[科普中国]-大气辐射传输

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大气辐射传输学是研究辐射能在地球大气中的传输和转换过程的学科，是气象学和大气物理学中一个较为古老，近年来又获得新的发展的分支。大气辐射传输学的理论基础建立在分子光谱学和电磁波传播理论之上，其近代应用则主要是大气遥感和气候研究。

大气辐射传输是指电磁波在大气界质中的传播输送过程。大气中吸收太阳辐射的主要成分是氧气、臭氧、水汽、二氧化碳、甲烷等，不同气体对不同波段辐射的吸收作用也不同。这种性质称为大气对辐射能的选择吸收。散射作用的强弱取决于入射电磁波的波长及散射质点的性质和大小。当散射粒子的尺度远小于波长时，称为分子散射或瑞利散射，散射系数与波长的四次方成反比，主要是空气分子的散射。当粒子尺度可与波长相比拟时，称为米氏散射，散射系数是波长和粒子半径的一个复杂函数。当粒子尺度远大于波长时，称为无选择性散射。散射系数与波长无关。电磁波在大气中的传输规律对于研究地球辐射能量收支、环境资源遥感及反演大气温度和湿度的分布情况有重要意义。

原理电磁辐射在介质中传输时，通常因其与物质的相互作用而减弱。辐射强度的减弱主要是由物质对辐射的吸收和物质散射所造成的，有时也会因相同波长上物质的发射以及多次散射而增强，多次散射使所有其它方向的一部分辐射进入所研究的辐射方向。当电磁辐射为太阳辐射，而且忽略多次散射产生的漫射辐射时，光谱辐射强度的变化规律可以表述为 dIλ/kλρds=-Iλ 1

式中，Iλ是辐射强度，s是辐射通过物质的厚度，ρ是物质密度，kλ表示对波长λ辐射的质量消光截面。令在s=0处的入射强度为Iλ（0），则在经过一定距离s1后，其出射强度可由上式积分得到 Iλ(s1)=Iλ(0)exp（ kλρds）

假定介质是均匀的，则kλ与距离s无关，因此定义路径长度

则上式可表示为Iλ（s1）=Iλ（0）exp（-kλμ）

上式就是比尔定律，也称朗伯定律。它指出，通过均匀消光介质传输的辐射强度按简单的指数函数减弱，该指数函数的自变量是质量消光截面和路径长度的乘积。它不仅适用于强度量，而且也适用于通量密度和通量。

根据式子我们可以定义单色透过率Tλ为 Tλ=Iλ（s1）/Iλ（0）

式中，μ为θ的余弦值。

一般在大气辐射传输实际应用中，假定局域大气为平面平行的，因此只允许辐射强度和大气参数（温度和气体分布廓线）在垂直方向（即高度和气压）上变化，这种假定在物理意义上是适当的。1

典型模型随着对气候变化、环境监测、大气遥感等领域研究的深入，大气辐射传输研究的重要性日益凸显，往往需要进行辐射传输模拟，计算大气透过率、光谱辐亮度等参数，进行部分气象要素的反演等，因此亟需发展快速精确、普遍适用的辐射传输模式。2

从20世纪80年代起，国外一些学者对遥感影像的大气订正研究做了许多工作，在模拟地—气过程的能力上有了很大提高，发展了一系列辐射传输模型，如6S、LOWTRAN、MODTRAN和FASCODE模型等，下面分别介绍。1

6S模型6S（SecondSimulationoftheSatelliteSignalintheSolarSpectrum）模型估计了0.25-4.0μm波长电磁波在晴空无云条件下的辐射特性，是在Tanre等人提出的5S(SimulationoftheSatelliteSignalintheSolarSpectrum)基础上发展而来的。它在假设均一地表的前提下，描述了非朗伯反射地表情况下的大气影响理论，而后Vermote又将其改进为6S模型。

6S模型主要包括以下5个部分:太阳、地物与传感器之间的几何关系，大气模式，气溶胶模式，传感器的光谱特性和地表反射率，它考虑了太阳的辐射能量通过大气传递到地表，再经地表反射通过大气传递到传感器的整个传播过程。对于吸收系数的计算公式，采用了吸收线的随机指数分布统计模式，这对于宽带传感器是一种很好的近似。为了考虑多次散射及分子散射与气溶胶散射及其相互作用，6S采用最新近似(state-of-the-art)和连续散射SOS(SuccessiveOrderofScattering)方法来求解辐射传输方程。1

LOWTRANLOWTRAN是由美国地球物理实验室开发的单参数，谱带模式的大气传输模型，是计算大气透过率及辐射的软件包，其原意是“低谱分辨率大气透过率计算程序”，适用于从紫外、可见、红外到微波乃至更宽的电磁波谱范围内，包括云、雾、雨等多种大气状况的大气透过率及背景辐射。1

MODTRANMODTRAN是LOWTRAN的改进模型，其程序的基本结构和框架保持原样。它覆盖了0-22600cm-1(即波长0.44μm-∞)的光谱范围，具有2cm-1的光谱分辨率。它利用二流(twosteams)近似模型考虑大气多次散射效应。MODTRAN是一个中分辨率大气辐射传输模型，吸收带模式参数用最新HITRAN数据库计算而得，采用Curtis-Godson近似将多层的分层路径近似为等价的均匀路径，而且可以计算热红外的辐射亮度、辐照度等。1

FASCODEFASCODE是一个全世界公认的、以完全的逐线Beer-Lambert算法计算大气透过率和辐射的软件，它的分辨率很高，提供了“精确”透过率计算，并且考虑了非局地热力平衡状态的影响，原则上它的应用高度不受限制。因此，FASCODE通常用作评估遥感系统或参数化带模型的标准，也常用于大气精细化结构的研究。1