氣質(zhì)量，用s表示，其單位是g/m3。飽和空氣中的水蒸氣量，即飽和水蒸氣密度，只與溫度有關(guān)。 第30頁(yè)，共55頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)48分，星期二315)相對(duì)濕度:相對(duì)濕度是空氣試樣中水蒸氣的含量和同溫度下該空氣試樣達(dá)到飽和

20、是水蒸氣含量的比值，用百分?jǐn)?shù)RH表示 （5-1） 6）露點(diǎn)溫度:露點(diǎn)溫度是給定空氣試樣變成飽和狀態(tài)時(shí)的溫度。 第31頁(yè)，共55頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)48分，星期二322 二氧化碳 隨著高度的增加，二氧化碳對(duì)紅外輻射的吸收雖然減少，但不如水蒸氣吸收減少得那么顯著。因此，在低空水蒸氣的吸收對(duì)紅外輻射的衰減起主要作用；而在高空，水蒸氣的吸收退居次要地位，二氧化碳的吸收變得更重要了。 3 臭氧 臭氧在大氣中的形成和分解過程，決定了臭氧的濃度分布以及臭氧層的溫度。第32頁(yè)，共55頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)48分，星期二334 大氣中的主要散射粒子 在輻射傳輸研究中常用的氣溶膠尺度譜模式有

21、以下兩種： （1）Diermendjian譜模式，其公式為 （5-2） 其中N為單位體積中的粒子數(shù)，r為粒子半徑，a,b,是依來源而定的常數(shù)。 第33頁(yè)，共55頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)48分，星期二34（2）Junge譜模式，其公式為 （5-3） 式中c、是譜參數(shù)，c一般取24，與總濃度有關(guān) （3）對(duì)數(shù)正態(tài)譜模式 （5-4） 式中、R是譜參數(shù)。第34頁(yè)，共55頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)48分，星期二355.3 大氣的吸收衰減介質(zhì)中的輻射場(chǎng)強(qiáng)度與介質(zhì)的透過率密切相關(guān)。因此，研究因大氣的吸收和散射對(duì)輻射產(chǎn)生的衰減是非常重要的。本節(jié)將研究大氣吸收產(chǎn)生的衰減 為了確定給定大氣路程上分子吸

22、收所決定的大氣透射率，可以有如下幾種方法： （1）根據(jù)光譜線參數(shù)的詳細(xì)知識(shí)，一條譜線接一條譜線地做理論計(jì)算； （2）根據(jù)帶模型，利用有效的實(shí)驗(yàn)測(cè)量或?qū)嶋H譜線資料為依據(jù)，進(jìn)行理論計(jì)算； （3）在所要了解的大氣路程上直接測(cè)量； （4）在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)模擬大氣條件下的測(cè)量。第35頁(yè)，共55頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)48分，星期二361 大氣的選擇吸收 由于大氣對(duì)紅外輻射的吸收，可以用各種不同強(qiáng)度的重疊光譜線組成的離散帶來表征，重疊的程度取決于譜線的半寬度，而這些譜線在整個(gè)吸收帶內(nèi)的分布取決于吸收分子，因而才出現(xiàn)不同吸收帶。 大氣的紅外吸收的特點(diǎn)是具有一些離散的吸收帶，而每一吸收帶都是由大量的，而且有

23、不同程度重疊的各種強(qiáng)度光譜線組成的。這些譜線重疊的程度與半寬度由直接的關(guān)系，并且還與譜線的間隔有關(guān)系，當(dāng)然與譜線的實(shí)際線型也是有關(guān)的。譜線的半寬度是與氣壓、溫度等氣象條件有關(guān)的。至于譜線的位置以及譜線的強(qiáng)度分布則與吸收分子的種類有關(guān)。 第36頁(yè)，共55頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)48分，星期二372 表格法計(jì)算大氣的吸收 表格法計(jì)算大氣的吸收是一種利用紅外和大氣工作者編制的大氣透過率表格可以方便地計(jì)算大氣吸收。根據(jù)人們的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用適當(dāng)?shù)慕?，已?jīng)整理出各種形式的大氣透射率數(shù)據(jù)表 第37頁(yè)，共55頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)48分，星期二38任意波長(zhǎng)上的透射率的知識(shí)從表中察到的水蒸氣

24、和二氧化碳透射率的乘積，即 （5-5） 在高度為h的水平路程x所具有的透射率等于長(zhǎng)度為x0的等效海平面上水平路程的透射率，用數(shù)字表達(dá)式可以表示為 （5-6） 第38頁(yè)，共55頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)48分，星期二395.4 大氣的散射衰減輻射在大氣中傳輸時(shí)，除因分子的選擇性吸收導(dǎo)致輻射能衰減外，輻射還會(huì)在大氣中遇到氣體分子密度的起伏及微小微粒，使輻射改變方向，從而使傳播方向的輻射能減弱，這就是散射。一般說來，散射比分子吸收弱，隨著波長(zhǎng)增加散射衰減所占的地位逐漸減少。但是在吸收很小的大氣窗口波段，相對(duì)來說散射就是使輻射衰減的主要原因。 第39頁(yè)，共55頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)48

25、分，星期二401 氣象視程與視距方程式 目標(biāo)與背景的對(duì)比度隨著距離的增加而減少到2%時(shí)的距離，稱為氣象視程，簡(jiǎn)稱為視程或視距。 我們可以以背景亮度為標(biāo)準(zhǔn)定義目標(biāo)的對(duì)比度C，即 （5-7） 式中Lt為目標(biāo)亮度；Lb為背景亮度第40頁(yè)，共55頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)48分，星期二41人眼對(duì)兩個(gè)目標(biāo)亮度的差異的區(qū)別能力是有限的，這種限制的臨界點(diǎn)稱為亮度對(duì)比度閾。亮度對(duì)比度閾通常以CV表示，對(duì)于正常的人眼來說，其標(biāo)準(zhǔn)值為0.02。 對(duì)于同一目標(biāo)來說，當(dāng)它距觀察點(diǎn)的距離為x時(shí)，那么觀察者所看到的目標(biāo)與背景的對(duì)比度為 （5-8） 式中Ltx為觀察者所看到的目標(biāo)亮度；Lbx為背景亮度第41頁(yè)，共55

26、頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)48分，星期二42當(dāng)x=V處的亮度對(duì)比度CV與x=0處的對(duì)比度亮度C0的比值恰好等于2%時(shí)，這時(shí)的距離V稱為氣象視距，即 （5-9） 在實(shí)際測(cè)量中，總是讓特征目標(biāo)的亮度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于背景的亮度，即LtLb,而Lb0=LbV。因此，上式可變?yōu)?（5-10）第42頁(yè)，共55頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)48分，星期二43在實(shí)際觀察中，如果我們把一個(gè)很亮的目標(biāo)從x=0處移到距觀測(cè)點(diǎn)x=V處時(shí)，對(duì)于波長(zhǎng)為0的亮度降到原亮度的2%，此時(shí)V就是氣象視程。如果滿足上述的假設(shè)，那么以x=0到x=V之間的大氣，在波長(zhǎng)0處，對(duì)大氣透射率的影響只是由散射造成的，其透射率為 （5-11）第

27、43頁(yè)，共55頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)48分，星期二44 由上面兩式可得到 （5-12） 所以可以得到在波長(zhǎng)0處，散射系數(shù)和氣象視程的關(guān)系為 （5-13） 式（5-13）即為視程方程式，V是長(zhǎng)度單位，與S(0)相適應(yīng)即可。 第44頁(yè)，共55頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)48分，星期二452 測(cè)量0處視程的原理 按照視程方程式，我們能知道散射系數(shù)S。又因?yàn)槲覀冞x取的波長(zhǎng)通常是0=0.61m或0.55m，在這些波長(zhǎng)處的吸收近似為零，因此，衰減只是由散射造成的。 在已知的x距離上，在波長(zhǎng)0處，測(cè)得大氣的透射率為S(0，x），則有 （5-14） （5-15） 第45頁(yè)，共55頁(yè)，2022年，

28、5月20日，9點(diǎn)48分，星期二46如果已知距離x在0V之間，由于在整個(gè)視程內(nèi)的S都是一樣的，因此，可以將此式中的S(0)代入視程方程中，得到視程與已知距離處的透射率之間的關(guān)系為 （5-16） 由此式可知，只要測(cè)得已知距離x及透射率S(0，x），就可以求得視距。第46頁(yè)，共55頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)48分，星期二47計(jì)算氣象視程。 例5-1 在距離x=5.5km，波長(zhǎng)0.55m處測(cè)得的透射比S(0，x）為30%，求氣象視程V。 解 : 將x，S(0，x）代入式（5-16） 得 即在0.55m處的氣象視距為17.9km。第47頁(yè)，共55頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)48分，星期二483

29、 利用0處的視程求任意波長(zhǎng)處的光譜散射系數(shù)S() 一般可以將散射系數(shù)表示為 （5-17） 式中的A，A1，q都是待定的常數(shù)。 式（5-17）中，第二項(xiàng)表示瑞利散射。在紅外光譜區(qū)內(nèi)，瑞利散射并不重要，因此，只需考慮式中的第一項(xiàng)，即 （5-18）第48頁(yè)，共55頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)48分，星期二49對(duì)上式取對(duì)數(shù)，有 （5-19） 式中q是經(jīng)驗(yàn)常數(shù)。當(dāng)大氣能見度特別好（例如氣象視程V大于80km）時(shí)，q=1.6；中等視見度，q=1.3（這是常見的數(shù)值）。如果大氣中的霾很濃厚，以致能見度很差（例如，氣象視程小于6km），可取q=0.585V1/3，其中V是以km為單位的氣象視程。第49頁(yè)，共55頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)48分，星期二50 式（5-19）同樣應(yīng)能滿足波長(zhǎng)0處的散射系數(shù)?？衫檬剑?-18）和式（5-13）得到 （5-20） （5-21）第50頁(yè)，共55頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)48分，星期二51 將式（5-21）代入式（5-18），就可以得到任意波長(zhǎng)處的散射