1、應用氣象學報 V 0 I .9,N 0 .11998 年 2 月 QUA R T ERL 丫 JOU RNAL O FA PPL lED M ET EOROLO GY February 1998地球大氣透過率及輻射率計算（國家衛星氣象中心，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的紅外輻射率的計算模型，光譜波長從4人口到人口吸收氣體H 2O、CO 2、O 3的吸收計算采用E Isasser帶模式及其經驗參數,H 2O的連續吸收公式是美國LOW TRAN 26計算程序的水汽連續吸收經驗公式.透過率的計算結果與LOW TRAN計算結果相一致.以這種透過

2、率簡化模型為基礎，建立了輻射傳遞正演計算模型，開發了相應軟件,并用于衛星遙感射出長波輻射的資料處理中，取得了良好結果.關鍵詞: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,CH4,N 2O各自的透過率組成.10c m -1波數范圍內的分子帶吸收平均透過率由下列公式表示1:2 =f (k w 3（1式中,k是與波數相關的吸收系數,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 OT z 12(2w

3、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 .水汽分子的連續吸收系數2:0 s © 0 C s (r ,T +(k e (r =© s r tan h (her 2kTC f (r ,T (3 函數 tan h (x =e x -e -x e x +e -x （4 ©是水汽數密度，©是其它氣體的數密度，©（是 S T P （氣壓 1013hPa、氣溫296K狀態下的空氣數密度.分為N層的大氣柱的水汽連續吸收率則為：刀 N i =1 / i k c (r d s =C s (r ,296刀 N i =1 /

4、 i ( © i -0 © i d s +C s (r ,260S 19960628,19970918.C s (r ,296 ENi =1(296-T i 296-260/ i ( © i 0s©Ccf (r ,296刀N i =1 / i ( ©f 0 © i d s (5式中,C s (r ,296=r tan h (her 2k (296 Cs (r ,296C s (r ,260=r tan h (her 2k (260 Cs (r ,260C f (r ,296=r tan h (her 2k (296 C f (r ,2

5、96C s (r ,T、C f (r ,T 是水汽自加寬連續吸收系數和外加寬連續吸收系數,C s、C f的具體數據見圖1.圖1(a水汽自身密度決定的連續吸收參數(b外密度決定的水汽連續吸收參數垂直大氣柱的水汽連續吸收透過率函數:工 c =e 刀 N i =1/ i k c (r d s (6大氣均勻混和氣體CH 4、N 20的7.6 A m 7.8 A n吸收帶透過率模式如下3：-(w 3w e r(7式中,w e是環境氣壓740mm H g和氣溫300K，透過率2 =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

6、是 CH 4、N 20 的實際含量，經驗系數r取值:CH 4, r =0.46;N 20 , r =0.48.氣溶膠消光的透過率函數如下4:2 =er ? L(9? L是大氣路徑(km ,r是氣溶膠消光系數.r =b +k(10b是氣溶膠散射系數,k是氣溶膠吸收系數.2地球大氣輻射模型對于4Am以上的長波區,地球表面輻射作為黑體輻射處 理,其輻射率由普朗克函數表示：B (r ,T =C 1r 3e c 2r T -1.0(11式中,r是波數,C 1=1.191068 W-5,C 2=1.438833,B (r ,T是黑體輻射率(單位:10-7J c m 2? s ? sr ? c m -1.2

7、11期曉: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 ,T2 a是分子吸收透過率,E是分子散射和氣溶膠散射透過率,E b是總透過率：B (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層均質層，從海平面到60km ,60km以上的大氣忽略不計.(2折射 效應沒有包括進大氣路徑的計算中.(310c m -1波數區間的平均透過率用一個特殊的 參數化的經驗公式表示，它可表示為吸收系數和有效吸收路徑量乘積的函數.(4在給定波數的10c m -1區間內的總平均透過率是分子吸收帶透過率、氣溶膠消光透過率、水汽連續吸收透過率的乘積.(5大氣的氣溶

8、膠模式以能見度 V IS <5km的霧霾 大氣”和V IS >23km的干潔大氣”兩類狀態為標準.(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果大氣透過率和輻射率的計算結果舉例在圖 2至圖4中給出.圖2表示到達大氣層頂的輻射率，光譜波長從4Am到Am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4Am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、0 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應用

9、和討論本計算模型是基于美國A FGL LOW TRAN 5,6,7計算結構,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，每條廓線的計算結果適用于輻射傳遞理論方面的應用和衛星遙測資料的模擬到達地球大氣外界的輻射率光譜(1986 年 1 月 2 日，P 0=1022hPa ,Tea10090u80X70CA盧A60=251.86K ,21晴空,41.08 N ,121.07 E探空資料用氣象學報1009080水汽連續吸收/水汽帶吸收/氣 j1/氣溶膠吸（1 水汽帶吸收#/丿/*水汽連續吸收30201010030050070090011

10、00 1300 1500 1700 1900 2100 2300 :波數(cmT)圖3水汽透過率和氣溶膠消光透過率光譜（說明同圖200000000098765431 (弓晞日哲j就連續吸收水汽帶吸收、W濬 H氣溶膠吸收 水汽帶吸收丿尸水汽連續吸收20101003005007009001100 1300 1500 1700 1900 2100 2300 25波數(cmT)圖4 CO 2、O 3、CH 4和N 20透過率光譜(說明同圖2基于本模型建立了NOAA 214、G M S 25氣象衛星的地球窄波段輻射率 一長波射出輻射通量密度的輻 射轉換模式，取得較好效果利用本計算模型開發出簡單實用的輻射

11、傳遞計算軟件 ，此軟件在衛星遙感地氣系統射出長波輻射(OL R資料處理中得到應用，例如衛星遙感 資料的臨邊變暗訂正公式8R (0=R ( H + A 1 + A 2R ( H(sec -H+ B 1 + B 2R ( H (seC2(1H式中R (0和R ( H分別為衛星視角為 0和H時的測值,A1 A2 B1 B2為臨邊變暗系數.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和轉換公式(14中的系數a、b、c .參考文獻1 E lsasser W M ,Culbertson M F .

12、A tmo sp heric R adiati on T ables .M eteo ro logicalM onograph s ,AM S .1960.43.2 A FCRL .ed .“A tmo spheric trans m ittaneeradia nee :Comp uter code LOW TRAN 26”.A FCRL 2TR 285,1985.3 A n di ng D avid .Ba nd 2model m ethods fo r comp ut ingatmo sp heric sla nt 2p ath mo lecular abso rp ti on .1 R

13、I A state 2of 2211期吳 曉:地球大氣透過率及輻射率計算821應用氣象學報the2art repo rt,714222127,l nfrared and Op tical Senso r L abo rato ry,W illow R unL abo rato ries,T he In stitute of Scie nee and T ech no logy,T he U ni vevsity of M ich igan .1967.4 M cC latchey R A,Fe nn R W,Selby J E,V o lz F E,Gari ng J S.O p tical

14、p rop erties of the atmo sp here,A D 753075,A FCRL27220495,1972.5 Kn eizys F Y,Shettle E P,Gallerg W O.“ A tmo sp heric trans m itta nee radia nce:The LOW TRAN5Code .SP IE V o l.277,A tmo spheric T rans m issi on.1981.119.6 Selby J E A and M cC latchey R A.A tmo sp heric trans m itta nee from0.25to2

15、8.5 A m:Computer code LOW TRAN22.A FCRL2TR27320745.1972.7上海技術物理研究所編.可見光和紅外輻射在大氣中的透過率.中國科學院上海技術物理研究所出版.1972.8吳 曉，邱康睦,陰立新.NOAA極軌氣象衛星的地氣射出長波輻射產品.衛星 氣象技術報告，9323期,1993.CALCULAT I ON OF EARTH AT MOS PHER I CTRANS M ISSIV IT Y AND RAD I ANCEW u X iao(N a tiona l S a tellite M eteorolog ica l Cen ter,B eij

16、in g100081AbstractA 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 radia nee arrived at the top of atm o sp here is in troduced.S p ectral range is from4 A m to xa m.T he E lsasser band m odel and em p irical p aram eters are u sed to cal2 cu late the ab so rp ti on of H2O,CO2a nd 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 in cided 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