大气传输原理

大气物理特性与结构模型

大气组成

• 气体分子、其他粒子：固体、液体、固液混合

  • 主要的大气介质元素，决定了大气折射率与分子散射的强度，其他光学性质不显著：氮，氧等
  • 主要的大气分子吸收气体，影响大气辐射平衡的主要气体成分：水汽，二氧化碳，甲烷，臭氧等
  • 微量分子吸收气体与一般认为的污染气体，大气环境监测的主要气体对象：一氧化碳，氨等

• 大气的化学成分

  • 恒定气体成分（二氧化碳，氧气）按体积比基本不随高度变化。变化气体成分会随高度变化
  • 水汽：10km以下（对流层）
    • 02讲ppt12页说水汽是均匀混合气体，似乎有错
  • 臭氧：15-40km（臭氧层），最大浓度在20-30km，具体取决于纬度与季节

• 气溶胶：大气重悬浮着的各种固态、液态和固液混合态

  • 粒径：0.001-100μm

    • 0.001~0.1μm：爱根核
    • 0.1~1μm：大粒子
    • 1~100μm：巨粒子

  • 基本气溶胶物质成分：不可溶性物质、可溶性物质、烟灰、海盐、矿物质、硫酸盐

  • 雾：悬浮在近地面空气重的微小水滴或冰晶组成的、低能见度的自然现象，水平能见度<1km

  • 霾：主要为人为因素造成的固态气溶胶系统，空气中的灰尘、硫酸、硝酸、有机碳氢化合物等组成，水平能见度<10km

  • 实际情况：不可能仅有单一成分，由上述成分按照一定比例混合

    • 均匀混合、内混合、外混合

  • 荣格幂律：拟合0.1~10μm的气溶胶数浓度谱分布
    
    其中，a为粒子半径，C为正比于气溶胶浓度的标量因子，为一个形状常数，2≤<4.

• 水汽

  • 复杂且高度可变的时空变化特征：50%在850hPa以下，90%在500hPa以下

大气结构

• 假定大气是各气体成分占一定体积比例的均匀干燥混合物，理想气体状态方程
  
  其中ρ为大气密度，p为大气压力，R为普适气体常数，T为大气温度，M为平均分子量

• 大气分层

大气运动

• 气体分子的水平运动
• 气体分子的垂直运动
• 大气湍流

通量密度

• 三种不同定义

辐射源比较

• 双向反射分布函数

• 理想（白）朗伯反射体

• 反射率：辐射出射度与入射辐照度的比值

  • 方向反射率因子：同样入照-观测几何条件下，目标物反射的辐亮度与理想漫反射板反射辐亮度的比
    • 特殊形式：双向反射因子（BRF）
    • 半球反射因子（HDRF）
  • 在特定条件下可能大于0

辐射传输方程

体散射介质辐射传输方程

• 太阳光在大气辐射传输的过程
• 消光
• 大气吸收与发射：将吸收能量转化为其他形式能量的过程，且光谱发生了变化
• 散射：角度散射系数β(Θ)，单位立体角、单位传输距离，散射到某一方向的能量的比例
• 体散射系数：单位传输距离、能量被散射到所有方向的比例
• 体吸收系数
• 体消光系数：对能力的度量
• 单次散射
• 光学厚度
• 大气总光学厚度

源函数

二流近似RTE

• 该系统有以下两个特性：

• 系统描述：

  • 辐射只来自外部
  • 用I来表示单位时间、单位面积、单色辐射能量的强度（辐通量密度）
  • 两个基本物理过程：吸收、散射

• 基本过程的参数化描述

  • 上下行辐射强度由介质的体散射系数与体吸收系数改变

    • 体吸收系数K(1/m)，体散射系数S(1/m)
    • 1/S（与1/K）为长度的单位，可以理解为吸收（散射）自由路程，即没两次吸收（散射）事件之间的平均距离
    • 坐标系：向下，数值增加

  • 散射非对称因子

    • 对各向同性介质：P↑↓ = P↓↑ ，P↑↑ = P↓↓
      • P↑↓ + P↑↑ = P↓↑ + P↓↓ = 1
    • 非对称因子g：散射角的平均余弦（在只往上下两个方向传输时等于1或者-1）
      • g = (+1)P↓↓ + (-1)P↓↑
      • g = +1：同向散射
      • g = -1：异向散射
      • g = 0：各向同性散射

  • 单次散射反照率：RTE两边同时除以消光系数E = S + K

    • 单次散射反照率：表示光子被散射的比例
      

• 积分因子法

光子行进路径长度（光学厚度空间）及其采样

• 几种特殊散射相函数的概率密度函数（PDF）及其采样

  • 体散射各向同性散射介质：
    

  • 朗伯反射面（如地面）：
    

• ID平面平行各向异性散射介质MCRT

  3. 用吸收和散射系数计算光子被吸收与被散射的概率，判断光子是被吸收或被散射

     判断是散射还是吸收：用ξ是否大于a判断是反射还是吸收

     经过大量重复以上过程，可以得到该平面反射与透射的光子的比例的估计

  4. H-G散射相函数

     散射相函数是用来描述散射出射与入射方向夹角θ的函数

大纲

一、大气辐射传输方程（RTE）建立与经典解法

• 大气结构、基本定理（1-3）
• 基本物理量与RTE建立（4）
• RTE经典解法
  • 二流近似及其扩展（5-8）
  • 蒙特卡洛光线追踪方法（9-11）

二、大气RTE中光学参数化原理及方法

• 大气（气溶胶）光散射（12）
• 大气（分子）吸收（13）
• 大气RTE光学参数化综合应用实践（14）