地物光譜儀測算大氣氣溶膠光學厚度方法

引言

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，造成地一氣系統(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(shù)據(jù)中大氣影響，提高遙感定量應用水平都具有重要意義。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。

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，B為到達地面的太陽直射光譜輻照度，m為大氣質量數(shù)，b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(shù)值。對方程(1)兩端取對數(shù)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

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。

地面觀測實驗

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

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：

保持探頭不動，以防改變光線進入探頭的入射角；

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；

測量人員應著深色衣服，并盡可能遠離參考板；

測量地點應選擇遠離高層建筑物的空曠地。

將測量數(shù)據(jù)按式(5)進行Langley—Plot擬合，從而獲得了大氣總光學厚度，圖2是440 nm處的Langley—Plot擬合曲線，其擬合偏差為0．005 6，直線斜率的絕對值0．5501即440 nm處大氣總光學厚度。表2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2 440m出Langley-Plot擬合曲線

式中：ERR為擬合偏差；y為實際觀測值

結果驗證

利用6S(Second sjmulation of the Satellite Signal in theSolar Spectrum)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3。從表3可以看出由ASD FieldSpec—FR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3 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

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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審核編輯黃宇