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紅外輻射在大氣中的傳輸--LOWTRAN7介紹
發(fā)布時間:2014-10-24 09:51:14點擊數(shù):
LOWTRAN 、MODTRAN和FASCODE的輸入方式有許多相似之處,在此,給出一個計算實例的全部輸入數(shù)據(jù),并對主要其物理意義作一說明。
LOWTRAN7規(guī)定了六種大氣模型,每種模型有對應的大氣壓力、溫度隨高度的分布關系。這樣,CO2、N2O、CH4、CO等混合比不變的吸收氣體的密度也就確定了。由于水蒸氣、臭氧是大氣中的可變成分,每一種模型單獨規(guī)定了水蒸氣密度以及臭氧密度的高度分布。LOWTRAN7規(guī)定的六種大氣模型是:
a) 1976年美國“標準”大氣:1976年,由美國制定,用中緯度平均值表示; 紅外線測溫儀
b) 赤道: 北緯15°;
c) 中緯度夏天: 北緯45°,7月;
d) 中緯度冬天: 北緯45°,1月;
e) 亞北極夏天: 北緯60°,7月;
f) 亞北極冬天: 北緯60°,1月;
模型大氣不是按等高度分層的,0至25公里,按1公里分層,25至50公里,按5公里分層。 這六種模型的溫度、壓力隨高度的分布見圖。
用戶也可以自定義大氣模型,另行輸入溫度和氣壓的高度分布參數(shù),或水蒸汽、臭氧等氣體的高度分布參數(shù)。紅外線測溫儀
2)大氣路徑類型
影響大氣輻射傳輸?shù)牟粌H僅是路徑長度,還有路徑的類型,包括:
-水平路徑:恒壓路徑,需輸入起始高度和路徑;
-傾斜路徑:可輸入起始高度/終止高度/天頂角;或起始高度/天頂角/斜程,或起始高度/終止高度/斜程
-傾斜路徑至空間:可輸入起始高度/天頂角。
3)運行模式
LOWTRAN7有四種運行模式:
-計算路程透過率;
-計算路程輻亮度和路程透過率;
-計算大氣輻亮度和太陽、月亮輻射的單次散射;
-計算直接透射的太陽輻照度。
系統(tǒng)所接收到的輻射一部分是直接透射的能量,另一部分來自路徑輻射。路徑輻亮度是輻射傳輸過程中不斷地被各層大氣所吸收并且再次輻射而產(chǎn)生的,路徑輻射使系統(tǒng)接收到的能量增加,降低了目標對比度,它對熱紅外波段的影響尤為明顯。 紅外線測溫儀
為便于理解路徑輻射的形成,假設整個路徑可分為3個均勻的大氣層。如由地面對天觀察,則認為天空、云層是邊界層。如果不考慮散射損失,并忽略天空、云層的熱輻射,則從地面觀察到的路徑的輻亮度I(v),即天空的光譜輻射亮度為:
每一層大氣對路徑輻亮度的貢獻取決于該層的溫度以及光譜吸收率(即比輻射率)。
同樣,我們可分析從空間觀察到的地表的光譜輻射亮度,此時邊界層為地表,其輻射不可忽略。
可以看出,空間儀器對地觀察時接收到的能量,包括了直接透過的地表熱輻射和各層大氣的灰體輻射的總和。由前三項構成的路徑輻射將在儀器獲得的目標圖像上疊加一個較為均勻的背景。紅外線測溫儀
LOWTRAN7根據(jù)設定的大氣模型,可將大氣分為N層,沿視線對輻射亮度進行數(shù)值積分,得到大氣輻射所貢獻的部分。另外,計算中也考慮了各層大氣散射的影響。
0~2公里的邊界層的氣溶膠受地理/天氣條件影響較大,農(nóng)村、都市、海洋和沙漠的氣溶膠的組分和分布有明顯的差異。例如:都市環(huán)境的氣溶膠含有較多燃燒和工業(yè)源的生成物。海面的氣溶膠含海水噴沫蒸發(fā)后產(chǎn)生的鹽顆粒,在高濕度環(huán)境下水汽凝結在鹽顆粒上又增加了它的尺寸。
2~10公里的對流層的氣溶膠對當?shù)氐牡乇碣Y源就不太敏感,與空氣特別清澈的地表情況相仿。在10~30公里的同溫層,氣溶膠呈全球均勻分布,只有一些光化學反應產(chǎn)生的硫酸鹽顆粒,相當于無大顆粒的農(nóng)村模型。同溫層的氣溶膠也稱作背景氣溶膠。影響同溫層氣溶膠分布和性質的主要因素不是地理條件、天氣的變化,而是季節(jié)的變化。更高的上層大氣只有一些流星灰。
LOWTRAN7規(guī)定了11種氣溶膠模型,每類模型規(guī)定了缺省的氣象距離。
1) 無氣溶膠衰減;
2) 農(nóng)村,缺省能見度23公里;
3) 農(nóng)村,缺省能見度5公里;
4) 近海(Navy Maritime);
5) 海洋,缺省能見度23公里;
6) 都市,缺省能見度5公里;
7) 對流層,缺省能見度50公里;
8) 用戶自定義,缺省能見度23公里;
9) 薄霧,缺省能見度0.5公里;
10)濃霧,缺省能見度0.2公里;
11)沙漠;
大部分氣溶膠模型主要根據(jù)地理環(huán)境定義的,少部分模型與天氣有關,如規(guī)定了兩種典型的霧。一種是濃霧,能見度0.2公里,它是不同溫度和/或不同濕度的氣團混雜產(chǎn)生的,稱為對流霧(Advection)。另一種是輕霧,能見度為0.5公里,是空氣溫度降到露點后生成的,也稱輻射霧(Radiation)。 紅外線測溫儀
為更精確計算氣溶膠衰減,有必要在氣溶膠模型的基礎上作修正,包括:
1)氣溶膠模型的季節(jié)修正;
2)氣象距離修正
氣象距離是濕度的函數(shù),對氣溶膠的吸收和散射影響很大。LOWTRN7的1號卡中的“邊界層的表面范圍”指的就是氣象距離。雖然,氣象距離.、能見度都能用來表達視覺上的“能見”程度,它們是兩個不同的概念。能見度是以人眼對亮背景下黑目標或暗背景下亮目標的判斷為準則的,它帶有較大的主觀因素。而氣象距離有定量的定義,在0.55微米處,氣象距離與衰減系數(shù)關系可表示為:
氣象距離=3.912/衰減系數(shù)
由于能見度比較容易獲得,LOWTRAN計算時,氣象距離可按下式近似換算,其近似誤差約25%。
氣象距離=1.3x能見度
3)地面的海拔高度
基本輸入?yún)?shù)
1)大氣模型LOWTRAN7規(guī)定了六種大氣模型,每種模型有對應的大氣壓力、溫度隨高度的分布關系。這樣,CO2、N2O、CH4、CO等混合比不變的吸收氣體的密度也就確定了。由于水蒸氣、臭氧是大氣中的可變成分,每一種模型單獨規(guī)定了水蒸氣密度以及臭氧密度的高度分布。LOWTRAN7規(guī)定的六種大氣模型是:
a) 1976年美國“標準”大氣:1976年,由美國制定,用中緯度平均值表示; 紅外線測溫儀
b) 赤道: 北緯15°;
c) 中緯度夏天: 北緯45°,7月;
d) 中緯度冬天: 北緯45°,1月;
e) 亞北極夏天: 北緯60°,7月;
f) 亞北極冬天: 北緯60°,1月;

表1.7 LOWTRA7大氣傳輸計算輸入數(shù)據(jù)

圖1.36 六種大氣模型大氣溫度的高度分布
圖1.37 六種大氣模型大氣壓強的高度分布
用戶也可以自定義大氣模型,另行輸入溫度和氣壓的高度分布參數(shù),或水蒸汽、臭氧等氣體的高度分布參數(shù)。紅外線測溫儀
2)大氣路徑類型
影響大氣輻射傳輸?shù)牟粌H僅是路徑長度,還有路徑的類型,包括:
-水平路徑:恒壓路徑,需輸入起始高度和路徑;
-傾斜路徑:可輸入起始高度/終止高度/天頂角;或起始高度/天頂角/斜程,或起始高度/終止高度/斜程
-傾斜路徑至空間:可輸入起始高度/天頂角。
3)運行模式
LOWTRAN7有四種運行模式:
-計算路程透過率;
-計算路程輻亮度和路程透過率;
-計算大氣輻亮度和太陽、月亮輻射的單次散射;
-計算直接透射的太陽輻照度。
系統(tǒng)所接收到的輻射一部分是直接透射的能量,另一部分來自路徑輻射。路徑輻亮度是輻射傳輸過程中不斷地被各層大氣所吸收并且再次輻射而產(chǎn)生的,路徑輻射使系統(tǒng)接收到的能量增加,降低了目標對比度,它對熱紅外波段的影響尤為明顯。 紅外線測溫儀
為便于理解路徑輻射的形成,假設整個路徑可分為3個均勻的大氣層。如由地面對天觀察,則認為天空、云層是邊界層。如果不考慮散射損失,并忽略天空、云層的熱輻射,則從地面觀察到的路徑的輻亮度I(v),即天空的光譜輻射亮度為:

每一層大氣對路徑輻亮度的貢獻取決于該層的溫度以及光譜吸收率(即比輻射率)。
同樣,我們可分析從空間觀察到的地表的光譜輻射亮度,此時邊界層為地表,其輻射不可忽略。

可以看出,空間儀器對地觀察時接收到的能量,包括了直接透過的地表熱輻射和各層大氣的灰體輻射的總和。由前三項構成的路徑輻射將在儀器獲得的目標圖像上疊加一個較為均勻的背景。紅外線測溫儀
LOWTRAN7根據(jù)設定的大氣模型,可將大氣分為N層,沿視線對輻射亮度進行數(shù)值積分,得到大氣輻射所貢獻的部分。另外,計算中也考慮了各層大氣散射的影響。
氣溶膠參數(shù)
LOWTRAN7的1號卡輸入與散射有關的氣溶膠模型及相關參數(shù)。0~2公里的邊界層的氣溶膠受地理/天氣條件影響較大,農(nóng)村、都市、海洋和沙漠的氣溶膠的組分和分布有明顯的差異。例如:都市環(huán)境的氣溶膠含有較多燃燒和工業(yè)源的生成物。海面的氣溶膠含海水噴沫蒸發(fā)后產(chǎn)生的鹽顆粒,在高濕度環(huán)境下水汽凝結在鹽顆粒上又增加了它的尺寸。
2~10公里的對流層的氣溶膠對當?shù)氐牡乇碣Y源就不太敏感,與空氣特別清澈的地表情況相仿。在10~30公里的同溫層,氣溶膠呈全球均勻分布,只有一些光化學反應產(chǎn)生的硫酸鹽顆粒,相當于無大顆粒的農(nóng)村模型。同溫層的氣溶膠也稱作背景氣溶膠。影響同溫層氣溶膠分布和性質的主要因素不是地理條件、天氣的變化,而是季節(jié)的變化。更高的上層大氣只有一些流星灰。
LOWTRAN7規(guī)定了11種氣溶膠模型,每類模型規(guī)定了缺省的氣象距離。
1) 無氣溶膠衰減;
2) 農(nóng)村,缺省能見度23公里;
3) 農(nóng)村,缺省能見度5公里;
4) 近海(Navy Maritime);
5) 海洋,缺省能見度23公里;
6) 都市,缺省能見度5公里;
7) 對流層,缺省能見度50公里;
8) 用戶自定義,缺省能見度23公里;
9) 薄霧,缺省能見度0.5公里;
10)濃霧,缺省能見度0.2公里;
11)沙漠;
大部分氣溶膠模型主要根據(jù)地理環(huán)境定義的,少部分模型與天氣有關,如規(guī)定了兩種典型的霧。一種是濃霧,能見度0.2公里,它是不同溫度和/或不同濕度的氣團混雜產(chǎn)生的,稱為對流霧(Advection)。另一種是輕霧,能見度為0.5公里,是空氣溫度降到露點后生成的,也稱輻射霧(Radiation)。 紅外線測溫儀
為更精確計算氣溶膠衰減,有必要在氣溶膠模型的基礎上作修正,包括:
1)氣溶膠模型的季節(jié)修正;
2)氣象距離修正
氣象距離是濕度的函數(shù),對氣溶膠的吸收和散射影響很大。LOWTRN7的1號卡中的“邊界層的表面范圍”指的就是氣象距離。雖然,氣象距離.、能見度都能用來表達視覺上的“能見”程度,它們是兩個不同的概念。能見度是以人眼對亮背景下黑目標或暗背景下亮目標的判斷為準則的,它帶有較大的主觀因素。而氣象距離有定量的定義,在0.55微米處,氣象距離與衰減系數(shù)關系可表示為:
氣象距離=3.912/衰減系數(shù)
由于能見度比較容易獲得,LOWTRAN計算時,氣象距離可按下式近似換算,其近似誤差約25%。
氣象距離=1.3x能見度
3)地面的海拔高度
