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地球大气透过率及辐射率计算
第9卷1期
应用气象学报Vol.9,No.1 1998年2月QUARTERLYJOURNALOFAPPLIEDMETEOROLOGYFebruary1998
地球大气透过率及辐射率计算
Ξ
吴 晓
(国家卫星气象中心,北京100081提 要
文章介绍了一种比较简单实用的地球大气的光谱透过率和到达大气层顶的红外辐射率的
计算模型,光谱波长从4Λm到∞Λm,吸收气体H2O、CO2、O3的吸收计算采用Elsasser带模式及其经验参数,H2O的连续吸收公式是美国LOWTRAN26计算程序的水汽连续吸收经验公式.透过率的计算结果与LOWTRAN计算结果相一致.以这种透过率简化模型为基础,
建立了辐射传递正演计算模型,开发了相应软件,并用于卫星遥感射出长波辐射的资料处理中,取得了良好结果.
关键词:
大气透过率 辐射率 射出长波辐射
1 大气透过率的计算模型
本文计算中取光谱间距为10cm-1,计算分子带吸收、气溶胶消光、H2O分子连续吸收的大气平均透过率,分子带吸收由H2O,O3和大气均匀混和气体CO2,CH4,N2O各自的透过率组成.10cm-1波数范围内的分子带吸收平均透过率由下列公式表示[1]:
Σ=f(kw3
(1式中,k是与波数相关的吸收系数,w3是气体分子的有效吸收量,如下式表示:
w3=w(pzp0(T0Tz12(2
w是吸收气体的实际含量(用g或cm表示,p0=1个大气压,T0=293.16K.
水汽分子的连续吸收系数[2]:
kc(r=Θsrtanh(hcr2kTΘsΘ0Cs(r,T+(ΘfΘ0
Cf(r,T(3函数tanh(x=
ex-e-
xex+e-x(4Θs是水汽数密度,Θf是其它气体的数密度,Θ0是STP(气压1013hPa、气温296K状态下的空气数密度.
分为N层的大气柱的水汽连续吸收率则为:
∑Ni=1∫ikc(rds=Cs(r,296∑Ni=1∫i(Θi0Θids+[Cs(r,260-
Ξ19960628,19970918.
Cs(r,296]∑N
i=1(296-Ti296-260∫i(Θi0Θids+Cf(r,296∑Ni=1∫i(Θf0Θids(5
式中,
Cs(r,296=rtanh(hcr2k(296C
s(r,296Cs(r,260=rtanh(hcr2k(260C
s(r,260Cf(r,296=rtanh(hcr2k(296Cf(r,296Cs(r,T、Cf(r,T是水汽自加宽连续吸收系数和外加宽连续吸收系数,Cs、Cf的具体
数据见图1.
图1 (a水汽自身密度决定的连续吸收参数 (b外密度决定的水汽连续吸收参数
垂直大气柱的水汽连续吸收透过
率函数:
Σc=e-∑Ni=1∫ikc(rds(6
大气均匀混和气体CH4、N2O的
7.6Λm、7.8Λm吸收带透过率模式如
下[3]:
Σ=e
-(w3weΓ
(7式中,we是环境气压740mmHg和气
温300K,透过率Σ=e-1时的纯吸收气
体含量(单位:
cm.w3是有效吸收含量:
w3=wpz
p0(8
p0=740mmHg,w是CH4、N2O的实
际含量,经验系数Γ取值:
CH4,Γ=0.
46;N2O,Γ=0.48.
气溶胶消光的透过率函数如下[4]:
Σ=e-r∃L
(9∃L是大气路径(km,r是气溶胶消光
系数.
r=b+k
(10b是气溶胶散射系数,k是气溶胶吸收系数
.2 地球大气辐射模型对于4Λm以上的长波区,地球表面辐射作为黑体辐射处理,其辐射率由普朗克函数表示:
B(r,T=
C1r3
ec2rT-1.0(11
式中,r是波数,C1=1.191068×10-5,C2=1.438833,B(r,T是黑体辐射率(单位:
10-7Jcm2・s・sr・cm-1.
5
211期 吴 晓:
地球大气透过率及辐射率计算
穿过地球大气到达外界的辐射率B(r,T′
由辐射传递积分方程表示:
B(r,T′=B(r,T0Σbt+∫1ΣaB(r,TΣsdΣa(12
Σa是分子吸收透过率,Σs是分子散射和气溶胶散射透过率,Σbt是总透过率:
Σbt=ΣaΣs
B(r,T0是地表辐射率
.为简化计算过程,在辐射传递计算中作了如下处理:
(1大气分为40层均质层,从海平面到60km,60km以上的大气忽略不计.(2折射效应没有包括进大气路径的计算中.(310cm-1波数区间的平均透过率用一个特殊的参数化的经验公式表示,它可表示为吸收系数和有效吸收路径量乘积的函数.(4在给定波数的10cm-1区间内的总平均透过率是分子吸收带透过率、气溶胶消光透过率、水汽连续吸收透过率的乘积.(5大气的气溶胶模式以能见度VIS<5km的“雾霾大气”和VIS>23km的“干洁大气”两类状态为标准.(6计算中未考虑散射的影响.
3 大气透过率和辐射率计算结果
大气透过率和辐射率的计算结果举例在图2至图4中给出.
图2表示到达大气层顶的辐射率,光谱波长从4Λm到∞Λm,计算中使用的是41.08°N、121.07°E1986年1月2日的晴空探空资料,能见度5km.
图3表示大气整层的水汽透过率和气溶胶消光透过率,光谱波长从4Λm到∞Λm,探空资料同图2,气溶胶模式是“雾霾大气”模式.
图4表示大气整层的CO2气体吸收透过率、O3吸收透过率、CH4气体吸收透过率、
N2O气体吸收透过率
.4 应用和讨论
本计算模型是基于美国AFGLLOWTRAN[5,6,7]计算结构,透过率计算的精度、射出长波辐射率计算的精度基本满足要求.计算中使用的探空资料是1986年全球各台站探空资料,每条廓线的计算结果适用于辐射传递理论方面的应用和卫星遥测资料的模拟
图2 到达地球大气外界的辐射率光谱(1986年1月2日,p0=1022hPa,T0=251.86K,
晴空,41.08°N,121.07°E探空资料
6
21 应 用 气 象 学 报 9卷
图3 水汽透过率和气溶胶消光透过率光谱(说明同图2
图4 CO2、O3、CH4和N2O透过率光谱(说明同图2基于本模型建立了NOAA214、GMS25气象卫星的地球窄波段辐射率—长波射出辐射通量密度的辐射转换模式,取得较好效果.利用本计算模型开发出简单实用的辐射传递计算软件,此软件在卫星遥感地气系统射出长波辐射(OLR资料处理中得到应用,例如卫星遥感资料的临边变暗订正公式[8]
R(0=R(Η+[Α1+Α2R(Η
](secΗ-1+[Β1+Β2R(Η](secΗ-12(13式中R(0和R(Η分别为卫星视角为0和Η时的测值,Α1、Α2、Β1、Β2为临边变暗系数
.窄波段通道温度TB到全波段通量密度亮温TF的变换公式:
TF=a+bTB+cT2B
(14利用本正演软件,通过正演模拟计算可确定临边变暗系数和转换公式(14中的系数a、b、c.
参考文献
1 ElsasserWM,CulbertsonMF.AtmosphericRadiationTables.MeteorologicalMonographs,AMS.1960.43.2 AFCRL.ed.“Atmospherictransmittanceradiance:
ComputercodeLOWTRAN26”
.AFCRL2TR285,1985.3 AndingDavid.Band2modelmethodsforcomputingatmosphericslant2pathmolecularabsorption.IRIAstate2of2
7
211期 吴 晓:
地球大气透过率及辐射率计算
821 应 用 气 象 学 报 9卷
the2artreport,714222127,InfraredandOpticalSensorLaboratory,WillowRunLaboratories,TheInstituteofScienceandTechnology,TheUnivevsityofMichigan.1967.
4 McClatcheyRA,FennRW,SelbyJE,VolzFE,GaringJS.Opticalpropertiesoftheatmosphere,AD753075,AFCRL27220495,1972.
5 KneizysFY,ShettleEP,GallergWO.“Atmospherictransmittanceradiance:
TheLOWTRAN5Code”.SPIEVol.277,AtmosphericTransmission.1981.119.
6 SelbyJEAandMcClatcheyRA.Atmospherictransmittancefrom0.25to28.5Λm:
ComputercodeLOWTRAN2
2.AFCRL2TR27320745.1972.
7 上海技术物理研究所编.可见光和红外辐射在大气中的透过率.中国科学院上海技术物理研究所出版.1972.
8 吴 晓,邱康睦,阴立新.NOAA极轨气象卫星的地气射出长波辐射产品.卫星气象技术报告,9323期,1993.
CALCULATIONOFEARTHATMOSPHERIC
TRANSMISSIVITYANDRADIANCE
WuXiao
(NationalSatelliteMeteorologicalCenter,Beijing100081
Abstract
AsimplifiedcalculationmethodoftheearthatmosphericspectrumtransmissivityandtheIRradiancearrivedatthetopofatmosphereisintroduced.Spectralrangeisfrom4Λmto∞Λm.TheElsasserbandmodelandempiricalparametersareusedtocal2culatetheabsorptionofH2O,CO2andO3.ThecontinuousabsorptionofH2Oiscalcu2latedbyLOWTRAN26empiricalequation.ThecalculatedresultsoftransmissivityarecoincidedwiththoseofLOWTRAN.
Basedonthesimplifiedtransmissivitymodel,ara2diativetransferregressionmodelissetup,andrelevantsoftwareisdeveloped.Itisap2pliedindataprocessingofsatelliteoutgoinglongwaveradiation,andgoodresultsareobtained.
Keywords:
Atmospherictransmissivity Radiance Outgoinglongwaveradiation
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