raybet雷竞技最新气候观测Radiometryspectrometry

10.1介绍

定量和光谱测量的辐射观测的核心是理解和监测气候系统(图10.1)。raybet雷竞技最新被观测系统的时间复杂性要求测量遍布全球,包括竖直维度。许多重要的过程,例如那些参与臭氧损耗、与瞬态动力现象和发生在本地和日尺度,要求高分辨率测量在时间和空间上。地球的能源预算研究需要测量在地球表面和外部,理想与全球覆盖全面的角度以及地理空间,和时间。地球辐射的总能量空间为255 - k黑体,用频谱丰富的分子振动转动行包含大气的物理状态的信息,和连续波动代表软弱和/或复杂的大气乐队+表面和云发射率的变化。其中最明显的光谱特性是引起的吸收和发射的乐队主要大气次要成分,尤其是水蒸气和二氧化碳。红外光谱和辐射测量从卫星观测反射和热释放辐射纬度的函数,经度,每天的时间,季节,可以产生全球领域的垂直温度和次要成分分布(例如水和臭氧)、云量、厚度和高度,和海洋温度。

单个测量或配置文件通常采取第二个或更少的获得,并且可以重复如下场景变化,允许参数在三维空间中映射。高倾角轨道卫星覆盖整个地球大约每一天,可以研究过程在大规模的天气系统,平流层臭氧层,污染低层大气的“温室”气体,推动全球变暖。矿物学、植被(包括农产品和一些物种在海里),冰冷的冰冻圈和火山活动及其产品也可以访问传感器在空间。雷达和激光雷达正在迅速被土地调查采用和冰地形、海况,推断出风能领域。

在这一章我们将讨论使用辐射测量和光谱测量

浮动。10.1。概述的一些主要方法使用辐射测量气候数据的收集。raybet雷竞技最新一般来说,两种类型的测量:放射,调查气候系统的能量通量、温度和光谱图和组合使用raybet雷竞技最新遥感技术为动力和过程研究。太阳辐射的来源可能是,直接在紫外线中,可见似乎红外光谱穿过大气层或通过从大气分子散射,云粒子或表面,或者它可能是气候系统长波热发射的这些组件。raybet雷竞技最新观察平台可能表面上,空中,或在太空轨道上运行。

量用于气候研究,关注特定的尽可能真实的乐器。raybet雷竞技最新气候的目标是定义最先进的测量,并显示前面章节中所开发的基础是如何在实践中应用。raybet雷竞技最新

10.2表面辐射预算:日射强度计

的地球大气层系统和全球气候严重取决于表面辐射预算raybet雷竞技最新(SRB),即之间的平衡短波和长波在地球表面的辐照度和即将离任的通量。国储局取决于数量的入射太阳辐射顶部的气氛(TOA)的能量吸收,散射或反射的表面或在大气和反射回太空,吸收和从地面长波辐射表面本身。大气辐射传输过程中的关键取决于水蒸气的浓度跟踪

热发射

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表面

热发射热发射

表面

气体和气溶胶(温室气体),而表面反射率/发射率特性很大程度上决定地球表面辐射过程。

地球的SRB的作用对全球淡水预算和气候变化的影响和气溶胶负载在全球范围内的重要问题至关重要。raybet雷竞技最新可靠的能量被大气吸收,估计地球表面层通过评估国储局结合辐射预算将使计算/热传输的造型不同地球的部分大气系统在当前条件下,最终将提高我们理解气候过程对全球的区域范围内。raybet雷竞技最新这样的理解是地球的造型——的一个必不可少的先决条件大气热传输的大气环流模式(AGCMs§11.4)。目前,这些模型提供的惟一手段提高我们理解气候过程和可能的未来气候的发展。raybet雷竞技最新后者尤其相关的关于人为气候变化的大气温室气体浓度增加。raybet雷竞技最新

长期SRB也很重要,因为气候系统中的许多过程和生物圈辐射通量的影响。raybet雷竞技最新净表面太阳能和地球辐射影响表面的加热/冷却和行为控制明智的和潜热通量。的数量太阳能地球陆地表面和水分维持生命过程和确定其能力这些生命过程影响的净通量。

国储局从应用的角度也很重要,因为它决定清洁可再生的太阳能能源的使用,如有关光伏数组和工业应用太阳能炊具和制冷等技术,对提高环境的质量很重要。

因此,国储局的知识是需要许多科学领域;这些包括:区域表面气候学、海洋造型和能源预算,极地气候,全球气候模型的验证(GCMs),令模型,对森林生态系统和森林火灾和地区的理解raybet雷竞技最新水资源,仅举几例。

然而,辐射预算不仅产生影响气候系统和地球表面。raybet雷竞技最新有重要的反馈,必须考虑到,在考虑表面和气候过程的影响地球辐射的预算。raybet雷竞技最新特别是快速re-flectance /表面发射率的变化特性,产生,例如,从一个撤退冰/雪层由于全球变暖,净通量在表面上有深远的影响,可能会引起区域和全球气候的反馈。同样重要的是云的变化,气溶胶浓度、辐射活跃示踪气体浓度以深刻的方式调节地表通量。

因此,量化SRB的变化引起的表面性质和大气化学成分的变化是一个重要的先决条件在理解全球变化及其对生态系统的影响过程和社会。

在考虑这些问题,两个问题变得尤为重要。云,其动力学和属性仍然是主要的不确定性决定辐射预算(2001年联合国政府间气候变化专门委员会)。国际卫星云气候学项目(ISCCP),解决这个问题并提供最广泛和全面的全球云气候学。

然而,在晴空条件下,气溶胶成为国储局的主要决定因素,因此对气候的发展。raybet雷竞技最新不过,驱动全球气候变化与温室气体气溶胶是根本不同的。raybet雷竞技最新一个主要的区别是,气溶胶有多短大气一生(从10 ~ 4天对自然,数十天人为气溶胶)相比重要的温室气体(几十年几百年)。加之微物理和混合过程,结果在更大的空间和时间气溶胶的变化。

Hatzianastassiou et al . (2004 a, b, 2006)进行了详细的模拟研究全球晴空短波气溶胶强迫对主要吸收表面(如海洋和植被表面)和low-absorbing /高反射表面的典型雪和冰覆盖的极地。他们的研究结果表明,相对湿度的增加提高了行星在海洋和气溶胶的降温效果low-albedo土地,而在两极地区和高度反映土地表面,气溶胶变化的预期变暖影响冷却效果。因此,全球变暖,一个相关的相对湿度的增加,会导致增强全球气溶胶冷却。灵敏度结果还表明,地表反照率的增加是由于,例如,减少土地植被由于增强沙漠化会导致大气变暖增加了气溶胶。反过来,这将导致减少云的形成和沙漠化过程的进一步增强。

关于辐射特性地球表面的高反照率的雪和冰表面在两极地区尤为重要。然而,北极海冰覆盖,在这方面,一个重要的组成部分就是明显缩小面积,减少平均厚度。这可以被认为是一个正反馈过程的开始,降低海冰表面导致海洋吸收的热量增加,从而导致进一步的大气变暖。因此,国储局之间存在的可能联系,气候变化和日益恶化的北极海冰覆盖。raybet雷竞技最新

基线(BSRN)和表面辐射网络全球能量平衡存档(迦巴)是全球的重要例子数据采集数据和归档系统观察气候学,辐射和其他通量

浮动。10.2。埃普利日射强度计是典型的仪器用于测量全球、反射和漫射短波辐射。微分热电堆探测器是一种热接点接收器发黑和冷端接收器增白。温度补偿电路使仪器环境温度变化的影响。地面精密光学玻璃半球Schott玻璃(WG295)从0.285到2.800¡xm均匀传递能量天顶的角度从0 - 70°。灵敏度是11微伏/ W m ~ 2与5 s的响应时间。大小是5 3/4。直径3 3/4。高,体重是2磅。

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在地球的表面。BSRN测量站点覆盖主要气候区之间的北极和南极。在这些网站主要的辐射通量,直接太阳能、弥漫的天空,全球辐射(图10.2),反映短波辐射、长波和即将离任的辐射测量在1赫兹频率(统计数据。许多电视台都直接太阳辐射的光谱测量气溶胶光学深度的估计,总臭氧,可沉淀的水蒸气。大多数车站都天气和无线电探空仪观察。这是唯一的网络辐射测量的定义与配置大气观测精度。

迦巴是一个数据库,每月在地表能量通量的手段包括直接太阳,天空漫射,全球辐射、反射的短波辐射、长波——和传出的辐射、净辐射、显热通量、潜热通量,地下热流和熔化热。目前,迦巴拥有大约250000个月度意味着大约1600的网站,包括月度平均辐照度从世界辐射数据中心在圣彼得堡。最古老的档案中的数据是1922年8月全球辐射测量热电的斯德哥尔摩大学的埃,紧随其后的是,从1950年代末的IGY。

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浮动。10.3。ACRIM II仪器包含两个名义上相同的锥形腔背靠背,如下所示。左边脸太阳和辐射加热;右边的是被忽视的,电加热,直到两个锥的温度监测集的敏感的热敏电阻,是相同的。电力供应电热锥,除以radiation-heated锥孔的面积,是太阳辐照度的准确测量。

10.3太阳能辐照度:ACRIM

从太空的第一个应用程序的辐射线测定太阳常数的测量,也就是说的总能量来自太阳的所有波长的落在地上。显然,这是一个基本的量是很难测量的表面,因为大气吸收并从云和气溶胶散射。最成功的技术是“主动腔法”,在辐射比较精确的加热效果所需的电能来保持一个相同的空腔,在相同的温度下。

图10.3显示的细节ACRIM II(有源腔辐射计辐照度监控)设备,作用于这一原则,已经被用于获得一长串的测量太阳常数自1960年代末。99.9%的绝对精度和长期精密称百万分之几的传感器。它是通过控制活动和在同一相对参考腔温度使用电子伺服。快门那么多次承认,不包括从活跃的太阳辐射腔约一分钟的时间,获取一个值,太阳的能量通量通过比较电力的渐近值之间的差异在两个时期。虽然概念上很简单,但显而易见的是,获得所需的高精度跟踪的小变化太阳能输出(通常约0.1%)发生在正常情况下需要非常精确的制造公差的黑暗蛀牙,温度传感器,孔径的大小。请注意,没有光路中的传输组件,允许所需的精度的关键因素。

10.4 TOA辐射预算:ERB,谷神星和现场

仪器在高倾角卫星轨道可以测量净反射和热释放辐射纬度的函数,经度,每天的时间,和季节,覆盖整个地球。“的气氛”(TOA)地球的辐射能量收支,在全球和区域的基础上,可以建立之间的平衡测量迁入和外向的辐射通量。因为被太阳加热和冷却地球分离的波长,下降的短期和长波,分别约下午4点,原则上传感器需要只有最小的光谱分辨率,提供,然而,一个高程度的辐射测量的准确性。

除了绝对校准的无处不在的问题空间的充满敌意的环境中逐渐恶化的参考目标不能检查,真正的仪器不能获得一个统一的宽光谱响应波长范围太阳能和4.0(大约0.4到4.0点至100点的热通量)需要测量能量平衡。如果地球的辐射或校准目标变化与波长的分布,以及其整体强度,这些是难以独立分析数据。通常发现需要打破波长范围单独成段,测量和校准。

虽然黑腔,锥或槽板作出合理的参考来源thermal-IR测量,更很难想出一个可靠和稳定的近红外线辐射来源已知的强度。标准灯和盘子,漫射太阳反射光的常用工具,但很少是完全可靠的,要求冗余资源允许失败或改变由于老化。此外,集成的光芒在测量2 n立体角是必需的,和反射太阳光在哪里这些可能有很强的定向组件,只是不完全样本由于观察的局限性几何实现从一个轨道。可以部分地解决这个限制使用角扫描后可以集成到半球形通量,并通过拟合数据实证模型地球的反射属性的不同地区和集成模型,与相应的误差预算之外。

第一次成功的气象仪器在一个轨道卫星辐射收支测量。Explorer 7, 1959年10月13日启动进行一个简单的辐射计和五个半球形热敏电阻检测器和原油波长选择使用黑色、白色和金色的太阳和地球辐射涂料不同的敏感性。与连续数据卫星环绕地球在50°到赤道的倾向,可以看到第一次吸收的能量来自太阳的地球气候系统中的重新分配,最后重新成为长波红外辐射。raybet雷竞技最新

美国宇航局的地球辐射预算实验(ERBE)扫描仪有三个广泛的光谱通道,包括著名波长范围从0.2到5.0米(即有效的整个太阳光谱著名),5到50米(大部分的地球热红外光谱)和0.2著名50米(两个)。ERBE飞两个太阳同步极轨道卫星的传感器(NOAA-9和N0AA-10)和地球辐射收支卫星(erb)。第一个改进的版本被称为谷神星(云层和地球辐射能量系统)在1998年被发射到35°倾角轨道和第二个2000年Terra, EOS系列卫星的一部分下面进一步讨论。在欧洲,辐射收支传感器包括了地球同步气象卫星平台,使用相同的视野覆盖地球的一部分在任何时候。

每个组件的单个测量误差的辐射预算在一个方向,地点和时间据估计约±5 W m ~ 2,或约2%,但整体平衡地球的不确定性大大超过这个,也许±10%。相比之下,所谓的cloud-radiative迫使,一个有用的数量在气候研究被定义为对所有条件-raybet雷竞技最新晴空通量平均通量,通常大约10总数的20%。因此,有用的测量当地的能量平衡是实现但全球测量以足够的精度仍超出了当前最先进的,特别是我们最重要的目标是发现和了解全球能量平衡的变化。

测量地表辐射的预算中扮演着重要角色在决定表面温度和蒸发以及水文循环,与实际应用在天气预报、水文和农业在各种时间尺度。然而,对于气候监测和评估气raybet雷竞技最新候模型,高质量的测量大气顶部的辐射平衡以及表面必须是可用的。事实上,算法推导地表辐射的存在预算从top-of-atmosphere radiationbudget测量卫星的太阳能和热制度。气候影响研究所的上下文中,独特的贡献明确的和raybet雷竞技最新多云的天空可以调查和确认。

不仅ERB TOA和表面重要,而且他们之间的区别,大气辐射预算。预算的辐射的概念地球的组件大气系统通常被用来调查迫使对气溶胶的变化内容或变量或云层辐射散度的垂直剖面,确定可用势能的动态过程气氛,允许与气候相互比对结果,更好的理解大气动力过程。raybet雷竞技最新这个概要文件的主要贡献来自云和气溶胶;例如,大型的撒哈拉沙漠的灰尘和烟雾从生物质燃烧中经常看到卫星图像。这些辐射预算产生重大影响和表面温度的检索需要量化和理解。

可用的观测包括详细的化学成分测量,气溶胶的物理特性(粒度分布测量),气溶胶光学特性(散射和吸收)从激光雷达资料和结果。从新的气象卫星第二代卫星卫星数据包括改进的图像给全球气候学云参数,允许昼夜循环的研究对流云团以前所未有的时间分辨率,在十年的生命周期味精计划,一个激动人心的洞察这个循环的年际变化及其对降水的影响。

云,他们的动力和属性仍然主要确定辐射预算的不确定性。精确的影响云反馈气候趋raybet雷竞技最新势的不确定性迫使足以完全压倒。国际卫星云气候学项目(ISCCP),解决这个问题并提供最广泛和全面的全球云气候学提供信息云计算领域是如何改变随着时间的推移,由于自然变化或改变温室迫使。我们理解的发生卷云以及他们的微观物理学的光学特性是不完整的。此外,有迹象显示,空中交通的不断增长可能大幅增加高级阴沉。味精观测的可用性将使现有的不确定性在自然以及aircraft-induced卷云辐射强迫是减少。乐器的组合SEVIRI和味精现场将适合调查卷云辐射强迫的,因为它提供了必要的信息来推断从SEVIRI卷云光学和微物理参数并确定准确、独立现场的辐射通量。

气溶胶影响地球辐射的预算直接或间接地导致全球平均负辐射强迫冷却效果,这可能会抵消全球变暖,正迫使由于增加的摊位和温室气体,估计为2.43 W m ~ 2(2001年联合国政府间气候变化专门委员会)。全球气溶胶中表现出很强的时空变异性,产生不均匀的辐射强迫模式(温室气体相比)。除此之外,有一个大关键气溶胶辐射参数的不确定性(如光学厚度和单散射反照率),连同小大气气溶胶的停留时间(几天周),及其变量的浓度,使困难的气溶胶的特性raybet雷竞技最新气候强迫代理,辐射强迫的量化困难。

尽管已经取得了重大进展更好的描述不同的辐射强迫类型的气溶胶(如硫酸还碳质或有机物),水平的科学的物理理解气候迫使由于气溶胶仍然很低,仍然是最大的在气候可变性和不确定性raybet雷竞技最新raybet雷竞技最新气候变化研究。相对湿度变化影响气溶胶液态水含量、分布、大小和数目总浓度和组合,从而改变消光系数和折射率,从而气溶胶微观物理学的,光学和辐射特性。迫使高度变量的结果。减少云层的影响由于气溶胶的间接效应是提高气溶胶强迫的大小,因为这意味着一个晴空分数的增加,因此,晴空直接气溶胶强迫TOA,在大气中,在表面。因此,有一个更大的晴空气溶胶对即将离任的影响太阳辐射在TOA(高等行星冷却),更多的大气变暖和表面冷却,即表面向下太阳辐射的减少。

最后,卫星数据允许评估当前的极地海冰变化和变化及其可能的修改和反馈,气候变化,以及影响辐射的预算。raybet雷竞技最新

ERB仪器在灵气7图10.4所示。这种类型的仪器的特点是热红外的响应函数通频带,这必须足够宽,包括有效的能量从240 K黑体,也可怕地平在整个范围(大约0.2点至50点)。这是实现ERB设计通过使用反射光学,除了一个过滤器的钻石。热和反射太阳能组件由测量后者分别与渠道,包括Suprasil-W石英制成的过滤器,切断了大约3.8点,以获得长波通量的差异。这两个乐队使用反映直升机是分开的,这样安排,参考黑体充满梁在周期的一部分,当目标不在于视图。注意大量令人困惑的主要光学杂散光。

ERB仪器校准飞行前对活跃腔辐射计类似ACRIM太阳能渠道,和一个特别制作的腔黑体辐射率在0.995和真空操作范围180 - 390 K的热组件。太阳能校准是特别困难的,因为地球的大气层修改能量到达检测器的波长分布,所以,如果仪器响应函数不是完全平的,在实践中必须如此,对腔的校准仪器可以在错误。这个错误是一个精心设计的小工具,可以进一步减少校准与多个目标(在本例中太阳能模拟器和钨灯泡)与不同的有效温度,或通过使用过滤器检查校准在不同波长范围的部分。

浮动。10.4。示意图的ERBE地球辐射收支实验仪器。调制器或“直升机”是一个旋转的叶片,抛光双方高度反思。红外探测器的两组,对称排列如图所示,轮流在地球或看一个内部参考黑体随着叶片旋转每20毫秒。选择不同的光谱通道过滤器前面的探测器;在这里,只显示一个detector-filter对两边的清晰度。

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继续阅读:海洋表面温度ATSR

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