利用地物光譜儀測算大氣氣溶膠光學厚度方法

大氣氣溶膠是指懸浮在大氣中的微小顆粒物構成的多分散體,其尺度范圍約在0.001～10μm之間。大氣氣溶膠對全球氣候有重要的影響:它通過對太陽輻射和紅外輻射的吸收和散射,造成地-氣系統(tǒng)輻射收支的改變,而通過改變云的微物理特性,影響全球的地表平均溫度,并以吸收和散射方式與輻射發(fā)生作用,直接干擾了光學遙感器接收的信號。因此,精確測量分析氣溶膠的光學厚度,對于了解氣候變化,去除遙感數據中大氣影響,提高遙感定量應用水平都具有重要意義。許多直接和間接的遙感技術已用于研究氣溶膠粒子的光學和物理性質。目前大氣氣溶膠的測量儀器主要有APS氣溶膠粒子分布儀,太陽輻射計和激光雷達。激光雷達是通過發(fā)射激光束,測量氣溶膠的后向散射來得到氣溶膠的光學厚度;太陽輻射計是通過測量太陽輻射來反演整層大氣光學厚度。作者利用地物光譜儀對太陽輻射進行測量,并反演出不同波段的氣溶膠光學厚度。研究結果表明,通過測量太陽直射光輻射和天空光漫輻射進行大氣氣溶膠光學厚度的反演是有效和可靠的。

1理論與方法大氣光學厚度是與波長有關的量,其與太陽直射光譜輻照度的關系為:

其中:E0λ是在日地平均距離上大氣外界的太陽光譜輻照度,Eλ為到達地面的太陽直射光譜輻照度,m為大氣質量數,τλ為大氣總光學厚度。c為測量時刻的日地距離,可由下式計算:

式中,J為一年中第幾天的數值。對方程(1)兩端取對數得

由于地物光譜儀測得的是水平參考板在垂直方向的反射,即太陽直射輻射在豎直方向的分量E′λ=Eλ·cosθ,θ為太陽直射光線與水平參考板法線的夾角,則方程(1)可寫為

相應的方程(3)可寫為:

由(5)式可以看出只要測得兩個不同時刻的太陽直射輻射即可得到大氣總光學厚度。但實際測量一般要求結果表示的是一個過程,即要避免大氣瞬間變化的影響,特別是肉眼觀察不到的高云變化。對遙感應用來說,觀測至少是從大氣質量6開始到觀測地區(qū)所能達到的最小值附近,或反之。在大氣穩(wěn)定的條件下(τλ為一定值),進行不同太陽天頂角的太陽直射輻射測量,將這一組數據進行一次項擬合,由lnE′λ+lnsecθ-lnc與m畫直線,其斜率的絕對值就是大氣總光學厚度τλ,這種方法稱為Langley-Plot法,其誤差比由兩點法要小得多。對于無水汽吸收的波段,大氣總光學厚度τλ可以寫成

τrλ為大氣分子(Rayleigh)散射光學厚度,τaλ為氣溶膠光學厚度,τgλ為吸收氣體(如O3和NO2)光學厚度。Rayleigh散射光學厚度可通過以下經驗公式計算:

其中:P為當天的氣壓值,單位毫巴(mbar),P0=1013.25mbar,λ為波長,單位:μm。吸收氣體光學厚度τgλ在無氣體吸收波段(如440nm,870nm,1020nm)上可忽略不計,即式(6)中τgλ=0,大氣總光學厚度τλ與Rayleigh散射光學厚度τrλ之差即氣溶膠光學厚度τaλ。如果假定氣溶膠粒子譜分布n(r)滿足容格(Junge)分布,即:

式中,r為粒子半徑,c、r為Junge參數,c與氣溶膠濃度有關,υ的變化范圍在2.0和4.0之間。在Junge氣溶膠譜類型和氣溶膠復折射指數與波長無關條件下,氣溶膠光學厚度與波長的關系滿足下式,

式中,k為Angstrom大氣渾濁度系數,是波長1μm處大氣氣溶膠光學厚度。由式(9)可知,通過測量獲得的氣溶膠光學厚度τaλ的對數(lnτaλ)相對于lnλ進行線性擬合,可以求出υ、k值,繼而可推算出任意波長上的氣溶膠光學厚度。

2地面觀測實驗

本實驗利用便攜式地物光譜儀進行試驗。儀器探頭視場角有25°和5°,本次實驗采用5°探頭,以防止探測范圍超出參考板而對結果造成影響,實驗狀況如圖1所示。測量要求在大氣比較穩(wěn)定的時段內,每個測量過程分為兩部分,包括用擋板擋掉太陽直射輻照的漫射輻照度和在無遮擋的情況下的總輻照度,后者與前者之差即太陽直射光譜輻照度。

圖1實驗觀測示意圖

測量時間選擇2004年4月9日12:00～17:00,每隔6分鐘完成一個測量過程,共收集了438條光譜曲線,測量地點位于南京大學一空曠地,118.77°N,32.05°E,當天大氣穩(wěn)定,晴朗無云,能見度約20km,風力2～3級。先將儀器按圖1左圖架好,將參考板平放在地面上,探頭固定在三角架上,調整探頭方向使其垂直于參考板所在平面,自然光照射時測量一次太陽總輻照度,記為E;然后迅速用擋板遮住太陽直射光使陰影蓋過參考板(圖1右),再測一次太陽漫射輻照度,記為Es;兩者之差E-Es即太陽直射光譜輻照度。測量過程中應注意:(1)保持探頭不動,以防改變光線進入探頭的入射角;(2)每次測量記錄三條光譜曲線(每隔0.1秒采集一條曲線),計算時取三條曲線的平均值,以避免偶然誤差對結果的影響;(3)測量人員應著深色衣服,并盡可能遠離參考板;(4)測量地點應選擇遠離高層建筑物的空曠地。將測量數據按式(5)進行Langley-Plot擬合,從而獲得了大氣總光學厚度,圖2是440nm處的Langley-Plot擬合曲線,其擬合偏差為0.0056,直線斜率的絕對值0.5501即440nm處大氣總光學厚度。表1是大氣總光學厚度及其擬合偏差。擬合偏差為殘差平方與總離差平方和的比值,可用下式計算:

圖2440nm處Langley-Plot擬合曲線

式中:ERR為擬合偏差;y為實際觀測值,即lnE′λ+lnsecθ-lnc;y為實際觀測值的樣本均值;y為因變量（大氣質量m）的理論回歸值（或稱預測值）。

表1幾種波長處的大氣總光學厚度及擬合偏差

利用從南京氣象局獲得當天的氣壓值,由式(7)計算Rayleigh散射光學厚度,大氣總光學厚度與Rayleigh散射光學厚度之差即氣溶膠光學厚度,由式(9)推算出任意波長的氣溶膠光學厚度。圖3為氣溶膠光學厚度與波長的關系曲線。

3結果驗證利用6S(SecondSimulationoftheSatelliteSignalintheSolarSpectrum)輻射傳輸模型對當天的大氣進行模擬,以對本實驗方法的可行性進行驗證。6S是由Tanre等人在假設均一地表的前提下,描述了非朗伯反射地表情況下的大氣影響理論,合理地處理了大氣散射、大氣吸收等過程,具有廣泛的應用。6S模型提供了七種大氣模式和三種用戶自定義大氣模式,考慮到觀測點的地理位置（南京）與觀測時間（4月9日）,選擇中緯度夏季大氣模式。6S還提供了八種氣溶膠模式和四種用戶自定義氣溶膠模式,選擇大陸型氣溶膠模式,最后得到各個波段的氣溶膠光學厚度,并與由實測得到的結果進行比較,見表2。從表2可以看出由便攜式地物光譜儀實測值反演得到的值與6S模擬值之間的最高偏差為6%。

圖3氣溶膠光學厚度與波長關系曲線

表2利用光譜儀測算氣溶膠光學厚度與6S模擬氣溶膠光學厚度比較

4誤差分析

（1）用便攜式地物光譜儀難以從一次測量中獲得太陽直射光譜輻照度,而是先測一次總輻照度,然后用擋板遮住入射到參考板上的直射光測得漫射輻射度,兩次測值之差即太陽直射光譜輻照度。在實驗中,背景目標對探測信號有一定影響。Kimesetal.(1983)利用輻射傳輸模型計算了在不同的太陽天頂角、實驗人員分別著白色和黑色服裝時的誤差。他們發(fā)現(xiàn)當實驗人員著黑色服裝、距離目標0.5m時,反射率測量誤差在所有太陽天頂角均小于2%;而若觀測者著白色服裝,太陽天頂角為75°時,該誤差在近紅外和紅外波段分別高達15%和18%。當觀測者遠離被測目標時,該誤差將會很快減小。鑒于以上考慮,在測量時將三角架腿用黑布包住,所有的測量人員均著黑色服裝,并且離參考板的距離大于1m,因此,此項誤差可以忽略。

（2）6S輻射傳輸模型實際上是對大氣狀況的一種模擬,其內部設定了大量的參數供用戶選擇,在具體大氣參數未知的情況下給用戶提供了很大方便,比如當選定中緯度夏季氣溶膠模式時,其內部就提供了不同高度的壓力、溫度、水汽和臭氧含量,但這些參數都是通過多次統(tǒng)計的經驗方法得到的,必然與實際的大氣參數之間存在誤差,這也是造成實測值與6S模擬值相對偏差較大的原因之一。（3）還應注意的是在計算任意波長的氣溶膠光學厚度時,假定大氣氣溶膠粒子譜分布符合容格分布,容格譜分布是在對相對干凈的對流層大氣氣溶膠和平流層氣溶膠進行大量觀測的基礎上總結出來的,它只適用于半徑大約為0.1～2μm范圍的干凈大氣氣溶膠。對城市污染大氣,特別是以燃煤為主要能源的城市污染大氣,容格譜是不適用的,尤其是不能用于整個氣溶膠粒子尺度范圍。

5結論

通過實驗研究與討論,利用地物波譜儀進行氣溶膠散射光學厚度的反演是切實可行的,可用于大氣校正中氣溶膠散射光學厚度的同步測量,但實驗需要嚴格控制,以減少背景目標及參考板的非朗伯特性等因素對探測信號的不利影響。

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審核編輯 黃昊宇