1、太阳光度计测量气溶胶光学厚度刘莹莹刘莹莹2008202434 主要内容：主要内容：一、太阳光度计简介一、太阳光度计简介 二、利用太阳光度计反演气溶胶的光学厚度二、利用太阳光度计反演气溶胶的光学厚度 三、利用最小二乘法计算大气浑浊度系数三、利用最小二乘法计算大气浑浊度系数()和和Angstrom波长指数波长指数()一、太阳光度计 1.太阳光度计测量气溶胶的原理太阳光度计测量气溶胶的原理 2.数据格式数据格式1.1 太阳光度计测量气溶胶的原理 太阳光度计是目前探测大气气溶胶的一个常用且太阳光度计是目前探测大气气溶胶的一个常用且有效的监测仪器有效的监测仪器,利用它不仅能够研究气溶胶的光利用它不仅能够
2、研究气溶胶的光学特性、进行卫星遥感反演的气溶胶产品校验学特性、进行卫星遥感反演的气溶胶产品校验,而而且可以获取实时、长期的观测数据。且可以获取实时、长期的观测数据。CE318 CE318 型自动跟踪扫描太阳光度计型自动跟踪扫描太阳光度计,它是法国它是法国CIMEL CIMEL 公司制造的一种自动跟踪扫描太阳光度计。公司制造的一种自动跟踪扫描太阳光度计。CE318型自动跟踪扫描太阳光度计 该仪器在可见光和近红外波段共有八个观测通该仪器在可见光和近红外波段共有八个观测通道，它不仅能自动跟踪太阳做太阳辐射测量，道，它不仅能自动跟踪太阳做太阳辐射测量，而且可以进行太阳高度角天空扫描、太阳主平而且可以进
3、行太阳高度角天空扫描、太阳主平面扫描和极化通道天空扫描面扫描和极化通道天空扫描;它能自动存储测它能自动存储测量数据，并在测量完成后传输到计算机保存，量数据，并在测量完成后传输到计算机保存，它还可以通过它还可以通过DCP平台远程传输数据，实现了平台远程传输数据，实现了无人管理自动采集测量数据和远程数据传输。无人管理自动采集测量数据和远程数据传输。它的总视场角天空瞄准光筒为它的总视场角天空瞄准光筒为1.21.2度，太阳瞄准光筒度，太阳瞄准光筒为为1.21.2度，其滤光片的光谱宽度和半波宽度见度，其滤光片的光谱宽度和半波宽度见表表2.12.1 法国法国CIMEL CIMEL 公司为太阳光度计专门开发
4、研制了一套公司为太阳光度计专门开发研制了一套应用软件应用软件ASTPWin,ASTPWin,主要用于光度计安装地主要用于光度计安装地点参数的设置、数据的获取、传输和一些简单数据点参数的设置、数据的获取、传输和一些简单数据图像的处理、显示。图像的处理、显示。CE318 CE318 将采集数据自动存入机器内部存储单元将采集数据自动存入机器内部存储单元,并并通过通过ASTPWin ASTPWin 软件定时传输到软件定时传输到PC PC 机内。机内。CE318 CE318 从早晨从早晨大气质量数为大气质量数为6(6(太阳高度角约为太阳高度角约为9 9)自动开始工作自动开始工作,到下午大气质量数为到下午
5、大气质量数为6(6(日落日落)结束观测结束观测,并自动回到并自动回到原点位置。湿度传感器控制仪器在有降水时停止工作。原点位置。湿度传感器控制仪器在有降水时停止工作。仪器安装、调试并开机后仪器安装、调试并开机后,仪器自动进行数据采集。数仪器自动进行数据采集。数据传输间隔设置为据传输间隔设置为1 h,1 h,即每小时将测量数据传输到即每小时将测量数据传输到PC PC 机内机内,生成一个生成一个“.K7”“.K7”文件。文件。1.2 数据格式 该光度计的测量数据可直接用个人计算机直接读该光度计的测量数据可直接用个人计算机直接读取，太阳和天空的测量方式可以编程，在进行资取，太阳和天空的测量方式可以编程
6、，在进行资料处理时还需将仪器生成的原始文件料处理时还需将仪器生成的原始文件(K7(K7文件文件)用用ASTPWinASTPWin软件转换成软件转换成ASCllASCll文件。文件类型和文件。文件类型和表表1 1第第一列相同一列相同。ASTPWin操作界面二、利用太阳光度计反演气溶胶的光学厚度 1.反演光学厚度原理反演光学厚度原理 2.大气气溶胶光学厚度的日变化特征大气气溶胶光学厚度的日变化特征2.1反演光学厚度原理根据根据Beer-Lambert-Bouguer 定律定律,在地面直接测得在地面直接测得的太阳辐射的太阳辐射E(W/m2)在给定波长上在给定波长上的表达式为的表达式为:E=E0 R-
7、2exp(-m)Tg(1)其中其中E0 为大气外界太阳辐照度为大气外界太阳辐照度(太阳常数太阳常数),R 为测量为测量时刻日地距离时刻日地距离(天文单位天文单位,约等于约等于1),m 为大气光学为大气光学质量质量(约为天顶角约为天顶角的正的正割割:sec),为大气垂直总光为大气垂直总光学厚度学厚度,Tg为吸收气体透过率。为吸收气体透过率。若用仪器输出电压若用仪器输出电压V 代表代表E,公式公式(1)为为:V=V 0R-2exp(-m)Tg(2)式中式中V 0是定标常数是定标常数。在在8 8个通道的值分别为：个通道的值分别为：8231 18596 22909 10048 22184 13015
8、19540 17139 对于无水汽吸收的波段对于无水汽吸收的波段,大气垂直总光学厚度大气垂直总光学厚度 可表示为可表示为:=r+a+O3+NO2 (3)其中其中r为分子散射为分子散射(Rayleigh)光学厚度光学厚度,a为为气溶胶光学厚度气溶胶光学厚度,O3、NO2分别为吸收气体分别为吸收气体O3、NO2 的光学厚度的光学厚度Rayleigh 散射光学厚度可以通过地面气压值计散射光学厚度可以通过地面气压值计算算:r=p/p00.0088-4.05(4)式中式中p0 为标准大气压为标准大气压(1013.25 hPa),p 为实际为实际大气压大气压,单位为单位为m。在可见光、近红外波段在可见光、
9、近红外波段,大气中主要存在臭氧和大气中主要存在臭氧和水汽的吸收。选择没有水汽吸收的通道水汽的吸收。选择没有水汽吸收的通道440 nm、870 nm、1020 nm,且这且这3 个通道只有气溶胶消个通道只有气溶胶消光和光和Rayleigh 散射散射,则式则式(3)中中O3、NO2都为都为“0”。将式。将式(2)和和(3)结合结合,同时公式两边取对数同时公式两边取对数,则为则为:ln V+ln R2=ln V 0-m(r+a)(5)一旦获得了比较精确的仪器定标常数一旦获得了比较精确的仪器定标常数V 0,对观测数据的对观测数据的处理可以采用处理可以采用“瞬态瞬态”法法,即利用某时刻获得的太阳辐射即利
10、用某时刻获得的太阳辐射测值测值V和预先标定好的定标常数和预先标定好的定标常数(V 0)以及公式以及公式(5),就可就可得到该时刻大气柱总的消光光学厚度。得到该时刻大气柱总的消光光学厚度。“瞬态瞬态”法也称之法也称之为为“截距法截距法”,这种方法的精度依赖于仪器的定标常数这种方法的精度依赖于仪器的定标常数(V 0)（6）计算出大气垂直总光学厚度和瑞利散射消光，就计算出大气垂直总光学厚度和瑞利散射消光，就得到大气气溶胶的光学厚度得到大气气溶胶的光学厚度a =-r 2.2大气气溶胶光学厚度的日变化特征23:08:16 05:18:08 09:51:29 03:24:20 09:43:25012345
11、时 间气 溶 胶光 学 厚 度440nm23:13:5703:48:0908:40:0400:43:1105:30:2823:01:20012345气 溶 胶光 学 厚 度时 间870nm 23:13:57 03:48:09 08:40:04 01:15:27 07:25:51012345气 溶 胶光 学 厚 度时 间1020nm三.利用最小二乘法计算大气浑浊度系数()和Angstrom波长指数()1.1.大气浑浊度系数大气浑浊度系数()()、AngstromAngstrom波长指数波长指数()()定义定义 2.2.最小二乘法线性拟合最小二乘法线性拟合3.1大气浑浊度系数()、Angstrom
12、波长指数()定义 安斯川姆（安斯川姆（Angstrom,1964)Angstrom,1964)提出下式计算整层大提出下式计算整层大气米散射的光学厚度气米散射的光学厚度 （1）称为浑浊度系数，随大气中气溶胶总量而变称为浑浊度系数，随大气中气溶胶总量而变 称为波长指数称为波长指数 通常波长指数通常波长指数反映气溶胶粒子谱分布情况，它反映气溶胶粒子谱分布情况，它与气溶胶的平均半径有关，平均半径越小，气溶与气溶胶的平均半径有关，平均半径越小，气溶胶的散射特性越趋近于分子散射胶的散射特性越趋近于分子散射,越趋近于越趋近于4 4。混浊度系数混浊度系数，主要反映的是气溶胶浓度的大，主要反映的是气溶胶浓度的大
13、小小,值越大气溶胶浓度越大。值越大气溶胶浓度越大。使用多个波段测量得到的气溶胶光学厚度，对式使用多个波段测量得到的气溶胶光学厚度，对式(1)(1)进行最小二乘法拟合，可得到进行最小二乘法拟合，可得到和和，在此在此基础上，又可以求出其它波长处的气溶胶光学厚基础上，又可以求出其它波长处的气溶胶光学厚度。度。3.2 最小二乘法线性拟合 设直线方程的表达式为：设直线方程的表达式为：(2-6-1)对满足线性关系的一组等精度测量数据（对满足线性关系的一组等精度测量数据（x xi i，y yi i），假定），假定自变量自变量xixi的误差可以忽略（实际实验中总有一个变量的误的误差可以忽略（实际实验中总有一个
14、变量的误差相对较小，可以忽略，作为差相对较小，可以忽略，作为X X分量），则在同一分量），则在同一x xi i下，下，测量点测量点y yi i和直线上的对应点和直线上的对应点a+bxa+bxi i的偏差的偏差d di i如图（如图（2-6-22-6-2）所示：所示：d1y1abx1d2y2abx2 dnynabxn显然最好测量点都在直线上（即显然最好测量点都在直线上（即d1=d2=d1=d2=dn=0=dn=0），求出的），求出的a a和和b b是最理想是最理想的，但测量点不可能都在直线上，这样只有考虑的，但测量点不可能都在直线上，这样只有考虑d1d1、d2d2、dndn为最小，为最小，也就是
15、考虑也就是考虑d1+d2+d1+d2+dn+dn为最小，但因为最小，但因d1d1、d2d2、dndn有正有负，加起有正有负，加起来可能相互抵消，因此不可取；而来可能相互抵消，因此不可取；而|d1|+|d2|+|d1|+|d2|+|dn|+|dn|又不好解方程，又不好解方程，因而不可行。现在采取一种等效方法：当因而不可行。现在采取一种等效方法：当d1d12 2+d2+d22 2+dn+dn2 2对对a a和和b b为最小时，为最小时，d1d1、d2d2、dndn也为最小。取（也为最小。取（d12+d22+d12+d22+dn2+dn2）为最小值，求）为最小值，求a a和和b b的的方法叫最小二乘
16、法。方法叫最小二乘法。3.2 最小二乘法线性拟合3.2波长指数和混浊度系数的日变化特征 23:13:57 3:48:09 8:40:04 1:29:11 7:32:150.00.20.40.60.81.01.21.41.6波 长 指 数时 间 波 长指数 23:13:57 3:48:09 8:40:04 1:29:11 7:32:150.00.51.01.52.02.53.03.54.0时 间浑 浊 度系 数 浑 浊 度 系 数 参考文献参考文献 任宜勇，李霞任宜勇，李霞，CE318 太阳光度计观测资料应太阳光度计观测资料应用前景及其解读用前景及其解读 刘玉杰，利用新型全自动太阳光度计研究气溶胶刘玉杰，利用新型全自动太阳光度计研究气溶胶光学和物理特性光学和物理特性 aeronet.gsfc.nasa.gov思考：思考：波长指数波长指数反映气溶胶粒子谱分布情况，它与气反映气溶胶粒子谱分布情况，它与气溶胶的平均半径有关，平均半径越小，气溶胶的溶胶的平均半径有关，平均半径越小，气溶胶的散射特性越趋近于分子散射散射特性越趋近于分子散射,越趋近于越趋近于？
