地球大气红外辐射特性研究现状

持　藏瓣　囊　褂　曩　叠　０－　。０　０ｌｌｌ０ｌｌ＿ｌｌｌｌｌ…　ｌｌ＿ｌｌｌｌ＿＿Ｉｌ＿ｌｌ　＿　ｌｌ７　文章编号：１６７２—８７８５（２０１３）１０—０００７－０３　地球大气红外辐射特性研究现状　孙延奇　蒋奇材　范彩平　（１．６５０４１部队７１分队，辽宁沈阳１１０１１３；　２．７８４５６部队，四川成都６１００６６）　摘　要：简要介绍了国外地球大气红外辐射特性的研究进展。重点从利用国外成熟软件　进行计算、基于基础理论开展相关研究以及自主研发大气辐射计算软件等三个方面，　综述了国内在地球大气红外辐射特性方面的研究现状，并讨论了国内相关领域需要作　进一步研究的内容。　关键词：地球大气；红外辐射特性；研究现状　中图分类号：ＴＰ３１９　文献标识码：　Ａ　ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７２—８７８５．２０１３．１０．００２　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ＳｔａｔＵＳ　ｏｆ　Ｉｎｆｒａｒｅｄ　Ｒａｄｉａｔｉｏｎ　Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　Ｅａｒｔｈ　Ｓ　Ａｔｍｏｓｐｈｅｒｅ　ＳＵＮ　Ｙａｈ—ｑｉ　１，ＪＩＡＮＧ　Ｑ．－ｃａｉ　２，ＦＡＮ　Ｃａｉ—ｐｉｎｇ　．Ｄｅｔａｃｈｍｅｎｔ　７１　ｏｆ　６５０４１　Ｔｒｏｏｐ，Ｓｈｅｎｙａｎｇ　１１０１１３，Ｃｈｉｎａ　２．７８４５６　Ｔｒｏｏｐ，Ｃｈｅｎｇｄｕ　６１００６６，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ａｄｖａｎｃｅ　ｉｎ　ｉｎｆｒａｒｅｄ　ｒａｄｉａｔｉｏｎ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ｅａｒｔｈ’Ｓ　ａｔｍｏｓｐｈｅｒｅ　ａｔ　ａｂｒｏａｄ　ｉＳ　ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ　ｉｎ　ｂｒｉｅｆ．Ｐａｒｔｉｃｕｌａｒｌｙ．ｔｈｅ　ｄｏｍｅｓｔｉｃ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｓｔａｔｕｓ　ｏｆ　ｉｎｆｒａｒｅｄ　ｒａｄｉａｔｉｏｎ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ｅａｒｔｈ’Ｓ　ａｔｍｏｓｐｈｅｒｅ　ｉｓ　ｏｖｅｒｖｉｅｗｅｄ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｆｏｌｌｏｗｉｎｇ　ｔｈｒｅｅ　ａｓｐｅｃｔｓ：ｔｈｅ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　ｗｉｔｈ　ｆｏｒｅｉｇｎ　ｍａｔｕｒｅ　ｓｏｆｔｗａｒｅ，　ｔｈｅ　ｒｅｌａｔｅｄ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｂａｓｉｃ　ｔｈｅｏｒｙ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ａｎｄ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆ　ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ　ｉｎｆｒａｒｅｄ　ｒａｄｉａｔｉｏｎ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　ＳＯｆｔｗａｒｅ．Ｆｉｎａｌｌｙ．ｔｈｅ　ｒｅｌａｔｉｖｅ　ｃｏｎｔｅｎｔ　ｗｈｉｃｈ　ｎｅｅｄ　ｔｏ　ｂｅ　ｆｕｒｔｈｅｒ　ｓｔｕｄｉｅｄ　ｉｓ　ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｅａｒｔｈ　Ｓ　ａｔｍｏｓｐｈｅｒｅ；ｉｎｆｒａｒｅｄ　ｒａｄｉａｔｉｏｎ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ：ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｓｔａｔｕｓ　０引言　由于地球大气的红外辐射和传输特性对军　事和民用领域中的许多应用具有重要影响，国　内外研究人员已经对其进行了深入的理论和实　验研究，并开发出了一些实用的工具软件。本文　首先简要介绍国外相关方面的研究现状，然后　式的地球大气背景红外辐射软件等三个方面介　绍国内在地球大气辐射特性方面的研究现状。　１国外研究现状　国外对地球大气辐射以及红外辐射的大气　传输特性的研究较为充分。尤其是作为最早成　功发射气象卫星的国家，美、俄两国在该领域的　研究处于领先地位　他们不但拥有大量实验数　据，而且还具有一些实用的地球大气背景红外　从对国外的地球大气辐射计算软件进行汉化和　推广应用、根据相关理论独立开展大气辐射特　性的实验或建模研究以及研制适合我国大气模　收稿日期：２０１３￣）６　２７　作者简介：孙延奇（１９８４一），男，辽宁丹东人，本科，主要从事大气辐射特性方面的研究。　Ｅ—ｍａｉｌ：ｓｕｎｙａｎｑｉ０３１４＠１６３．ｃｏｍ　ＩＮＦＲＡＲＥＤ（ＭＯＮＴＨＬＹ）／ＶＯＬ．３４，Ｎｏ．１０，ＯＣＴ　２０１３　辐射计算软件。早在１９６７年，美国Ｂａｒｔｍａｎ　Ａ　Ｌ　就根据卫星观测数据给出了地球表面光谱反射　特性和角分布特性数据。１９６９年，美国航空航　天局戈达德空间飞行中心用机载光谱仪测量了　晴天以及各种云天条件下的地表反射率。１９７０　年，Ｈａｎｅｌ根据“风雨４号”气象卫星测出了沙　漠、海洋和南极等地区的红外辐射光谱数据，总　结了地球大气的红外辐射规律。１９７１年，Ｒｏｂｅｒｔ　Ｌｙｌｅ总结了几种影响地球大气发射率的因素，　包括地貌、气象条件、太阳高低角和入射太阳光　的光谱等［　。　在这些前期实验数据的基础上，美国己研制　出了一些实用的地球大气背景红外辐射计算软　件，其典型代表是国内广泛使用的ＬＯＷＴＲＡＮ、　ＭＯＤＴＲＡＮ、ＳＨＡＲＣ和ＳＡＭＭ四款软件　这四款　软件均由美国空军地球物理实验室负责研制。　其中，ＬＯＷＴＲＡＮ是一款低分辨率大气传输计　算软件，其光谱分辨率为２０　ｃｍ＿。，适用于０　３０　ｋｍ海拔辐射的计算；ＭＯＤＴＲＡＮ的光谱分　辨率为２　ｃｍ＿。，它把适用的高度范围扩展到了　０＾一６０　ｋｍ；这两款软件均适用于大气分子处于　局地热力平衡（Ｌｏｃａｌ　Ｔｈｅｒｍｏｄｙｎａｍｉｃ　Ｅｑｕｉｌｉｂｒｉｕｍ，　ＬＴＥ）状态的情况；ＳＨＡＲＣ的光谱分辨率则达到　了２　ｃｍ＿。，适用的高度范围为５０　３００　ｋｍ，此　时大气分子处于非局地热力平衡状态；而ＳＡＭＭ　则是为了统一计算低空和高度大气辐射传输而　开发的一款中分辨率（２　ｃｍ　）大气传输计算软　件，它完美地集成了ＭＯＤＴＲＡＮ和ＳＨＡＲＣ的优　点，适用的高度范围可从地球表面到３００　ｋｍ的　高空［引。　２国内研究现状　国内针对地球大气背景辐射以及大气传输　开展了大量理论分析工作，其主要研究体现在　以下三个方面：一是对国外的地球大气辐射计　算软件进行汉化和推广应用，并利用国外地球　大气背景红外辐射软件开展理论研究；二是不　依赖成熟软件，根据相关理论独立开展大气辐　射特性的实验或建模研究；三是在理论研究的　ＩＮＦＲＡＲＥＤ（ＭＯＮＴＨＬＹ）／ＶｏＬ．３４，Ｎｏ．１０，ＯＣＴ　２０１３　基础上研制适合我国大气模式的地球大气背景　红外辐射软件。　针对国外地球大气辐射计算软件开展汉　化、推广以及应用研究的代表性工作如下：中国　科学院大气物理研究所［。】和北京航空航天大学　［　］对ＭＯＤＴＲＡＮ软件进行了汉化和推广应用；　海军航空工程学院对ＳＨＡＲＣ和ＳＡＭＭ软件进　行了推广［。］；中国科学院大气物理研究所的王　普才、吕达仁研究小组于２００４年分别对晴天和　云天２．７　和４．３　ｌｉｍ波段的地球大气背景红外　辐射信号进行了分析［　］；中国科学院安徽光　学精密机械研究所的王毅、范伟、饶瑞中研究小　组针对典型大气条件下的目标／背景对比度和　云的光学特性对目标／背景对比度的影响进行　了分析［７－ｓ］；２０１３年，南京航空航天大学的马　鹤等人基于ＭＯＤＴＲＡＮ软件计算了红外系统对　巡航导弹的探测距离［９ｌ。　不依赖于成熟软件而独立开展的大气辐射　特性建模或实验研究工作主要包括：段民征等　人［１ｏ］提出了一种适合于遥感应用的大气辐射传　输高精度快速计算方法；中国科学院安徽光学　精密机械研究所的李学彬等人通过从１９９８年到　２０１０年之间对我国东部典型区域的气溶胶分布　进行连续测量，初步建立了我国东部典型地域　的气溶胶分布模式；原桂彬、孙晓刚、戴景民课　题组［１１－１３】针对云层背景的红外辐射特性开展　了一系列研究。　研制适合我国大气模式的地球大气背景红　外辐射软件的主要工作是，中国科学院安徽光学　精密机械研究所的魏合理、饶瑞中研究小组研制　了通用大气辐射传输软件（Ｃｏｍｂｉｎｅｄ　Ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ　Ｒａｄｉａｔｉｖｅ　Ｔｒａｎｓｆｅｒ，ＣＡＲＴ）［１４－－１６］。该软件的主要　功能包括大气水平和斜程光谱透过率计算、散　射太阳辐射（包括单次散射、多次散射以及地表　反射）计算、热辐射（地表和大气的热辐射）和太　阳直接辐照度等四个部分，其计算精度达到了１　ｃｍ＿。。其中，大气透过率主要考虑的是大气分　子的吸收、散射以及大气粒子（气溶胶）的吸收　与散射作用；大气分子散射根据瑞利散射理论　进行计算；大气分子的吸收作用使用基于逐线　积分拟合的大气分子吸收的光谱透过率快速计　算方法［１５］；气溶胶散射的计算结合ＭＯＤＴＲＡＮ　和ＯＰＡＣ软件提供的气溶胶混合比和谱分布模　式计算得到了比较精确的结果。太阳直接辐照度　是使用大气外的太阳光谱乘以大气透过率获得　的。散射辐射的计算则是根据分子和气溶胶的散　射相函数，通过计算包括太阳和大气的散射、地　表耦合在内的散射辐射完成的。其中，多次散射　使用离散坐标法并结合插值算法完成。大气热　辐射则是结合黑体辐射公式和大气透过率计算　的。与ＬＯＷＴＲＡ及ＭＯＤＴＲＡＮ相比，ＣＡＲＴ软　件计算简单、速度快且能保证一定的精度，更适　用于我国的大气环境，其存在的问题是尚未包　含云层的大气辐射模型。　３结束语　目前国内在地球大气背景红外辐射的理论　计算方面取得了一定的进展，并开发出了拥有　自主知识产权的实用计算软件，但是对各种天　气条件下地球大气背景红外辐射的规律研究得　还不够，尤其是各种云对地球大气背景红外辐　射的影响研究还有待于进一步深入。　参考文献　［１］姚连兴．　目标和环境的光学特性【Ｍ】＿北京：中国　宇航出版社，１９９５．　『２１董言治，周晓东．大气红外辐射模型与实用算法的　研究进展　．激光与红外，２００３，３３（６）：４１２—４１６．　ｆ３］吴北婴，李卫，陈洪滨．　大气辐射传输实用算法　『Ｍ１．北京：气象出版社，１９９８．　［４］刘广达，江月松．ＭＯＤＴＲＡＮ软件集成环境开发　＿Ｊ＿．应用光学，２００７，２８（３）：３１７－３２０．　『５王普才，吕达仁，徐根兴，等．５１　２．７　ｇｍ和４．３　波段地球大气背景红外辐射信号分析（Ｉ晴天）［Ｊ］　．目标与环境特性研究，２００３，２０（４）：１５—２２．　ｈｔｔｐ：／／ｊｏｕ　ｒｎａ１．ｓｉｔｐ．ａｃ．ｃｎ／ｈｗ　［６】王普才，吕达仁．２．７岬和４．３　ｇｍ波段地球大气　背景红外辐射信号分析（ＩＩ云天）［Ｊ］．　目标与环境　特性研究，２００４，２１（１）：２６—３６．　［７】王毅，范伟，饶瑞中．典型大气条件下的目标　背　景对比度的计算分析［Ｊ］．激光与红外，２００４，３４（３）：　３７５＿３７８．　［８］王毅，范伟，陈秀红，等．云的光学特性对目标一　背景对比度的影响分析＿Ｊ］．红外与激光工程，２００５，　３４（３）：２８２—２８６．　［９］马鹤，吴平，孙文芳．基于ＭＯＤＴＲＡＮ的红外系统　对巡航导弹探测距离的估算［Ｊ］＿红外，２０１３，３４（３）：　２６－３１．　【１０］段民征，吕达仁．适用于遥感应用的辐射传输高精度　快速计算方法【Ｊ】．遥感学报，２００７，１ｌ（３）：３６１－３６６．　【１１］Ｙｕａｎ　Ｇ，Ｓｕｎ　Ｘ，Ｄａｉ　Ｊ．Ｍｏｄｉｉｆｅｄ　Ｇａｍｍａ　Ｄｉｓｔｒｉｂｕ—　ｔｉｏｎ　Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ’Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｏｎ　Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ　Ｓｉｇｎａｔｕｒｅ　ｏｆ　Ｃｌｏｕｄｓ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｄｙｎａｍｉｃｓ　ｏｆ　Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ，Ｄｉｓ－　ｃｒｅｔｅ　ａｎｄ　Ｉｍｐｕｌｓｉｖｅ　Ｓｙｓｔｅｍ，Ｓｅｒｉｅｓ　Ｂ，２００７，１４（Ｓ２）：　１６６－１７０．　［１２】Ｙｕａｎ　Ｇ，Ｓｕｎ　Ｘ，Ｄａｉ　Ｊ．Ａｎ　Ｉｍｐｒｏｖｅｄ　Ａｌｇｏｒｉｔｈｍ　ｏｆ　Ｃｌｏｕｄ　Ｍｕｌｔｉｐｌｅ　Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ【Ｊ］．Ｃｈｉｎｅｓｅ　Ｏｐｔｉｃｓ　Ｌｅｔ—　ｔｅｒｓ，２００６，４（７）：４２５－４２７．　［１３］Ｙｕａｎ　Ｇ，Ｓｕｎ　Ｘ，Ｄａｉ　Ｊ．Ａｎ　Ｉｍｐｒｏｖｅｄ　Ａｌｇｏｒｉｔｈｍ　ｆｏｒ　Ｃａｌｃｕｌａｔｉｎｇ　Ｃｌｏｕｄ　Ｒａｄｉａｔｉｏｎ【Ｊ】＿Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｐｈｙｓｉｃｓ，　２００５，１３：２９７－２９９．　［１４］Ｃｈｅｎ　Ｘ，Ｗｅ　Ｈ，Ｙａｎｇ　Ｐ，ｅｔ　３１．Ａｎ　Ｅｆｉｆｃｉｅｎｔ　Ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆｒ　Ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ　Ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ　Ｒａｄｉａｎｃｅｓ　ｉｎ　Ｃｌｅａｒ—ｓｋｙ　ａｎｄ　Ｃｌｏｕｄｙ　Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅ　Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ＆Ｒａｄｉａｔｉｖｅ　Ｔｒａｎｓｆｅｒ，２０１１，Ｉ１２（ｉ）：　１０９－１　１８．　『１５１魏合理，陈秀红，饶瑞中．通用大气辐射传输软件　ＣＡＲＴ介绍［Ｊ］．大气与环境光学学报，２００７，２（６）：　４４６－４５０．　［１６】Ｗｅｉ　Ｈ，Ｃｈｅｎ　Ｘ，Ｒａｏ　Ｒｊ　ｅｔ　３１．Ａ　Ｍｏｄｅｒａｔｅ－ｓｐｅｃｔｒａｌ—　ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ　Ｔｒａｎｓｍｉｔｔａｎｃｅ　Ｍｏｄｅｌ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ｆｉｔｔｉｎｇ　ｔｈｅ　Ｌｉｎｅ—ｂｙ—ｌｉｎｅ　Ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ【Ｊ】．Ｏｐｔｉｃｓ　Ｅｘｐｒｅｓｓ，２００７，　１５（１３）：８３６０——８３７０．　ｆｌ７］戴聪明，魏合理，陈秀红．通用大气辐射传输软件　（ＣＡＲＴ）大气散射辐射计算精度验证［Ｊ］．红外与激　光工程，２０１３，４２（６）：１５７５—１５８１．　ＩＮＦＲＡＲＥＤ（ＭＯＮＴＨＬＹ）／ＶｏＬ．３４，Ｎｏ．１０，ＯＣＴ　２０１３