1 基本概念
1.1 定义
大气衰减是指电磁波、声波或其他传播信号在大气中传播时，因能量被吸收、散射或在传播方向上发生偏离而出现的强度降低现象。它既可以表现为信号幅度变小，也可以表现为可探测距离缩短、图像清晰度下降或测量误差增大。该现象广泛存在于通信、遥感、天文观测和声学传播等场景中。
1.2 形成原因
大气衰减通常不是由单一因素造成，而是多种大气物理过程叠加的结果。不同频段的信号、不同高度层的大气结构以及不同天气背景，都会改变衰减的程度和表现形式。
1.2.1 吸收作用
当传播信号与大气分子发生相互作用时，部分能量会转化为分子内部的热运动或其他形式的能量，从而使原信号减弱。吸收在特定波段尤为明显，常与水汽、氧气等成分密切相关。
1.2.2 散射作用
大气中的分子、气溶胶、云滴和降水粒子会使信号向多个方向重新分布，导致原传播方向上的能量减少。对于光波和高频电磁波而言，这一机制往往具有显著影响。
1.2.3 湍流与折射扰动
大气温度、湿度和密度的不均匀分布会引起折射率波动，进而使传播路径发生偏折、起伏或闪烁。此类效应不一定直接消耗大量能量，但会改变信号的稳定性和可接收性。
1.3 主要影响因素
大气衰减的强弱与传播频率、大气组成以及天气状况密切相关。实际应用中，往往需要综合这些因素进行评估，而不能仅凭单一变量判断。
1.3.1 频率与波长
一般而言，频率越高、波长越短，信号越容易受到吸收和散射影响。尤其在微波、毫米波和光学波段，这种差异更加明显。
1.3.2 大气成分
水汽、氧气、气溶胶以及悬浮颗粒物等成分都会改变传播条件。某些成分对特定波段具有选择性吸收或散射能力，因此对衰减的贡献并不相同。
1.3.3 天气条件
降水、雾、云、沙尘以及强对流天气都会显著增强衰减。天气变化不仅影响粒子浓度，还会改变温湿结构和折射率分布，从而影响传播质量。
2 物理机制
2.1 分子吸收
分子吸收是大气衰减的重要来源之一。不同气体分子的能级结构不同，因此对电磁波的吸收频率也具有选择性。
2.1.1 水汽吸收
水汽是大气中最活跃的吸收组分之一。其吸收在红外、微波等波段表现较为突出，并且会随湿度升高而增强，因此常被用于解释潮湿环境下的信号损失。
2.1.2 氧气吸收
氧气在某些频段具有较强吸收能力，尤其在无线电和微波传播中较为典型。由于氧气在大气中分布广泛，这种吸收效应具有较强的普遍性。
2.2 粒子散射
当传播波遇到尺寸与其波长可比或更大的粒子时，就会发生散射。粒子的大小、形状、浓度及组成都会影响散射强度和方向分布。
2.2.1 瑞利散射
瑞利散射主要发生在散射粒子远小于波长的情况下，常见于分子层面的散射过程。它对短波波段影响更明显，也是天空呈现蓝色的重要原因之一。
2.2.2 米氏散射
米氏散射通常与气溶胶、雾滴和部分尘埃颗粒有关，适用于粒径与波长相近的情形。它在可见光和红外传播中往往具有较强影响，且更容易造成能见度下降。
2.3 降水衰减
降水会引入大量液态或固态粒子，对电磁波和部分声波传播造成明显削弱。其影响程度通常与降水类型、粒径分布和降水强度有关。
2.3.1 雨衰减
雨滴对微波和毫米波的衰减尤为显著。随着雨强增加，散射和吸收共同增强，链路质量往往迅速下降。
2.3.2 雪与霰衰减
雪花和霰粒的结构复杂，形态不规则，导致其衰减特征较难统一描述。通常情况下，它们会对信号造成一定散射和吸收，但具体强度受含水量和粒子密度影响较大。
2.3.3 雾与云衰减
雾和云由大量微小液滴组成，虽然单个粒子很小，但整体浓度高，因而会对光波、红外波以及高频电磁波造成明显衰减。此类现象常与能见度下降同步出现。
3 传播对象与波段差异
3.1 无线电波
无线电波在大气中的衰减与频段密切相关。低频与高频信号在传播机制和损耗来源上存在明显差异，因此工程设计中通常按频段分别处理。
3.1.1 低频段传播特征
低频无线电波波长较长，穿透能力相对较强，受雨雾散射影响通常较小。但在长距离传播中，仍会受到地面条件、折射以及电离环境等因素影响。
3.1.2 微波与毫米波传播特征
微波和毫米波更容易受到水汽、氧气和降水影响，因此大气衰减更为显著。随着频率上升，链路预算中的大气损耗往往成为关键限制项。
3.2 光波与红外波
光波和红外波对大气透明度要求较高，对雾、霾、云和尘埃尤其敏感。它们在空间通信、成像和测距中应用广泛，但也最容易受到天气条件制约。
3.2.1 可见光衰减
可见光在雾霾和云层中容易发生强散射，导致亮度下降和成像模糊。即使是轻度气溶胶增多，也可能明显降低观测清晰度。
3.2.2 红外传输损耗
红外波段常用于夜视、热成像和光学通信，但其传播对水汽吸收较为敏感。不同红外窗口的透过能力差异较大，因此实际应用常选取较优的大气窗口。
3.3 声波传播
声波在大气中的传播同样会受到衰减影响，尤其在远距离传播和高频声学应用中更为明显。空气温度、湿度和风场变化都会改变声能损耗方式。
3.3.1 声能吸收
声波传播过程中，空气分子内部能量交换会导致声能逐渐转化为热能，从而产生吸收损耗。频率越高，这一效应通常越明显。
3.3.2 大气扰动影响
风、湍流和温度梯度会使声波传播方向和到达时间发生变化，造成声音传播不稳定。此类扰动更常表现为传播偏折、增强或减弱，而非单纯的线性衰减。
4 观测与表征
4.1 衰减系数
衰减系数用于描述信号在单位距离内的能量损失程度，常以分贝每千米或类似单位表示。它便于比较不同波段、不同天气条件下的传播差异。
4.2 透过率
透过率反映信号穿过某一大气路径后保留下来的比例。透过率越高，说明大气对信号的阻碍越小；反之则表示损耗较重。
4.3 路径损耗
路径损耗是综合描述信号从发射端到接收端衰减程度的指标，既包括几何扩散，也包括大气吸收、散射等因素。它是通信链路设计中的基础参数之一。
4.4 信噪比变化
大气衰减会降低有效信号强度，从而使信噪比下降。信噪比变差后，检测精度、识别稳定性和通信可靠性都会受到影响。
5 影响因素分析
5.1 气象条件
气象条件直接决定大气中参与吸收和散射的介质状态，因此是影响衰减最直观的外部因素之一。
5.1.1 温度
温度变化会影响空气密度、分子运动状态和折射率分布，从而改变传播损耗与波动特性。温度层结还会影响近地层传播路径。
5.1.2 湿度
湿度升高通常意味着水汽含量增加，进而增强某些波段的吸收效应。对于红外和微波传播而言，这一因素尤其重要。
5.1.3 降水强度
降水越强，液态或固态粒子数量越多，散射和吸收也通常越显著。强降水天气往往会造成更高的链路衰减和更短的有效通信距离。
5.2 地理环境
地理环境会通过海拔、地表类型和局地气候等方式影响大气结构与粒子分布，因此也会改变衰减表现。
5.2.1 海拔高度
海拔升高后，空气密度通常降低，某些情况下可减弱部分吸收和散射影响。但高海拔区域也可能伴随更强的辐射条件或更特殊的局地天气。
5.2.2 地表覆盖
森林、水面、沙地和冰雪覆盖区会影响近地层温湿状况及气溶胶来源，从而改变局部传播环境。地表粗糙度还会间接影响湍流发展。
5.2.3 城市与荒漠差异
城市地区往往气溶胶和人为颗粒物较多，容易增加散射与能见度损耗；荒漠地区则常受沙尘影响，颗粒物更粗大，天气变化时衰减也可能迅速增强。
5.3 传播路径
传播路径不同，信号穿过的大气层结构、长度和不均匀程度也不同，因此衰减表现会有明显差别。
5.3.1 直线传播
直线传播通常意味着路径较短、几何关系简单，但仍可能受到局地雾层、降水带和折射率变化影响。对于光学和高频链路，这类路径对环境较为敏感。
5.3.2 斜路径传播
斜路径传播需要穿过更长的大气层，累积衰减往往更大。对卫星通信和天文观测而言，斜路径上的大气影响尤为关键。
5.3.3 近地层传播
近地层大气受地表热力交换和局地扰动影响强烈，湍流、悬浮颗粒和温湿梯度都更复杂，因此传播波动通常更明显。
6 典型自然现象中的表现
6.1 雨天衰减
雨天常导致微波和毫米波链路衰减增加，同时也会削弱部分光学系统的稳定性。雨滴分布不均时，信号强度会出现时变波动。
6.2 雾霾条件下的衰减
雾霾中的细小液滴和气溶胶会引起强散射，使可见度下降并显著削弱光波传播。对于远距离成像和光通信系统，这类天气通常是重要限制因素。
6.3 沙尘天气中的衰减
沙尘天气会显著增加空气中的颗粒浓度，造成光学和部分无线电信号损耗上升。沙粒粒径分布较宽，容易使衰减特征呈现复杂变化。
6.4 对流层扰动引起的波动
对流层中的温湿不均、风切变和湍流会导致信号闪烁、相位扰动或短时衰减。此类波动常见于高频通信、光学观测和高精度测距场景。
7 应用领域
7.1 无线通信
无线通信系统必须考虑大气衰减对链路稳定性的影响，尤其是在远距离、高频率和复杂天气条件下，相关损耗可能成为设计瓶颈。
7.1.1 卫星链路
卫星通信需要信号穿过较长的大气路径，雨衰减、云衰减和对流层扰动都会影响链路质量。工程上通常通过频段选择、功率补偿和站点分集来缓解影响。
7.1.2 地面微波链路
地面微波链路受降水和地形环境影响明显，路径设计常需避开强遮挡区并留有衰落裕度。高频链路尤其依赖天气统计资料进行规划。
7.2 遥感与探测
遥感系统在获取地表或大气信息时，必须对大气衰减进行校正，否则观测结果容易出现亮度偏差或目标失真。
7.2.1 大气校正
大气校正旨在消除或削弱大气吸收、散射对遥感数据的影响，以恢复目标真实反射或辐射特征。这一步对定量分析尤为重要。
7.2.2 目标识别
当大气衰减较强时，目标边缘和纹理可能被削弱，进而影响自动识别与分类性能。为提高识别率，常需结合环境参数进行补偿。
7.3 天文观测
地基天文观测必须面对大气带来的吸收、散射和湍流限制，因此观测效果往往受天气和波段选择共同制约。
7.3.1 地基望远镜观测限制
大气会降低星像清晰度、减弱亮度并引起视宁度变化，使地基望远镜难以完全获得无失真的观测结果。湿度、云量和气溶胶都会增加观测难度。
7.3.2 大气窗口利用
天文学和空间遥感常利用大气透过较好的波段，即所谓大气窗口，以尽量减少吸收和散射损耗。不同窗口对应不同波长范围和应用目标。
7.4 激光与光学传输
激光和光学链路对大气透明度要求很高，因此在自由空间传输中必须重点考虑雾、雨、尘和湍流带来的损耗。
7.4.1 自由空间光通信
自由空间光通信具有带宽高、保密性较好等特点，但受天气影响明显。雾和降水常被视为主要挑战，可能导致链路中断或误码率升高。
7.4.2 激光测距
激光测距依赖稳定的光束传播和准确回波接收，大气衰减会影响返回信号强度和测距精度。对远距离测量而言，这一影响更为突出。
8 建模与测量方法
8.1 理论模型
理论模型用于定量描述大气衰减的形成规律和传播结果，通常结合气体吸收、粒子散射和天气统计进行建立。
8.1.1 经验模型
经验模型基于大量观测数据拟合而成，适合工程估算和快速预测。它的优点是计算简便，但对特殊天气或极端条件的适应性有限。
8.1.2 物理模型
物理模型从大气成分、粒子分布和电磁传播规律出发，能够更细致地描述不同机制的贡献。其精度通常较高，但对参数和计算资源的要求也更大。
8.2 实验测量
实验测量通过实际观测获取衰减数据，是验证模型和修正参数的重要手段。测量结果常受仪器精度、观测时段和环境稳定性影响。
8.2.1 地面观测
地面观测通常利用固定站点连续记录气象参数与信号变化，适合分析局地天气条件下的大气衰减特征。该方法数据较稳定，便于长期统计。
8.2.2 载荷平台观测
载荷平台观测可依托飞机、气球、无人平台或其他移动载体获取不同高度层的数据，有助于研究垂直方向上的大气结构与传播差异。
8.3 数值模拟
数值模拟通过计算机对大气结构和传播过程进行重建，可用于预测不同条件下的衰减水平，并辅助工程设计。
8.3.1 大气廓线模拟
大气廓线模拟关注温度、湿度、压强和气溶胶随高度的变化，可为传播模型提供基础输入。其结果常用于分析层结结构对信号的影响。
8.3.2 传播损耗预测
传播损耗预测将大气参数与传播路径结合起来，估算不同波段在给定条件下的衰减水平。该方法广泛用于通信规划、观测安排和链路评估。
9 相关概念
9.1 大气吸收
大气吸收是指大气分子或粒子将传播能量转化为自身内部能量的过程，是大气衰减的重要组成部分。
9.2 大气散射
大气散射是传播波遇到大气粒子后改变传播方向的现象，可由分子、气溶胶、云滴和降水粒子共同引起。
9.3 传播衰减
传播衰减是对信号在介质中传播时总体变弱现象的统称，既包括大气造成的损耗，也可扩展到其他传播环境中的能量下降。
9.4 大气窗口
大气窗口是指大气对某些波段相对透明、衰减较小的频率区间。它在遥感、天文和光通信中具有重要应用价值。