利用地物光谱仪测算大气气溶胶光学厚度方法

大气气溶胶是指悬浮在大气中的微小颗粒物构成的多分散体,其尺度范围约在0.001～ 10μm之间。大气气溶胶对全球气候有重要的影响:它通过对太阳辐射和红外辐射的吸收和散射,造成地-气系统辐射收支的改变,而通过改变云的微物理特性,影响全球的地表平均温度,并以吸收和散射方式与辐射发生作用,直接干扰了光学遥感器接收的信号。因此,精确测量分析气溶胶的光学厚度,对于了解气候变化,去除遥感数据中大气影响,提高遥感定量应用水平都具有重要意义。许多直接和间接的遥感技术已用于研究气溶胶粒子的光学和物理性质。目前大气气溶胶的测量仪器主要有APS气溶胶粒子分布仪,太阳辐射计和激光雷达。激光雷达是通过发射激光束,测量气溶胶的后向散射来得到气溶胶的光学厚度;太阳辐射计是通过测量太阳辐射来反演整层大气光学厚度。作者利用地物光谱仪对太阳辐射进行测量,并反演出不同波段的气溶胶光学厚度。研究结果表明,通过测量太阳直射光辐射和天空光漫辐射进行大气气溶胶光学厚度的反演是有效和可靠的。

1理论与方法大气光学厚度是与波长有关的量,其与太阳直射光谱辐照度的关系为:

其中:E0λ是在日地平均距离上大气外界的太阳光谱辐照度,Eλ为到达地面的太阳直射光谱辐照度,m为大气质量数,τλ为大气总光学厚度。c为测量时刻的日地距离,可由下式计算:

式中,J为一年中第几天的数值。对方程(1)两端取对数得

由于地物光谱仪测得的是水平参考板在垂直方向的反射,即太阳直射辐射在竖直方向的分量E′λ= Eλ·cosθ,θ为太阳直射光线与水平参考板法线的夹角,则方程(1)可写为

相应的方程(3)可写为:

由(5)式可以看出只要测得两个不同时刻的太阳直射辐射即可得到大气总光学厚度。但实际测量一般要求结果表示的是一个过程,即要避免大气瞬间变化的影响,特别是肉眼观察不到的高云变化。对遥感应用来说,观测至少是从大气质量6开始到观测地区所能达到的最小值附近,或反之。在大气稳定的条件下(τλ为一定值),进行不同太阳天顶角的太阳直射辐射测量,将这一组数据进行一次项拟合,由lnE′λ+ ln secθ- lnc与m画直线,其斜率的绝对值就是大气总光学厚度τλ,这种方法称为Langley- Plot法,其误差比由两点法要小得多。对于无水汽吸收的波段,大气总光学厚度τλ可以写成

τrλ为大气分子(Rayleigh)散射光学厚度,τaλ为气溶胶光学厚度,τgλ为吸收气体(如O3和NO2)光学厚度。Rayleigh散射光学厚度可通过以下经验公式计算:

其中: P为当天的气压值,单位毫巴(mbar),P0= 1013.25mbar,λ为波长,单位:μm。吸收气体光学厚度τgλ在无气体吸收波段(如440 nm,870 nm,1 020 nm)上可忽略不计,即式(6)中τgλ= 0,大气总光学厚度τλ与Rayleigh散射光学厚度τrλ之差即气溶胶光学厚度τaλ。如果假定气溶胶粒子谱分布n(r)满足容格(Junge)分布,即:

式中,r为粒子半径,c、r为Junge参数,c与气溶胶浓度有关,υ的变化范围在2.0和4.0之间。在Junge气溶胶谱类型和气溶胶复折射指数与波长无关条件下,气溶胶光学厚度与波长的关系满足下式,

式中,k为Angstrom大气浑浊度系数,是波长1μm处大气气溶胶光学厚度。由式(9)可知,通过测量获得的气溶胶光学厚度τaλ的对数(lnτaλ)相对于lnλ进行线性拟合,可以求出υ、k值,继而可推算出任意波长上的气溶胶光学厚度。

2地面观测实验

本实验利用便携式地物光谱仪进行试验。仪器探头视场角有25°和5°,本次实验采用5°探头,以防止探测范围超出参考板而对结果造成影响,实验状况如图1所示。测量要求在大气比较稳定的时段内,每个测量过程分为两部分,包括用挡板挡掉太阳直射辐照的漫射辐照度和在无遮挡的情况下的总辐照度,后者与前者之差即太阳直射光谱辐照度。

图1　实验观测示意图

测量时间选择2004年4月9日12:00～ 17:00,每隔6分钟完成一个测量过程,共收集了438条光谱曲线,测量地点位于南京大学一空旷地,118.77°N,32.05°E,当天大气稳定,晴朗无云,能见度约20 km,风力2～ 3级。先将仪器按图1左图架好,将参考板平放在地面上,探头固定在三角架上,调整探头方向使其垂直于参考板所在平面,自然光照射时测量一次太阳总辐照度,记为E;然后迅速用挡板遮住太阳直射光使阴影盖过参考板(图1右),再测一次太阳漫射辐照度,记为Es;两者之差E- Es即太阳直射光谱辐照度。测量过程中应注意:(1)保持探头不动,以防改变光线进入探头的入射角;(2)每次测量记录三条光谱曲线(每隔0.1秒采集一条曲线),计算时取三条曲线的平均值,以避免偶然误差对结果的影响;(3)测量人员应着深色衣服,并尽可能远离参考板;(4)测量地点应选择远离高层建筑物的空旷地。将测量数据按式(5)进行Langley- Plot拟合,从而获得了大气总光学厚度,图2是440 nm处的Langley- Plot拟合曲线,其拟合偏差为0.0056,直线斜率的绝对值0.5501即440 nm处大气总光学厚度。表1是大气总光学厚度及其拟合偏差。拟合偏差为残差平方与总离差平方和的比值,可用下式计算:

 

图2　440 nm处Langley- Plot拟合曲线

式中:ERR为拟合偏差;y为实际观测值,即lnE′λ+ lnsecθ- lnc; y为实际观测值的样本均值; y为因变量（大气质量m）的理论回归值（或称预测值）。

表1　几种波长处的大气总光学厚度及拟合偏差

利用从南京气象局获得当天的气压值,由式(7)计算Rayleigh散射光学厚度,大气总光学厚度与Rayleigh散射光学厚度之差即气溶胶光学厚度,由式(9)推算出任意波长的气溶胶光学厚度。图3为气溶胶光学厚度与波长的关系曲线。

3结果验证利用6S(Second Simulation of the Satellite Signal in theSolar Spectrum)辐射传输模型对当天的大气进行模拟,以对本实验方法的可行性进行验证。6S是由Tanre等人在假设均一地表的前提下,描述了非朗伯反射地表情况下的大气影响理论,合理地处理了大气散射、大气吸收等过程,具有广泛的应用。6S模型提供了七种大气模式和三种用户自定义大气模式,考虑到观测点的地理位置（南京）与观测时间（4月9日）,选择中纬度夏季大气模式。6S还提供了八种气溶胶模式和四种用户自定义气溶胶模式,选择大陆型气溶胶模式,最后得到各个波段的气溶胶光学厚度,并与由实测得到的结果进行比较,见表2。从表2可以看出由便携式地物光谱仪实测值反演得到的值与6S模拟值之间的最高偏差为6%。

图3　气溶胶光学厚度与波长关系曲线

表2　利用光谱仪测算气溶胶光学厚度与6S模拟气溶胶光学厚度比较

4误差分析

（1）用便携式地物光谱仪难以从一次测量中获得太阳直射光谱辐照度,而是先测一次总辐照度,然后用挡板遮住入射到参考板上的直射光测得漫射辐射度,两次测值之差即太阳直射光谱辐照度。在实验中,背景目标对探测信号有一定影响。Kimes et al.(1983)利用辐射传输模型计算了在不同的太阳天顶角、实验人员分别着白色和黑色服装时的误差。他们发现当实验人员着黑色服装、距离目标0.5m时,反射率测量误差在所有太阳天顶角均小于2%;而若观测者着白色服装,太阳天顶角为75°时,该误差在近红外和红外波段分别高达15%和18%。当观测者远离被测目标时,该误差将会很快减小。鉴于以上考虑,在测量时将三角架腿用黑布包住,所有的测量人员均着黑色服装,并且离参考板的距离大于1m,因此,此项误差可以忽略。

（2）6S辐射传输模型实际上是对大气状况的一种模拟,其内部设定了大量的参数供用户选择,在具体大气参数未知的情况下给用户提供了很大方便,比如当选定中纬度夏季气溶胶模式时,其内部就提供了不同高度的压力、温度、水汽和臭氧含量,但这些参数都是通过多次统计的经验方法得到的,必然与实际的大气参数之间存在误差,这也是造成实测值与6S模拟值相对偏差较大的原因之一。（3）还应注意的是在计算任意波长的气溶胶光学厚度时,假定大气气溶胶粒子谱分布符合容格分布,容格谱分布是在对相对干净的对流层大气气溶胶和平流层气溶胶进行大量观测的基础上总结出来的,它只适用于半径大约为0.1～ 2μm范围的干净大气气溶胶。对城市污染大气,特别是以燃煤为主要能源的城市污染大气,容格谱是不适用的,尤其是不能用于整个气溶胶粒子尺度范围。

5结论

通过实验研究与讨论,利用地物波谱仪进行气溶胶散射光学厚度的反演是切实可行的,可用于大气校正中气溶胶散射光学厚度的同步测量,但实验需要严格控制,以减少背景目标及参考板的非朗伯特性等因素对探测信号的不利影响。

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审核编辑 黄昊宇