基于地球紅外背景模擬的水云大氣影響初步分析

叢 研，韓玉閣

（南京理工大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，南京210094）

基于地球紅外背景模擬的水云大氣影響初步分析

叢 研，韓玉閣

（南京理工大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，南京210094）

為支持地球紅外背景的模擬研究，以天基觀測為前提，計算了2個大氣窗口下，4個具有典型大氣和地表特征的區(qū)域在水云大氣下的路徑透過率和各成分輻射亮度。通過相對變化比例，討論了地球背景模擬中水云與地表的圖像區(qū)分以及地域的影響。結(jié)果表明，水云對地球背景輻射傳輸影響顯著：云層下方輻射會被強(qiáng)烈衰減，同時觀測路徑中的散射輻射大幅增強(qiáng)。在同一選定區(qū)域下，積云大氣的觀測路徑亮度相對無云大氣下變化最大，在相同水云類型條件下，大氣散射和太陽散射亮度在不同區(qū)域區(qū)別較大，說明在模擬水云地球背景時不能忽略地域的影響。計算和分析結(jié)果可為地球背景模擬中的水云紅外圖像生成提供一定的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)和技術(shù)支持。

水云大氣；地球背景模擬；傳輸特性

航空航天技術(shù)的不斷發(fā)展對空間目標(biāo)探測技術(shù)提出更高的要求，而紅外背景模擬是探測技術(shù)中的重要研究手段。在高軌探測器對低軌目標(biāo)進(jìn)行觀測時，地球是目標(biāo)所處的主要的背景。而實際地球背景中的各種氣象，如云、雨、霧等的出現(xiàn)對紅外目標(biāo)的探測和識別有很強(qiáng)的干擾作用。水云作為大氣中的重要組成部分，常年覆蓋地球表面，探究水云大氣對地球紅外背景輻射傳輸?shù)挠绊?，對實現(xiàn)水云大氣下地球紅外背景模擬是十分必要的。

目前，國內(nèi)學(xué)者已針對地球紅外背景模擬方面展開了研究。韓玉閣等[1-3]較早地采用概率統(tǒng)計和分形技術(shù)2種方法研究了天然地形的生成問題，并計算了不同的植被類型和土壤類型的溫度圖像。張偉清等[4]通過建立地表區(qū)域溫度模型和紅外輻射亮度模型，對地球紅外輻射背景成像方法進(jìn)行了研究，并在考慮地表、海拔高度、地理和大氣傳輸?shù)幕A(chǔ)上，模擬得到了地球紅外背景等。楊帆[5]和張中健等[6]基于衛(wèi)星數(shù)據(jù)，反演了全球地表溫度并建立了全球地表紅外輻射模型，得到了較為精細(xì)的地球背景紅外輻射圖像，如圖1所示。但該模型中并沒有考慮氣象條件的影響，這使得其應(yīng)用受到一定的限制。因此，根據(jù)水云的輻射特性建立相應(yīng)輻射模型是完善地球背景模擬的重點(diǎn)問題，郭新軍等[7]較早的總結(jié)和比較了現(xiàn)有的云紅外輻射模型，并在前人研究成果的基礎(chǔ)上建立了導(dǎo)引頭實際接收的表觀光譜輻射亮度模型；婁樹理、周曉東等[8]通過引入云光學(xué)厚度的經(jīng)驗公式，計算了云層表面的亮度分布；高永攀[9]等計算了低云背景在1～5μm的表觀光譜輻亮度。但以上的研究都以天空背景為前提，幾乎沒有研究者基于地球背景模擬的前提對水云大氣影響進(jìn)行研究。

基于楊帆等[5]建立的地球紅外背景模型，以4個具有典型地表和大氣特征的區(qū)域為對象，計算了各區(qū)域下水云大氣的路徑透過率和背景輻射中各成分的輻射亮度。通過總輻射亮度的相對變化比例，分析了地球背景模擬中水云與地表的區(qū)分以及地域所產(chǎn)生的影響等問題。計算和分析結(jié)果可用于完善已有的地球紅外背景模型，同時對地球背景下的水云紅外圖像生成提供一定的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)和技術(shù)支持。

1 水云大氣下地球背景輻射傳輸?shù)挠嬎?/h2>

1.1 觀測模型

本文針對高軌探測器在觀測天頂角180°的情況下進(jìn)行計算和分析，如圖2所示。當(dāng)垂直向下觀測地球背景時，如果觀測路徑中無云，探測器接收到的總輻射主要包括大氣熱輻射、地表輻射和少量的散射（可忽略）；當(dāng)觀測路徑穿過云時，探測器接收到的地球背景紅外輻射主要包括地表紅外輻射、大氣自身熱輻射以及大氣對其他成分輻射散射等。

觀測路徑中出現(xiàn)云時，總輻射為：

式（1）中：Eall為探測器接收到的總紅外輻射量；Eatm為云和探測器之間大氣的紅外輻射；Ecld為云層表面自身的紅外輻射；Ebkg為云所處背景（如草地、森林、沙漠等）紅外輻射；Esun為云頂反射的太陽輻射；Esat為大氣對自身熱輻射和太陽輻射的散射輻射；τa為云和探測器之間大氣的透過率；τac為云和地表之間大氣的透過率；εc為云層表面比輻射率；τc為云層內(nèi)部的透過率。

地表熱輻射和云體都可看作為灰體輻射，根據(jù)普朗克公式求得，計算為：

式（2）中：k和h分別為普朗克和玻爾茲曼常數(shù)；c0是真空中的光速。

地表的溫度和發(fā)射率可由地表類型確定。云團(tuán)的自身透過率普遍通過文獻(xiàn)[10]中給出的經(jīng)驗公式

式（3）中：W是云的平均含水量（g/m3）；Z是云的厚度（km）；β和α是基于實測的修正系數(shù)，如對層云，α=0.92、β=0.27，對高層云，α=0.95、β=0.20，對積云，α=0.96、β=0.16等。

經(jīng)計算，水云在3～5μm主要以反射為主，反射率約為0.7，在8～14μm波段主要以吸收為主，吸收率大于0.9。其余各段大氣熱輻射、散射以及太陽輻射和各段大氣透過率可由國際上通用的大氣傳輸模型MODTRAN4[11-13]計算得到。

1.2 背景區(qū)域與云類型選擇

地球紅外背景觀測模型需要實現(xiàn)對不同地域的觀測模擬，而不同地域云的類型、氣溶膠、大氣模式和地表類型都對地表與水云之間的區(qū)分產(chǎn)生影響。氣溶膠主要表現(xiàn)為粒子類型和大小的差異，而不同大氣模式下水云粒子大小、分布等物理參數(shù)受到影響?？紤]到模型的適用性和模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，文中選出地球背景中4個面積較大，同時地表和氣候特征較明顯的地區(qū)作為研究對象。根據(jù)文獻(xiàn)[14]中反演的全球地表類型，所選區(qū)域在圖1標(biāo)出中，對應(yīng)的大氣模式由緯度和當(dāng)?shù)貧夂蛱攸c(diǎn)確定。結(jié)合文獻(xiàn)[15-16]中的不同水云的形成條件，給出各地區(qū)出現(xiàn)的典型水云。表1為4個所選地區(qū)的所在位置、地表、大氣模式等參數(shù)。

表1 各地區(qū)計算參數(shù)Tab.1 Calculation parameters of different areas

2 結(jié)果分析與討論

2.1 云底路徑透過率

為分析各種水云的出現(xiàn)對云底輻射的影響，選取水汽充足、空氣對流旺盛的赤道熱帶大氣模式，計算了地表與云底間的路徑透過率。其中不同水云的云底高度、厚度等具體參數(shù)采用參考文獻(xiàn)[17]提供的數(shù)據(jù)，由于水云的高度和厚度各不相同，故采用不同的觀測終止高度和計算間隔用以體現(xiàn)觀測路徑透過率隨高度的變化趨勢，計算參數(shù)由表2列出，并給出4種水云大氣下的路徑透過率計算結(jié)果如圖3～6所示。

表2 不同云路徑透過率計算參數(shù)Tab.2 Calculation parameter of path transmittance for different clouds

從結(jié)果可看出，盡管對4種水云情況采用了不同觀測高度和計算間隔，但兩窗口下的路徑透過率總體變化趨勢一致：當(dāng)觀測點(diǎn)距離云底較遠(yuǎn)時，路徑透過率較高并受大氣分子在4.3μm、2.7μm和6.3μm吸收帶以及水汽連續(xù)吸收的影響；在觀測點(diǎn)逐漸升高并接近云底時，水云對兩窗口下的路徑透過率的影響明顯，透過率均快速減??；在接近云底高度時，路徑透過率接近為0。這表明整個觀測路徑中的輻射受到水云的大幅衰減，與文獻(xiàn)[18-20]中提出的云的黑體模型有較好的吻合。

在8～14μm窗口，輻射的衰減主要源于水汽的連續(xù)吸收作用。水汽含量在云底的急劇增加造成了路徑透過率在觀測點(diǎn)到達(dá)云底高度前的大幅降低。雨層云的計算結(jié)果表現(xiàn)出受水汽連續(xù)吸收的影響尤為突出，這主要是由于雨層云云底通常彌漫與地面相接，路徑中較高的水汽含量加劇了輻射的衰減，使透過率快速減小。

2.2 輻射傳輸特性

由于MODTRAN4大氣傳輸模型中并未考慮高層大氣的非局地?zé)崃ζ胶鉅顟B(tài)，觀測點(diǎn)高度選擇為60km[21]。為討論水云的出現(xiàn)對整個觀測路徑中各成分紅外輻射亮度的影響，以非洲南部地區(qū)為例，計算了觀測路徑在無云大氣和4種水云大氣下的大氣熱輻射（PTH THRML）、大氣熱散射（THRML SCT）、地表發(fā)射（SURF EMIS）、太陽輻射散射（SOL SCAT）和地表反射（GRND RFLT）5種紅外輻射成分的亮度。大氣模式和地表類型由表中列出，氣溶膠選擇城市型，觀測天頂角180°，格林尼治時間12：00，太陽方位角等參數(shù)通過MODTRAN4自動計算。無云大氣條件的計算結(jié)果如圖7所示。

從圖7中可看出，無云時探測器可很好的接收到來自地表的輻射。除在4.3μmCO2分子強(qiáng)吸收帶處成分亮度的衰減外，地表反射約占路徑總亮度的30%，在3～4.3μm波段比例更高，總亮度剩余70%主要由地表熱輻射、大氣熱輻射和少量太陽散射構(gòu)成。在4.3～5μm波段，地表反射逐漸減弱而大氣熱輻射和地表發(fā)射逐漸增強(qiáng)，太陽散射所占比例降低。在整個3～5μm窗口，路徑總輻亮度主要由地表反射、地表和大氣熱輻射構(gòu)成。8～14μm窗口處于地球熱輻射的主要波段，探測器接收到的輻射中地表熱輻射和大氣熱輻射占據(jù)了總輻射的90%以上，其中地表熱輻射受O3的9.6μm強(qiáng)吸收帶和CO2的16μm吸收帶影響。由于太陽輻射在8～14μm波段貢獻(xiàn)很小，太陽散射和大氣熱散射均可忽略不計，路徑總輻亮度主要由地表和大氣熱輻射構(gòu)成。

圖8是3～5μm大氣窗口下觀測路徑依次穿過雨層云、層云、層積云、積云時各成分亮度的分布情況。對比無云條件的計算結(jié)果可明顯看出水云對觀測路徑的輻射傳輸特性有顯著的影響，主要表現(xiàn)為對地表輻射的衰減和對散射輻射的增強(qiáng)。云底的輻射無法透過云層被探測器接收，這與前文中云底路徑段透過率的計算結(jié)果相符。在3～4.3μm波段接收到的輻射主要由太陽散射、大氣熱輻射和大氣熱散射構(gòu)成，其中散射亮度值相比晴朗無云時有明顯的增加，層積云的散射作用是4種水云中最強(qiáng)烈的。在4.3～5μm探測器接收到的輻射基本只有大氣熱散射和自身熱輻射，大氣對太陽輻射的散射可忽略。在3～5μm波段，路徑總輻亮度主要由大氣熱輻射和散射輻射構(gòu)成。

圖9是8～14μm窗口觀測路徑依次穿過雨層云、層云、層積云、積云時各輻射成分的亮度分布情況。對比各圖可看出4種水云條件下的亮度分布相似，但與無云條件下存在較大差異。在8～14μm窗口，觀測路徑中來自地表的輻射被云全部衰減，同時大氣熱散射作用加強(qiáng)，探測器接收到的僅為大氣輻射和散射。

根據(jù)以上計算結(jié)果給出2個窗口下無云和4種水云大氣下觀測路徑總輻射亮度對比，如圖10所示。

水云與地表的紅外圖像區(qū)分是實現(xiàn)地球紅外背景模擬的重點(diǎn)問題。

根據(jù)前文的計算結(jié)果，定義水云大氣觀測路徑輻亮度相對于無云條件下的相對變化比例為：

式（4）中：Lcloud表示4種水云大氣下的觀測路徑總輻亮度；Lcloudless表示無云大氣下的觀測路徑總輻亮度。

當(dāng)ε=81.8%時，各水云大氣條件下的輻亮度值是無云條件的10倍，即二者相差一個數(shù)量級。變化比例計算結(jié)果如圖11所示。

從圖11中可看出，在3～5μm窗口，波長小于3.3μm時四種水云條件的相對變化比例基本相同，相比無云條件變化比例約一個數(shù)量級，這主要由于水云對太陽輻射的散射作用。在3.3～4.3μm波段，4種水云條件的相對變化比例出現(xiàn)較明顯差異，從小至大依次為層積云、層云、雨層云、積云。在4.3～5μm和8～14μm波段，各條件相對變化率未出現(xiàn)明顯波動，但順序發(fā)生變化，從小至大依次是雨層云、層云、層積云、積云，其中積云的變化率在4.5～5μm波段在25%左右，8～14μm波段在10%左右；層積云變化率在4.5～5μm波段在10%左右，在8～14μm在5%左右；雨層云和層云的變化比例在4.5～5μm波段小于10%，在8～14μm波段小于5%。

基于以上對相對變化比例的分析可看出，3～5μm窗口下4中水云的變化率明顯高于8～14μm，這意味著3～5μm窗口是地球背景模擬中實現(xiàn)水云與地表的紅外圖像區(qū)分的理想窗口。積云的變化比例在2個窗口中均為最大，在3～5μm窗口約達(dá)到 30%，在8～14μm窗口達(dá)到8.4%，這使得積云的紅外圖像在兩個窗口中均易于區(qū)別地表和其他3種水云。剩余3種水云的變化比例在3～5μm窗口相對較大且近似，在8～14μm窗口彼此差值小于5%。這表明對于雨層云、層積云和層云，3～5μm窗口是模擬中區(qū)別3種水云和地表的理想窗口，但3種水云之間在兩個窗口的變化比例差值均較小，不同云種間不易區(qū)分。

2.3 地域的影響

對文中其他地區(qū)列出的水云條件進(jìn)行計算，結(jié)果顯示云底段路徑透過率是相同的，這表明氣溶膠和大氣模式的改變對云底段路徑的透過率的影響不明顯。但大氣熱散射和太陽熱散射受氣溶膠和大氣模式的影響較大。以文中選定區(qū)域中均出現(xiàn)的雨層云大氣為例，設(shè)定中國西北部地區(qū)2種散射輻亮度的計算結(jié)果為標(biāo)準(zhǔn)值，計算其他地區(qū)不同氣溶膠和大氣模式兩種散射輻亮度的相對變化比例ε，計算結(jié)果如圖12、13所示。圖中計算條件按地表類型、大氣模式、氣溶膠類型排列，如Grass MS UB代表草原地表、中緯度夏季大氣模式、城市氣溶膠的計算條件。

從圖12、13中可以看出：2種散射輻射亮度在不同條件下的相對變化比例較大，并與大氣模式和氣溶膠具有較大的相關(guān)性。大氣熱散射受大氣模式影響顯著，且隨緯度的升高而減小，即在赤道熱帶大氣條件下最強(qiáng)而在亞寒帶大氣最弱，這與大氣熱輻射的變化趨勢是相符的。太陽散射亮度的變化比例在3～5μm波段波動較大，但在8～14μm窗口表現(xiàn)出較明顯的變化趨勢。從圖13中可知，太陽散射亮度受大氣模式和氣溶膠的共同影響：①相同大氣模式下城市氣溶膠散射亮度強(qiáng)于鄉(xiāng)村氣溶膠散射亮度；②相同氣溶膠條件下，隨緯度的升高而升高，赤道熱帶大氣條件下最弱而在亞寒帶大氣條件下最強(qiáng)，而在兩者共同作用時，氣溶膠的影響更顯著。通過分析和比較，可看出在模擬地球紅外背景的水云時，地域影響不可忽略。

3 結(jié)論

1）低層水云對云底輻射影響相似，當(dāng)云層遮蓋地表時，探測器將無法探測到地表輻射，底層水云在兩窗口的灰體模型具有較好的適用性。

2）3～5μm窗口，由于太陽輻射的作用，相比無云條件，水云表現(xiàn)出強(qiáng)烈的散射背景；8～14μm窗口探測器接收到的主要是云的背景熱輻射和大氣熱散射。

3）積云大氣在兩個窗口下的觀測路徑總輻射亮度變化比例均是最大的，在3～5μm窗口達(dá)到30%，這表明在地球背景模擬中積云的紅外圖像最易于區(qū)分地表和其他水云。其他3種水云在3～5μm窗口易區(qū)別于地表，但彼此間在2個窗口均不易區(qū)分。

4）地域是水云地球背景模擬中不可忽略的因素，主要表現(xiàn)為大氣模式和氣溶膠對大氣和太陽的散射影響。大氣熱散射強(qiáng)度隨緯度升高而降低，太陽散射受氣溶膠和大氣模式的共同影響。

根據(jù)以上分析可知，地球背景輻射在水云大氣下傳輸特性與晴朗大氣存在較大差異。3～5μm窗口是背景模擬中區(qū)分水云和地表的重要窗口，同時地域在模擬地球背景中的水云時是不可忽略的因素。

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Preliminary Analysis of the Water-Cloud Atmosphere’s Effect Based on Earth-Background Infrared Simulation

CONG Yan,HAN Yuge
（School of Energy and Power Engineering,Nanjing University of Science and Technology,Nanjing 210094,China）

To improve the earth-background radiation model,path transmittance of water-cloud atmosphere and compo?nents of earth-background radiance in 4 target areas,based on real surface type and climate,were calculated.Through rel?ative change ratio,the identification of water-clouds IR picture and the influence of aerosol and atmospheric models over the solar and atmospheric scattered radiation were analyzed.The results showed that water-clouds exert significant influ?ence on the process.Radiance below the clouds were rapidly attenuated while the scattered radiance were greatly en?hanced.In the same area,cumulus causesd the biggest change to observing-path radiance.Besides,scattered radiance dif?fered respectively from each other in different areas,which proved aerosol and atmospheric model are indispensible factors for simulating water-clouds in earth-background radiance.The calculation and analysis results could provide data and technology support for generating water-clouds'IR picture in earth-background radiation simulation.

water-cloud atmosphere;earth-background simulation;characteristics of radiation

TN215

：A

1673-1522（2017）01-0129-09

10.7682/j.issn.1673-1522.2017.01.006

2016-11-08；

：2016-12-07

國家863計劃基金資助項目（2015AA8105039）

叢 研（1990-），男，碩士生。