關于輻射基礎知識第2頁,共79頁，2024年2月25日，星期天電磁輻射是氣象衛星遙感的基礎圖象基本識別應用衛星資料探測原理電磁波譜基本輻射量基本輻射定律輻射在地球大氣系統傳輸規律第3頁,共79頁，2024年2月25日，星期天一、電磁波譜電磁波：是能量的一種，凡是能夠釋出能量的物體，都會釋出電磁波。（高于絕對零度）電磁波譜：為了對各種電磁波有個全面的了解，人們按照波長或頻率的順序把電磁波排列起來，這就是電磁波譜第4頁,共79頁，2024年2月25日，星期天電磁波跟水波聲波等一樣λ--電磁波波長?--電磁波頻率c--電磁波傳播速度波數—C的倒數第5頁,共79頁，2024年2月25日，星期天電磁波譜第6頁,共79頁，2024年2月25日，星期天第7頁,共79頁，2024年2月25日，星期天γ射線放射性元素蛻變時產生從10-11—10-4納米能量很高，能穿透非常稠密的物質第8頁,共79頁，2024年2月25日，星期天Χ射線原子內部的電子從激發態恢復到穩態產生的有較高的頻率0.0045—10-5微米能穿透密度很大的物質第9頁,共79頁，2024年2月25日，星期天紫外線原子和分子內部電子狀態的改變引起的0.35—0.0045微米頻率較高各種物質對短的紫外線波都有強烈的吸收第10頁,共79頁，2024年2月25日，星期天可見光狹窄的波長間隔0.35—0.76微米對人眼的網膜施以一種特殊的刺激而引起視覺短紫外（紫藍綠黃橙紅）紅外長第11頁,共79頁，2024年2月25日，星期天紅外線0.76—1000微米分子原子的振動轉動產生短（近中遠）長在紅外線照射下，組織溫度升高，熱輻射、溫度輻射第12頁,共79頁，2024年2月25日，星期天微波1毫米-30厘米微波爐、天氣雷達10厘米無線電波大于30厘米第13頁,共79頁，2024年2月25日，星期天在氣象衛星遙感中，主要采用可見光波段(0.35-0.76微米)紅外波段(0.76-1000微米)微波波段(1mm-30cm)

（圖像）第14頁,共79頁，2024年2月25日，星期天微波1.58厘米探測有云時的洪水第15頁,共79頁，2024年2月25日，星期天AMSU-A微波反演可降水總量第16頁,共79頁，2024年2月25日，星期天(1)與波相關的幾個量

電磁波在真空中的傳播速度是

2.997925±0.000003×1010cm/s

3×108m/s

每秒30萬公里二、基本的輻射量第17頁,共79頁，2024年2月25日，星期天電磁波的量子特性從量子觀點看：電磁輻射可以看作是一粒一粒以光速c運動的粒子流，這些粒子稱為光量子第18頁,共79頁，2024年2月25日，星期天光譜—任何物體只要其溫度大于0K都會發出電磁輻射。電磁輻射能量的大小與波長成反比，波長越短，能量越大。第19頁,共79頁，2024年2月25日，星期天與能量相關的幾個量輻射能電磁波攜帶的能量或物體發射的全部能量用來量度輻射做物理功的本領第20頁,共79頁，2024年2月25日，星期天輻射通量(j/s,w)單位時間內通過某一表面的輻射能表示了輻射能傳遞的時間速率第21頁,共79頁，2024年2月25日，星期天輻射通量密度(wm-2)通過單位面積的輻射通量第22頁,共79頁，2024年2月25日，星期天輻照度投入到平表面上的輻射通量密度出射度(輻出度,輻射率)輻射體表面射出的輻射通量密度第23頁,共79頁，2024年2月25日，星期天電磁輻射包括太陽輻射、熱輻射、無線電波等，

它的波長范圍很廣

從10-10微米（宇宙射線）到1010微米（無線電波）第24頁,共79頁，2024年2月25日，星期天電磁輻射包括太陽輻射熱輻射無線電波等第25頁,共79頁，2024年2月25日，星期天太陽高度角：是指太陽光的入射方向和地平面之間的夾角太陽方位角：太陽方位角即太陽所在的方位，指太陽光線在地平面上的投影與當地子午線（南向）的夾角第26頁,共79頁，2024年2月25日，星期天當輻射通過介質時，

部分將透過，

部分被吸收，

部分被反射（散射）。

三部分輻射的總和等于入射到介質的輻射能量。第27頁,共79頁，2024年2月25日，星期天吸收率反射率透過率第28頁,共79頁，2024年2月25日，星期天輻射定律

（基本輻射定律）第29頁,共79頁，2024年2月25日，星期天黑體如果某一物體在任何溫度下，對任意方向和任意波長，其吸收率（或發射率）都等于1第30頁,共79頁，2024年2月25日，星期天灰體如果物體的吸收率與波長無關，且為小于1的常數第31頁,共79頁，2024年2月25日，星期天選擇性輻射體物體的吸收率（或發射率）隨波長而變在自然界中絕大多數物體是選擇性輻射體第32頁,共79頁，2024年2月25日，星期天不少選擇性輻射體在某些波長間隔內的吸收率隨波長變化很小，可以近似看作灰體

在紅外波段，不少物體的吸收率近似為1，可看做黑體第33頁,共79頁，2024年2月25日，星期天發射率（比輻射率）將輻射體的輻射通量密度與具有同一溫度的黑體的輻射通量密度作比值其值介于0與1之間第34頁,共79頁，2024年2月25日，星期天輻射平衡

如果一個物體在某一溫度從外界得到輻射能量，恰等于物體因輻射而失去的能量，

則物體的熱輻射達到平衡，

使溫度保持不變第35頁,共79頁，2024年2月25日，星期天大氣中沒有完全的熱力平衡

局地熱力平衡

設想大氣中存在如下狀態

氣體的每一體積元處在熱力平衡狀態中（對這個體積溫度而言）第36頁,共79頁，2024年2月25日，星期天以下定律

都在熱力平衡條件下成立第37頁,共79頁，2024年2月25日，星期天當黑體的溫度升高時，最大輻射值朝短波方向移動

太陽6000K，最大輻射波長0.47微米

地球256K，最大輻射波長10微米

維恩位移定律第38頁,共79頁，2024年2月25日，星期天第39頁,共79頁，2024年2月25日，星期天黑體的全波長輻射本領與絕對溫度的4次方成正比

黑體溫度只要有很小的變化，就會引起輻射很大的變化

對于用輻射精確推算溫度十分有利

斯帝芬-波耳茲曼定律第40頁,共79頁，2024年2月25日，星期天第41頁,共79頁，2024年2月25日，星期天一物體在一定溫度下

發射某一波長的輻射

則該物體在同一溫度下

吸收這種波長的輻射

基爾霍夫定律第42頁,共79頁，2024年2月25日，星期天一物體是好的吸收體

也是好的發射體

反之亦然

基爾霍夫定律第43頁,共79頁，2024年2月25日，星期天亮度溫度Tb

如果物體發射的輻射亮度（輻射強度）與溫度為Tb的黑體輻射亮度相等

黑體的溫度Tb

叫做該物體的亮度溫度第44頁,共79頁，2024年2月25日，星期天亮度溫度比實際溫度低第45頁,共79頁，2024年2月25日，星期天亮度溫度是

用衛星測到的輻射能的值

計算出來的(使用輻射定律)第46頁,共79頁，2024年2月25日，星期天黑體物體衛星100100120100100實際溫度亮度溫度輻射能輻射能第47頁,共79頁，2024年2月25日，星期天亮度溫度

10.3—12.5微米

等效黑體溫度TBB

BlackBodyTemperature第48頁,共79頁，2024年2月25日，星期天在無云或少云區

TBB是地表黑體輻射溫度,值較高

TBB高值區常與高氣壓系統相對應第49頁,共79頁，2024年2月25日，星期天在云區里

TBB是云頂的輻射溫度,值較低

TBB低值區一般為云區

尤其是夏季和熱帶地區第50頁,共79頁，2024年2月25日，星期天冬季高緯地區和青藏高原

地表溫度很低(等于或低于云頂)

難以區分無云區和中低云區第51頁,共79頁，2024年2月25日，星期天第52頁,共79頁，2024年2月25日，星期天OLR產品不是衛星觀測的直接結果，是要利用經驗的理論的方法，通過計算所得到的,屬于所謂二次產品。OutgoingLongwaveRadiation

OLR(5-50微米)

第53頁,共79頁，2024年2月25日，星期天OutgoingLongwaveRadiation

OLR(5-50微米)

窗區亮溫等效通量溫度第54頁,共79頁，2024年2月25日，星期天OLR(W/m2)和TBB

不同：物理意義、單位

相同：時間變化和空間分布

第55頁,共79頁，2024年2月25日，星期天OLR應用OLR與熱帶大氣環流OLR與大氣低頻振蕩OLR反演的熱帶散度風對ENSO的監測OLR與亞洲季風OLR與中國旱澇及西太平洋臺風OLR與強地震預報第56頁,共79頁，2024年2月25日，星期天OLR產品要大范圍、長時間的累計，才更能顯示出其潛在的價值。第57頁,共79頁，2024年2月25日，星期天舉例云量大，OLR低，數值紅外云圖云頂溫度低，OLR低，對流強OLR小，對流強，上升強，低層輻合，高層輻散；凝結釋放潛熱量大雨量大晴空洋面上OLR=SST用OLR〈240W/m2表征ITCZ，最小值連線第58頁,共79頁，2024年2月25日，星期天OLR表征ITCZ第59頁,共79頁，2024年2月25日，星期天四、太陽和地氣系統的輻射光譜第60頁,共79頁，2024年2月25日，星期天太陽輻射在大氣中的傳輸特性

太陽是一個巨大的火球

直徑約139.14萬公里

是地球直徑的104倍

太陽離地球的平均距離為1.495×108公里第61頁,共79頁，2024年2月25日，星期天太陽常數

太陽常數是指在不考慮大氣作用，在平均日—地距離處，垂直于太陽入射的表面上接收到太陽的輻照度。根據高空氣球，飛機，衛星測量到的太陽常數數值為1353瓦/米2，其估計誤差為±21瓦/米2。太陽常數的變化與太陽黑子數有關。由太陽常數可以計算單位時間內太陽輻射的總能量第62頁,共79頁，2024年2月25日，星期天地球表面測量到的太陽輻射光譜曲線

它是波長的函數

太陽輻射能主要集中于0.3—3微米

輻照度最大值位于0.47微米

大約1/4的太陽輻射能在小于0.47波段

太陽輻射能總數的46%在0.4-0.76可見光波段第63頁,共79頁，2024年2月25日，星期天地球表面測量到的太陽輻射光譜曲線

它是波長的函數

太陽輻射能主要集中于0.3—3微米

輻照度最大值位于0.47微米

大約1/4的太陽輻射能在小于0.47波段

太陽輻射能總數的46%在0.4-0.76可見光波段第64頁,共79頁，2024年2月25日，星期天太陽波譜及其輻射能量所占的比重第65頁,共79頁，2024年2月25日，星期天地球-大氣系統的輻射

紅外輻射

95%集中于4-120微米

最大輻射相應波長在10微米附近第66頁,共79頁，2024年2月25日，星期天地球接收太陽的短波輻射，

放出紅外長波輻射第67頁,共79頁，2024年2月25日，星期天95%集中于4-120微米

最大輻射相應波長在10微米附近第68頁,共79頁，2024年2月25日，星期天第69頁,共79頁，2024年2月25日，星期天太陽輻射能0.3-3.0微米，太陽溫度高達6000K，最大輻射能位于0.47微米；地球大氣系統發出的輻射主要是紅外輻射，溫度300K地球大氣輻射發出的能量的95%集中于4-120微米，最大輻射波長10微米。第70頁,共79頁，2024年2月25日，星期天第71頁,共79頁，2024年2月25日，星期天第72頁,共79頁，2024年2月25日，星期天通過大氣的太陽輻射或地球大氣系統輻射將被大氣中某些氣體所吸收，這些吸收隨波長的變化很大，在某些波段的吸收很強，而在另一些波段的吸收則很弱，在這些吸收最弱的波段，太陽輻射和地球大氣輻射可以象光通過窗戶那樣透過大氣，這些波段稱做大氣窗。第73頁,共79頁，2024年2月25日，星期天大氣窗—地表反射的太陽輻射和地球大氣系統發射的輻射在通過大氣到達衛星的途中，將被大氣中某些氣體所吸收，這些吸收隨波長的變化很大，在某些波段的吸收很強（這些波段稱做吸收帶），而在另一些波段的吸收則很弱，在這些吸收最弱的波段，太陽輻射和地球大氣輻射可以象光通過窗戶那樣透過大氣，故這些波段稱做大氣窗第74頁,共79頁，2024年2月25日，星期天(1)臭氧的吸收主要位于太陽光的紫外區0．2—0