大氣效應及建模第1頁大氣組成

第2頁大氣組成大氣垂直結構Troposphere(對流層)Stratosphere(平流層)Mesosphere(中間層)

Thermosphere(熱層)大氣廓線？第3頁大氣組成對流層鄰近地表一層。厚度最薄，大氣質量80%，水汽90%。低緯：16~18km;中緯：10~12km;高緯：7~9km.特點：溫度隨高度增加不停下降，平均6.5oC/km，天氣改變都發生在該層。垂直方向空氣運動激烈。自地面至2m高范圍為貼地層,晝夜溫度改變10oC。從地面到1~2km為行星邊界層，富含氣溶膠粒子，氣溶膠密度隨高度指數衰減。在行星邊界層以上，主要為分子散射。第4頁大氣組成平流層從對流層頂到50~55km。約20%大氣質量，水汽少，臭氧(10~40km)豐富，吸收太陽紫外輻射，氣體密度低，分子動能大。特點：20~32km,同溫層。同溫層之上，溫度隨高度增加而增加，到平流層頂溫度停頓增加。無垂直運動，穩定，造成氣溶膠能夠停留很長時間。第5頁大氣組成熱層從中間層頂到幾百公里。特點：密度很低，溫度約500~K。又稱電離層，反射無線電波。沒有固定化學組成。中間層從平流層頂到80~85km。特點：溫度遞減化學組成非常均勻，壓力很低。中間層頂溫度通常最低：-95oC---遙感通常考慮高度范圍？第6頁大氣組成AtmosphericConstituentsPermanentGases:基本百分比固定，且沒有空間改變。Nitrogen(N2):78.084%byvolumeOxygen(O2):20.948%Argon(Ar):0.934%Carbondioxide(CO2):0.033%

濃度可變第7頁大氣組成GaseswithVariableConcentration:隨空間及時間改變顯著。Watervapour(H2O)：0~4%隨溫度、氣壓有猛烈改變，有很強時空改變特征。集中在對流層下半部，隨高度增加而急劇遞減。

飽和水汽壓 混合比與比濕 水汽壓 水汽密度（絕對濕度） 相對濕度 露點與霜點 虛溫第8頁大氣組成GaseswithVariableConcentration:Ozone(O3)：0~12*10-4吸收紫外，造成平流層增溫，有顯著地域和季節性改變。垂直結構也比較復雜。Sulphurdioxide(SO2)Nitrogendioxide(NO2)Ammonia(NH3)Nitricoxide(NO)Hydrogensulphide(H2S)Nitricacidvapour(HNO3)Nitrousoxide(N2O)Carbonmonoxide(CO)第9頁大氣組成Solidandliquidparticulates:氣溶膠、水滴、冰晶，可能會聚集為云和霾。氣溶膠：大氣中大量懸浮固體和液體粒子。經典有霾(灰塵)、煙、霧氣溶膠起源:1）自然：火山、沙暴、林火煙灰、各種酸性粒子。2）人類活動：工業、交通、建筑、農業等氣溶膠大小:5*10-3~0.2mm,愛根核(Aitkennuclei)；

0.2~1mm,大粒子；

>1mm,巨粒子氣溶膠分布:對流層內：濃度隨高度指數衰減(因為降水，不能維持很久)平流層中：穩定PM10\PM2.5\TSP？第10頁Mainconstituentsoftheearth'satmosphere第11頁大氣效應第12頁 大氣中主要組成物氮（N2）和氧（O2）對輻射吸收主要位于紫外波段，因為大氣上層臭氧存在，而臭氧對小于0.3微米電磁波含有極強吸收能力，所以抵達地面太陽短波輻射中，已不存在小于0.3微米短波輻射了，所以氧（O2），氮（N2）吸收作用也就不主要了。

從可見光到紅外到微波波段，起主要作用是大氣中一些少許多變氣體，它們是臭氧（O3），水汽（H2O），二氧化碳（CO2），甲烷（CH4），氮氨化物（N2O），一氧化碳（CO）等，（以60GHZ為中心微波氧（O2）吸收帶除外）。

大氣吸收 第13頁

水汽（H2O）是大氣中主要吸收成份，水汽是一個不對稱陀螺分子形狀。因為正、負離子重心不重合，所以水分子是一個極性分子，含有很強電偶極矩;

水汽最強和最寬振轉吸收帶為以6.3微米為中心吸收帶，其次還有兩個分別以2.74微米和2.66微米為中心吸收帶，此處，在近紅區還有很多吸收帶，1.4、0.94等。水汽吸收0.00.20.40.60.81.00.20.40.60.81.01.21.41.61.82.02.22.42.62.83.03.23.43.63.84.0第14頁 它在紅外區吸收為15微米為中心，范圍為13.5—16.5微米強吸收帶。 其二，為以4.3微米為中心吸收帶； 除此之外還有中心在10.4微米,9.4微米,5.2微米,4.8微米,2.7微米,2.0微米,1.6微米及1.4微米弱吸收帶都比窄，寬度約為0.1微米量級，所以普通能夠不予考慮。

二氧化碳吸收第15頁 臭氧對紫外光有強烈吸收作用致使波長短于0.3微米太陽輻射無法抵達地面，在0.6微米附近有一個弱吸收帶；

在紅外區，以9.6微米為中心有一個較強吸收帶，其次在4.75微米有一個較顯著吸收帶，在14微米附近吸收帶與CO2強吸收帶重迭。

臭氧吸收第16頁大氣吸收 第17頁大氣吸收 第18頁

經過大氣層太陽輻射大氣吸收 第19頁大氣效應散射第20頁大氣效應尺度參數a<0.6,小分子散射(Rayleigh散射)400>a>0.6,大分子散射(Mie散射)a>400,折射和反射散射第21頁n=折射指數N=單位體積內粒子個數瑞利散射第22頁米散射1908年，G.Mie對電磁波經過球開粒子麥克斯韋方程組求解，得出球形粒子散射與吸收表示式。（推導從略）第23頁大氣效應實際大氣透過率受散射與吸收影響。第24頁大氣效應建模第25頁所以，考慮散射源函數后，輻射傳輸方程能夠展開為：回想平面平行介質中傳輸方程為：第26頁大氣效應建模第27頁大氣效應建模Absorbingground大氣等效反射：第28頁大氣效應建模EiEt大氣透射：第29頁