大氣氣溶膠是指懸浮在大氣中的微小顆粒物構(gòu)成的多分散體,其尺度范圍約在0.001～?10μm之間。大氣氣溶膠對(duì)全球氣候有重要的影響:它通過(guò)對(duì)太陽(yáng)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(guò)改變?cè)频奈⑽锢硖匦?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(xué)遙感器接收的信號(hào)。因此,精確測(cè)量分析氣溶膠的光學(xué)厚度,對(duì)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(yīng)用水平都具有重要意義。許多直接和間接的遙感技術(shù)已用于研究氣溶膠粒子的光學(xué)和物理性質(zhì)。目前大氣氣溶膠的測(cè)量?jī)x器主要有APS氣溶膠粒子分布儀,太陽(yáng)輻射計(jì)和激光雷達(dá)。激光雷達(dá)是通過(guò)發(fā)射激光束,測(cè)量氣溶膠的后向散射來(lái)得到氣溶膠的光學(xué)厚度;太陽(yáng)輻射計(jì)是通過(guò)測(cè)量太陽(yáng)輻射來(lái)反演整層大氣光學(xué)厚度。作者利用地物光譜儀對(duì)太陽(yáng)輻射進(jìn)行測(cè)量,并反演出不同波段的氣溶膠光學(xué)厚度。研究結(jié)果表明,通過(guò)測(cè)量太陽(yáng)直射光輻射和天空光漫輻射進(jìn)行大氣氣溶膠光學(xué)厚度的反演是有效和可靠的。

1理論與方法大氣光學(xué)厚度是與波長(zhǎng)有關(guān)的量,其與太陽(yáng)直射光譜輻照度的關(guān)系為:

其中:E0λ是在日地平均距離上大氣外界的太陽(yáng)光譜輻照度,Eλ為到達(dá)地面的太陽(yáng)直射光譜輻照度,m為大氣質(zhì)量數(shù),τλ為大氣總光學(xué)厚度。c為測(cè)量時(shí)刻的日地距離,可由下式計(jì)算:

式中,J為一年中第幾天的數(shù)值。對(duì)方程(1)兩端取對(duì)數(shù)得

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

相應(yīng)的方程(3)可寫為:

由(5)式可以看出只要測(cè)得兩個(gè)不同時(shí)刻的太陽(yáng)直射輻射即可得到大氣總光學(xué)厚度。但實(shí)際測(cè)量一般要求結(jié)果表示的是一個(gè)過(guò)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(duì)遙感應(yīng)用來(lái)說(shuō),觀測(cè)至少是從大氣質(zhì)量6開(kāi)始到觀測(cè)地區(qū)所能達(dá)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(jìn)行不同太陽(yáng)天頂角的太陽(yáng)直射輻射測(cè)量,將這一組數(shù)據(jù)進(jìn)行一次項(xiàng)擬合,由lnE′λ+?ln?secθ-?lnc與m畫直線,其斜率的絕對(duì)值就是大氣總光學(xué)厚度τλ,這種方法稱為L(zhǎng)angley-?Plot法,其誤差比由兩點(diǎn)法要小得多。對(duì)于無(wú)水汽吸收的波段,大氣總光學(xué)厚度τλ可以寫成

τrλ為大氣分子(Rayleigh)散射光學(xué)厚度,τaλ為氣溶膠光學(xué)厚度,τgλ為吸收氣體(如O3和NO2)光學(xué)厚度。Rayleigh散射光學(xué)厚度可通過(guò)以下經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算:

其中:?P為當(dāng)天的氣壓值,單位毫巴(mbar),P0=?1013.25mbar,λ為波長(zhǎng),單位:μm。吸收氣體光學(xué)厚度τgλ在無(wú)氣體吸收波段(如440?nm,870?nm,1?020?nm)上可忽略不計(jì),即式(6)中τgλ=?0,大氣總光學(xué)厚度τλ與Rayleigh散射光學(xué)厚度τrλ之差即氣溶膠光學(xué)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(shù),c與氣溶膠濃度有關(guān),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(fù)折射指數(shù)與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)條件下,氣溶膠光學(xué)厚度與波長(zhǎng)的關(guān)系滿足下式,

式中,k為Angstrom大氣渾濁度系數(shù),是波長(zhǎng)1μm處大氣氣溶膠光學(xué)厚度。由式(9)可知,通過(guò)測(cè)量獲得的氣溶膠光學(xué)厚度τaλ的對(duì)數(shù)(lnτaλ)相對(duì)于lnλ進(jìn)行線性擬合,可以求出υ、k值,繼而可推算出任意波長(zhǎng)上的氣溶膠光學(xué)厚度。

2地面觀測(cè)實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)利用便攜式地物光譜儀進(jìn)行試驗(yàn)。儀器探頭視場(chǎng)角有25°和5°,本次實(shí)驗(yàn)采用5°探頭,以防止探測(cè)范圍超出參考板而對(duì)結(jié)果造成影響,實(shí)驗(yàn)狀況如圖1所示。測(cè)量要求在大氣比較穩(wěn)定的時(shí)段內(nèi),每個(gè)測(cè)量過(guò)程分為兩部分,包括用擋板擋掉太陽(yáng)直射輻照的漫射輻照度和在無(wú)遮擋的情況下的總輻照度,后者與前者之差即太陽(yáng)直射光譜輻照度。

圖1　實(shí)驗(yàn)觀測(cè)示意圖

測(cè)量時(shí)間選擇2004年4月9日12:00～?17:00,每隔6分鐘完成一個(gè)測(cè)量過(guò)程,共收集了438條光譜曲線,測(cè)量地點(diǎn)位于南京大學(xué)一空曠地,118.77°N,32.05°E,當(dāng)天大氣穩(wěn)定,晴朗無(wú)云,能見(jiàn)度約20?km,風(fēng)力2～?3級(jí)。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(diào)整探頭方向使其垂直于參考板所在平面,自然光照射時(shí)測(cè)量一次太陽(yáng)總輻照度,記為E;然后迅速用擋板遮住太陽(yáng)直射光使陰影蓋過(guò)參考板(圖1右),再測(cè)一次太陽(yáng)漫射輻照度,記為Es;兩者之差E-?Es即太陽(yáng)直射光譜輻照度。測(cè)量過(guò)程中應(yīng)注意:(1)保持探頭不動(dòng),以防改變光線進(jìn)入探頭的入射角;(2)每次測(cè)量記錄三條光譜曲線(每隔0.1秒采集一條曲線),計(jì)算時(shí)取三條曲線的平均值,以避免偶然誤差對(duì)結(jié)果的影響;(3)測(cè)量人員應(yīng)著深色衣服,并盡可能遠(yuǎn)離參考板;(4)測(cè)量地點(diǎn)應(yīng)選擇遠(yuǎn)離高層建筑物的空曠地。將測(cè)量數(shù)據(jù)按式(5)進(jìn)行Langley-?Plot擬合,從而獲得了大氣總光學(xué)厚度,圖2是440?nm處的Langley-?Plot擬合曲線,其擬合偏差為0.0056,直線斜率的絕對(duì)值0.5501即440?nm處大氣總光學(xué)厚度。表1是大氣總光學(xué)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(jì)算:

圖2　440?nm處Langley-?Plot擬合曲線

式中:ERR為擬合偏差;y為實(shí)際觀測(cè)值,即lnE′λ+?lnsecθ-?lnc;?y為實(shí)際觀測(cè)值的樣本均值;?y為因變量（大氣質(zhì)量m）的理論回歸值（或稱預(yù)測(cè)值）。

表1　幾種波長(zhǎng)處的大氣總光學(xué)厚度及擬合偏差

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

3結(jié)果驗(yàn)證利用6S(Second?Simulation?of?the?Satellite?Signal?in?theSolar?Spectrum)輻射傳輸模型對(duì)當(dāng)天的大氣進(jìn)行模擬,以對(duì)本實(shí)驗(yàn)方法的可行性進(jìn)行驗(yàn)證。6S是由Tanre等人在假設(shè)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(guò)程,具有廣泛的應(yīng)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(cè)點(diǎn)的地理位置（南京）與觀測(cè)時(shí)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(gè)波段的氣溶膠光學(xué)厚度,并與由實(shí)測(cè)得到的結(jié)果進(jìn)行比較,見(jiàn)表2。從表2可以看出由便攜式地物光譜儀實(shí)測(cè)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(xué)厚度與波長(zhǎng)關(guān)系曲線

表2　利用光譜儀測(cè)算氣溶膠光學(xué)厚度與6S模擬氣溶膠光學(xué)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(cè)量中獲得太陽(yáng)直射光譜輻照度,而是先測(cè)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(cè)得漫射輻射度,兩次測(cè)值之差即太陽(yáng)直射光譜輻照度。在實(shí)驗(yàn)中,背景目標(biāo)對(duì)探測(cè)信號(hào)有一定影響。Kimes?et?al.(1983)利用輻射傳輸模型計(jì)算了在不同的太陽(yáng)天頂角、實(shí)驗(yàn)人員分別著白色和黑色服裝時(shí)的誤差。他們發(fā)現(xiàn)當(dāng)實(shí)驗(yàn)人員著黑色服裝、距離目標(biāo)0.5m時(shí),反射率測(cè)量誤差在所有太陽(yáng)天頂角均小于2%;而若觀測(cè)者著白色服裝,太陽(yáng)天頂角為75°時(shí),該誤差在近紅外和紅外波段分別高達(dá)15%和18%。當(dāng)觀測(cè)者遠(yuǎn)離被測(cè)目標(biāo)時(shí),該誤差將會(huì)很快減小。鑒于以上考慮,在測(cè)量時(shí)將三角架腿用黑布包住,所有的測(cè)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(xiàng)誤差可以忽略。

（2）6S輻射傳輸模型實(shí)際上是對(duì)大氣狀況的一種模擬,其內(nèi)部設(shè)定了大量的參數(shù)供用戶選擇,在具體大氣參數(shù)未知的情況下給用戶提供了很大方便,比如當(dāng)選定中緯度夏季氣溶膠模式時(shí),其內(nèi)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(shù)都是通過(guò)多次統(tǒng)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)方法得到的,必然與實(shí)際的大氣參數(shù)之間存在誤差,這也是造成實(shí)測(cè)值與6S模擬值相對(duì)偏差較大的原因之一。（3）還應(yīng)注意的是在計(jì)算任意波長(zhǎng)的氣溶膠光學(xué)厚度時(shí),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(duì)相對(duì)干凈的對(duì)流層大氣氣溶膠和平流層氣溶膠進(jìn)行大量觀測(cè)的基礎(chǔ)上總結(jié)出來(lái)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(duì)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(gè)氣溶膠粒子尺度范圍。

5結(jié)論

通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究與討論,利用地物波譜儀進(jìn)行氣溶膠散射光學(xué)厚度的反演是切實(shí)可行的,可用于大氣校正中氣溶膠散射光學(xué)厚度的同步測(cè)量,但實(shí)驗(yàn)需要嚴(yán)格控制,以減少背景目標(biāo)及參考板的非朗伯特性等因素對(duì)探測(cè)信號(hào)的不利影響。

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