基于地球红外背景模拟的水云大气影响初步分析

丛 研，韩玉阁

（南京理工大学能源与动力工程学院，南京210094）

基于地球红外背景模拟的水云大气影响初步分析

丛 研，韩玉阁

（南京理工大学能源与动力工程学院，南京210094）

为支持地球红外背景的模拟研究，以天基观测为前提，计算了2个大气窗口下，4个具有典型大气和地表特征的区域在水云大气下的路径透过率和各成分辐射亮度。通过相对变化比例，讨论了地球背景模拟中水云与地表的图像区分以及地域的影响。结果表明，水云对地球背景辐射传输影响显著：云层下方辐射会被强烈衰减，同时观测路径中的散射辐射大幅增强。在同一选定区域下，积云大气的观测路径亮度相对无云大气下变化最大，在相同水云类型条件下，大气散射和太阳散射亮度在不同区域区别较大，说明在模拟水云地球背景时不能忽略地域的影响。计算和分析结果可为地球背景模拟中的水云红外图像生成提供一定的数据基础和技术支持。

水云大气；地球背景模拟；传输特性

航空航天技术的不断发展对空间目标探测技术提出更高的要求，而红外背景模拟是探测技术中的重要研究手段。在高轨探测器对低轨目标进行观测时，地球是目标所处的主要的背景。而实际地球背景中的各种气象，如云、雨、雾等的出现对红外目标的探测和识别有很强的干扰作用。水云作为大气中的重要组成部分，常年覆盖地球表面，探究水云大气对地球红外背景辐射传输的影响，对实现水云大气下地球红外背景模拟是十分必要的。

目前，国内学者已针对地球红外背景模拟方面展开了研究。韩玉阁等[1-3]较早地采用概率统计和分形技术2种方法研究了天然地形的生成问题，并计算了不同的植被类型和土壤类型的温度图像。张伟清等[4]通过建立地表区域温度模型和红外辐射亮度模型，对地球红外辐射背景成像方法进行了研究，并在考虑地表、海拔高度、地理和大气传输的基础上，模拟得到了地球红外背景等。杨帆[5]和张中健等[6]基于卫星数据，反演了全球地表温度并建立了全球地表红外辐射模型，得到了较为精细的地球背景红外辐射图像，如图1所示。但该模型中并没有考虑气象条件的影响，这使得其应用受到一定的限制。因此，根据水云的辐射特性建立相应辐射模型是完善地球背景模拟的重点问题，郭新军等[7]较早的总结和比较了现有的云红外辐射模型，并在前人研究成果的基础上建立了导引头实际接收的表观光谱辐射亮度模型；娄树理、周晓东等[8]通过引入云光学厚度的经验公式，计算了云层表面的亮度分布；高永攀[9]等计算了低云背景在1～5μm的表观光谱辐亮度。但以上的研究都以天空背景为前提，几乎没有研究者基于地球背景模拟的前提对水云大气影响进行研究。

基于杨帆等[5]建立的地球红外背景模型，以4个具有典型地表和大气特征的区域为对象，计算了各区域下水云大气的路径透过率和背景辐射中各成分的辐射亮度。通过总辐射亮度的相对变化比例，分析了地球背景模拟中水云与地表的区分以及地域所产生的影响等问题。计算和分析结果可用于完善已有的地球红外背景模型，同时对地球背景下的水云红外图像生成提供一定的数据基础和技术支持。

1 水云大气下地球背景辐射传输的计算

1.1 观测模型

本文针对高轨探测器在观测天顶角180°的情况下进行计算和分析，如图2所示。当垂直向下观测地球背景时，如果观测路径中无云，探测器接收到的总辐射主要包括大气热辐射、地表辐射和少量的散射（可忽略）；当观测路径穿过云时，探测器接收到的地球背景红外辐射主要包括地表红外辐射、大气自身热辐射以及大气对其他成分辐射散射等。

观测路径中出现云时，总辐射为：

式（1）中：Eall为探测器接收到的总红外辐射量；Eatm为云和探测器之间大气的红外辐射；Ecld为云层表面自身的红外辐射；Ebkg为云所处背景（如草地、森林、沙漠等）红外辐射；Esun为云顶反射的太阳辐射；Esat为大气对自身热辐射和太阳辐射的散射辐射；τa为云和探测器之间大气的透过率；τac为云和地表之间大气的透过率；εc为云层表面比辐射率；τc为云层内部的透过率。

地表热辐射和云体都可看作为灰体辐射，根据普朗克公式求得，计算为：

式（2）中：k和h分别为普朗克和玻尔兹曼常数；c0是真空中的光速。

地表的温度和发射率可由地表类型确定。云团的自身透过率普遍通过文献[10]中给出的经验公式

式（3）中：W是云的平均含水量（g/m3）；Z是云的厚度（km）；β和α是基于实测的修正系数，如对层云，α=0.92、β=0.27，对高层云，α=0.95、β=0.20，对积云，α=0.96、β=0.16等。

经计算，水云在3～5μm主要以反射为主，反射率约为0.7，在8～14μm波段主要以吸收为主，吸收率大于0.9。其余各段大气热辐射、散射以及太阳辐射和各段大气透过率可由国际上通用的大气传输模型MODTRAN4[11-13]计算得到。

1.2 背景区域与云类型选择

地球红外背景观测模型需要实现对不同地域的观测模拟，而不同地域云的类型、气溶胶、大气模式和地表类型都对地表与水云之间的区分产生影响。气溶胶主要表现为粒子类型和大小的差异，而不同大气模式下水云粒子大小、分布等物理参数受到影响。考虑到模型的适用性和模拟结果的准确性，文中选出地球背景中4个面积较大，同时地表和气候特征较明显的地区作为研究对象。根据文献[14]中反演的全球地表类型，所选区域在图1标出中，对应的大气模式由纬度和当地气候特点确定。结合文献[15-16]中的不同水云的形成条件，给出各地区出现的典型水云。表1为4个所选地区的所在位置、地表、大气模式等参数。

表1 各地区计算参数Tab.1 Calculation parameters of different areas

2 结果分析与讨论

2.1 云底路径透过率

为分析各种水云的出现对云底辐射的影响，选取水汽充足、空气对流旺盛的赤道热带大气模式，计算了地表与云底间的路径透过率。其中不同水云的云底高度、厚度等具体参数采用参考文献[17]提供的数据，由于水云的高度和厚度各不相同，故采用不同的观测终止高度和计算间隔用以体现观测路径透过率随高度的变化趋势，计算参数由表2列出，并给出4种水云大气下的路径透过率计算结果如图3～6所示。

表2 不同云路径透过率计算参数Tab.2 Calculation parameter of path transmittance for different clouds

从结果可看出，尽管对4种水云情况采用了不同观测高度和计算间隔，但两窗口下的路径透过率总体变化趋势一致：当观测点距离云底较远时，路径透过率较高并受大气分子在4.3μm、2.7μm和6.3μm吸收带以及水汽连续吸收的影响；在观测点逐渐升高并接近云底时，水云对两窗口下的路径透过率的影响明显，透过率均快速减小；在接近云底高度时，路径透过率接近为0。这表明整个观测路径中的辐射受到水云的大幅衰减，与文献[18-20]中提出的云的黑体模型有较好的吻合。

在8～14μm窗口，辐射的衰减主要源于水汽的连续吸收作用。水汽含量在云底的急剧增加造成了路径透过率在观测点到达云底高度前的大幅降低。雨层云的计算结果表现出受水汽连续吸收的影响尤为突出，这主要是由于雨层云云底通常弥漫与地面相接，路径中较高的水汽含量加剧了辐射的衰减，使透过率快速减小。

2.2 辐射传输特性

由于MODTRAN4大气传输模型中并未考虑高层大气的非局地热力平衡状态，观测点高度选择为60km[21]。为讨论水云的出现对整个观测路径中各成分红外辐射亮度的影响，以非洲南部地区为例，计算了观测路径在无云大气和4种水云大气下的大气热辐射（PTH THRML）、大气热散射（THRML SCT）、地表发射（SURF EMIS）、太阳辐射散射（SOL SCAT）和地表反射（GRND RFLT）5种红外辐射成分的亮度。大气模式和地表类型由表中列出，气溶胶选择城市型，观测天顶角180°，格林尼治时间12：00，太阳方位角等参数通过MODTRAN4自动计算。无云大气条件的计算结果如图7所示。

从图7中可看出，无云时探测器可很好的接收到来自地表的辐射。除在4.3μmCO2分子强吸收带处成分亮度的衰减外，地表反射约占路径总亮度的30%，在3～4.3μm波段比例更高，总亮度剩余70%主要由地表热辐射、大气热辐射和少量太阳散射构成。在4.3～5μm波段，地表反射逐渐减弱而大气热辐射和地表发射逐渐增强，太阳散射所占比例降低。在整个3～5μm窗口，路径总辐亮度主要由地表反射、地表和大气热辐射构成。8～14μm窗口处于地球热辐射的主要波段，探测器接收到的辐射中地表热辐射和大气热辐射占据了总辐射的90%以上，其中地表热辐射受O3的9.6μm强吸收带和CO2的16μm吸收带影响。由于太阳辐射在8～14μm波段贡献很小，太阳散射和大气热散射均可忽略不计，路径总辐亮度主要由地表和大气热辐射构成。

图8是3～5μm大气窗口下观测路径依次穿过雨层云、层云、层积云、积云时各成分亮度的分布情况。对比无云条件的计算结果可明显看出水云对观测路径的辐射传输特性有显著的影响，主要表现为对地表辐射的衰减和对散射辐射的增强。云底的辐射无法透过云层被探测器接收，这与前文中云底路径段透过率的计算结果相符。在3～4.3μm波段接收到的辐射主要由太阳散射、大气热辐射和大气热散射构成，其中散射亮度值相比晴朗无云时有明显的增加，层积云的散射作用是4种水云中最强烈的。在4.3～5μm探测器接收到的辐射基本只有大气热散射和自身热辐射，大气对太阳辐射的散射可忽略。在3～5μm波段，路径总辐亮度主要由大气热辐射和散射辐射构成。

图9是8～14μm窗口观测路径依次穿过雨层云、层云、层积云、积云时各辐射成分的亮度分布情况。对比各图可看出4种水云条件下的亮度分布相似，但与无云条件下存在较大差异。在8～14μm窗口，观测路径中来自地表的辐射被云全部衰减，同时大气热散射作用加强，探测器接收到的仅为大气辐射和散射。

根据以上计算结果给出2个窗口下无云和4种水云大气下观测路径总辐射亮度对比，如图10所示。

水云与地表的红外图像区分是实现地球红外背景模拟的重点问题。

根据前文的计算结果，定义水云大气观测路径辐亮度相对于无云条件下的相对变化比例为：

式（4）中：Lcloud表示4种水云大气下的观测路径总辐亮度；Lcloudless表示无云大气下的观测路径总辐亮度。

当ε=81.8%时，各水云大气条件下的辐亮度值是无云条件的10倍，即二者相差一个数量级。变化比例计算结果如图11所示。

从图11中可看出，在3～5μm窗口，波长小于3.3μm时四种水云条件的相对变化比例基本相同，相比无云条件变化比例约一个数量级，这主要由于水云对太阳辐射的散射作用。在3.3～4.3μm波段，4种水云条件的相对变化比例出现较明显差异，从小至大依次为层积云、层云、雨层云、积云。在4.3～5μm和8～14μm波段，各条件相对变化率未出现明显波动，但顺序发生变化，从小至大依次是雨层云、层云、层积云、积云，其中积云的变化率在4.5～5μm波段在25%左右，8～14μm波段在10%左右；层积云变化率在4.5～5μm波段在10%左右，在8～14μm在5%左右；雨层云和层云的变化比例在4.5～5μm波段小于10%，在8～14μm波段小于5%。

基于以上对相对变化比例的分析可看出，3～5μm窗口下4中水云的变化率明显高于8～14μm，这意味着3～5μm窗口是地球背景模拟中实现水云与地表的红外图像区分的理想窗口。积云的变化比例在2个窗口中均为最大，在3～5μm窗口约达到 30%，在8～14μm窗口达到8.4%，这使得积云的红外图像在两个窗口中均易于区别地表和其他3种水云。剩余3种水云的变化比例在3～5μm窗口相对较大且近似，在8～14μm窗口彼此差值小于5%。这表明对于雨层云、层积云和层云，3～5μm窗口是模拟中区别3种水云和地表的理想窗口，但3种水云之间在两个窗口的变化比例差值均较小，不同云种间不易区分。

2.3 地域的影响

对文中其他地区列出的水云条件进行计算，结果显示云底段路径透过率是相同的，这表明气溶胶和大气模式的改变对云底段路径的透过率的影响不明显。但大气热散射和太阳热散射受气溶胶和大气模式的影响较大。以文中选定区域中均出现的雨层云大气为例，设定中国西北部地区2种散射辐亮度的计算结果为标准值，计算其他地区不同气溶胶和大气模式两种散射辐亮度的相对变化比例ε，计算结果如图12、13所示。图中计算条件按地表类型、大气模式、气溶胶类型排列，如Grass MS UB代表草原地表、中纬度夏季大气模式、城市气溶胶的计算条件。

从图12、13中可以看出：2种散射辐射亮度在不同条件下的相对变化比例较大，并与大气模式和气溶胶具有较大的相关性。大气热散射受大气模式影响显著，且随纬度的升高而减小，即在赤道热带大气条件下最强而在亚寒带大气最弱，这与大气热辐射的变化趋势是相符的。太阳散射亮度的变化比例在3～5μm波段波动较大，但在8～14μm窗口表现出较明显的变化趋势。从图13中可知，太阳散射亮度受大气模式和气溶胶的共同影响：①相同大气模式下城市气溶胶散射亮度强于乡村气溶胶散射亮度；②相同气溶胶条件下，随纬度的升高而升高，赤道热带大气条件下最弱而在亚寒带大气条件下最强，而在两者共同作用时，气溶胶的影响更显著。通过分析和比较，可看出在模拟地球红外背景的水云时，地域影响不可忽略。

3 结论

1）低层水云对云底辐射影响相似，当云层遮盖地表时，探测器将无法探测到地表辐射，底层水云在两窗口的灰体模型具有较好的适用性。

2）3～5μm窗口，由于太阳辐射的作用，相比无云条件，水云表现出强烈的散射背景；8～14μm窗口探测器接收到的主要是云的背景热辐射和大气热散射。

3）积云大气在两个窗口下的观测路径总辐射亮度变化比例均是最大的，在3～5μm窗口达到30%，这表明在地球背景模拟中积云的红外图像最易于区分地表和其他水云。其他3种水云在3～5μm窗口易区别于地表，但彼此间在2个窗口均不易区分。

4）地域是水云地球背景模拟中不可忽略的因素，主要表现为大气模式和气溶胶对大气和太阳的散射影响。大气热散射强度随纬度升高而降低，太阳散射受气溶胶和大气模式的共同影响。

根据以上分析可知，地球背景辐射在水云大气下传输特性与晴朗大气存在较大差异。3～5μm窗口是背景模拟中区分水云和地表的重要窗口，同时地域在模拟地球背景中的水云时是不可忽略的因素。

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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

国家863计划基金资助项目（2015AA8105039）

丛 研（1990-），男，硕士生。