CN102565007B - 一种整层大气透过率的反演方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光整层大气透过率的反演方法，其通过选择特定波长测量整层大气气溶胶光学厚度，反演得到其它波长的整层大气气溶胶光学厚度，进而反演出整层大气透过率。本发明的方法利用多波段太阳辐射计结合相关大气模式或本地大气实测数据及高分辨率大气吸收光学厚度计算软件实现在紫外、可见以及红外波段的整层大气透过率反演，解决了在宽光谱测量激光整层大气透过率的问题。

Description

一种整层大气透过率的反演方法

技术领域

本发明涉及大气光学，具体是一种利用多波长太阳辐射计和高分辨率大气透过率计算软件进行整层大气透过率反演的方法。

背景技术

太阳辐射计是以太阳为光源，测量经过整层大气传输后的太阳直射辐射，主要用于大气气溶胶探测。美国NASA利用法国CIMEL公司生产的CE318型太阳辐射计建立了大气气溶胶自动观测网AERONET，在全球范围内布设了180多个地基太阳辐射计，主要用于大气气溶胶辐射气候研究，也对卫星系统遥感分析结果提供支撑和验证。中国气象局在全国范围内建设大气气溶胶光学特性监测网CARSNET，其目的是为了系统观测和研究中国区域大气气溶胶光学特性，为沙尘暴监测、大气气溶胶气候效应研究及卫星反演结果标定提供科学依据。国内安徽光学精密机械研究所、国家气象局等单位利用地基太阳辐射计进行了大量的大气气溶胶光学参数的研究，主要的研究方向是大气气溶胶光学厚度测量以及对仪器特定波段的相关反演，而对整层大气透过率的测量以及反演某个特定波长大气透过率方面的研究较少。

通常多波长太阳辐射计所测量波段在紫外、可见和近红外光谱范围，而中红外区域测量较可见光测量要复杂的多，为得到中红外波段的激光整层大气透过率，提出一种利用测量波段的大气气溶胶光学厚度数据反演到其它波段，再考虑大气分子散射和气体吸收光学厚度，进而计算得到所需波长的整层大气透过率。该方法适用于紫外、可见以及红外波长的整层大气透过率反演。

发明内容

本发明提供一种利用多波段太阳辐射计的整层大气透过率反演方法。

假设太阳辐射计可以同时测量n个波长(λ₁、λ₂、…、λ_n；λ₁＜λ₂＜…＜λ_n)的太阳直射辐射。

本发明的原理：技术方案为使用太阳辐射计测量所得到n个波长的整层大气气溶胶光学厚度。在假设大气气溶胶粒径谱分布满足荣格谱的情况下，按照埃斯屈朗公式拟合得到大气浑浊度系数与埃斯屈朗波长指数。利用拟合结果计算反演波长的大气气溶胶光学厚度，结合模式大气的分子瑞利散射光学厚度和气体吸收光学厚度，得到反演波长的整层大气透过率。

具体方案：太阳辐射可以认为是一定温度的黑体辐射，当经过大气传输后，受到大气分子和气溶胶粒子的作用，导致其辐射能量的衰减。利用太阳辐射计测量经过大气传输后的窄波段太阳直射辐射并与定标值相比较，即获得大气分子和气溶胶产生的垂直方向上的总光学厚度，从而给出垂直整层大气透过率。

本发明一方面涉及一种整层大气透过率的反演方法，其特征在于综合考虑大气气溶胶光学厚度和大气分子散射、吸收光学厚度下进行的多波长反演，给出其它波长的整层大气透过率，包括如下步骤：

(1)利用太阳辐射计测量单波长的整层大气气溶胶光学厚度，所选择的波长介于340nm至1640nm之间，优选介于400nm至1020nm之间，且所选择的波长的大气分子吸收较小，可以忽略；

(2)通过测定的数据反演其它波长的整层大气气溶胶光学厚度，所述的其它波长包括紫外、可见和/或红外波长；

(3)利用瑞利散射光学厚度计算公式结合本地气压修正大气分子散射光学厚度；利用已有的软件计算得到相应的大气分子吸收光学厚度；

(4)通过以上分析得到其它波长整层的总光学厚度，进而得到整层大气透过率。

在本发明的一个优选实施方式中，上述步骤(3)中所使用的软件是高分辨率大气透过率计算软件，例如PcLnWin或FASCODE。

在本发明的一个优选实施方式中，上述利用软件计算大气分子光学厚度时，按本地实际测量结果输入相关大气参数。

在本发明的一个优选实施方式中，使用步骤(1)的方法测定多个符合条件的波长所对应的整层大气气溶胶光学厚度，所述的多个是指4-8个，优选是3-4个。

在本发明的一个优选实施方式中，上述步骤(3)中结合模式大气或本地实际测量计算得到大气分子散射光学厚度和大气分子吸收光学厚度。

本方法利用多波段太阳辐射计结合相关模式或本地实际测量结果及吸收光学厚度计算软件实现在紫外、可见以及红外波段的整层大气透过率反演，解决了在宽光谱测量激光整层大气透过率的问题。

具体实施方式：

根据Bouguer定律，在地面测得的给定波长太阳直射辐射E(W/m²)为：

E(λ)＝E₀(λ)·R·exp(-m(θ)·τ(λ))·T_g      (1)

式中E₀(λ)是在一个天文单位(AU)距离上的大气上届波长λ处的太阳直射光谱辐照度；R是测量时刻的日地距离修正因子(R＝(r_m/r)²，r为观测时实际的日地距离；r_m为日地平均距离)；m(θ)是相对大气质量(又称大气质量数)，θ为观测时刻太阳天顶角；τ(λ)是波长λ处大气垂直方向总光学厚度；T_g为吸收气体透过率，实际测量时，一般太阳辐射计的测量波长均选在气体分子吸收可以忽略的波长，所有T_g＝1。

太阳直射辐射数据在太阳辐射计的测量结果中表现为仪器的输出电压，测量电压正比于入射的太阳光谱辐照度，利用仪器输出电压V(λ)代表太阳直射辐照度E(λ)，则(1)式可以表示为：

V(λ)＝V₀(λ)·R·exp(-m(θ)·τ(λ))          (2)

式中V₀(λ)是太阳辐射计对应于E₀(λ)的测量电压值，为仪器的定标常数。

在确定定标常数V₀(λ)的情况下，利用太阳直射辐射测量电压数据V(λ)结合上式计算垂直方向总光学厚度τ(λ)：

$\mathrm{\τ}\left(\mathrm{\λ}\right)=\frac{1}{m}\ln \left(\frac{V_0\left(\mathrm{\λ}\right)\·R}{V\left(\mathrm{\λ}\right)}\right)---\left(3\right)$

垂直整层大气透过率的利用下式进行计算：

T(λ)＝exp(-τ(λ))                            (4)

通过以上分析，可以计算仪器测量波长的整层大气透过率。

总光学厚度τ(λ)主要有三部分组成：τ_a(λ)为大气气溶胶光学厚度；τ_r(λ)为大气分子瑞利散射光学厚度；τ_ab(λ)为大气分子吸收光学厚度，可以写成下式：

τ(λ)＝τ_a(λ)+τ_r(λ)+τ_ab(λ)               (5)

对于仪器测量波长，其分子吸收光学厚度较小，可以忽略τ_ab(λ)＝0。通过以上式可以得到大气气溶胶光学厚度τ_a(λ)：

τ_a(λ)＝τ(λ)-τ_r(λ)                        (6)

在假设大气气溶胶满足荣格谱分布的情况下，大气气溶胶光学厚度可以表示为大气浑浊度系数β和波长指数α的函数，即埃斯屈朗公式：

τ_a(λ)＝βλ^-α                               (7)

式中β是大气浑浊度系数，是波长1μm处的大气气溶胶光学厚度，波长指数α反映了大气气溶胶的粒子谱分布，二者与大气气溶胶粒子总数、复折射率指数以及粒子谱分布有关。

通过选择测量波段中没有水汽和其它吸收气体波段的大气气溶胶光学厚度，利用最小二乘法可以拟合得到β和α的值。利用拟合得到的α、β值代入公式(7)得到不同波长的大气气溶胶光学厚度。利用标准模式大气或本地实际测量结果计算分子瑞利散射光学厚度。对大气分子吸收光学厚度，可利用高分辨率大气透过率计算软件(例如PcLnWin或FASCODE等)进行计算，再通过(5)式得到总的光学厚度，进而计算反演波长的整层大气透过率。

为了验证本发明的方法，通过实测和反演分别计算整层大气透过率，反演结果如图1和2所示，其中图1中为波长440nm、670nm、1020nm时的气溶胶光学厚度(Aerosol Optical Depth)实测结果数据，以及波长440nm、532nm、670nm、1020nm、1064nm时光学厚度的拟合数据，其中拟合数据为利用专利所述方法进行反演给出的结果；图2为波长440nm、670nm、1020nm时的大气透过率(Transmittance)实测结果数据，以及波长440nm、532nm、670nm、1020nm、1064nm时大气透过率的拟合数据，其中拟合数据为利用专利所述方法进行反演给出的结果。

在上述拟合数据中，波长532nm时的气溶胶光学厚度和大气透过率为内插结果，波长1064nm的气溶胶光学厚度和大气透过率为外推结果，从结果来看，采用本专利的方法能够得到与实测数据基本一致的结果。

当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (4)

1.一种激光整层大气透过率的反演方法，其特征在于综合考虑大气气溶胶光学厚度和大气分子散射、吸收光学厚度下进行的多波长反演，给出其它波长的整层大气透过率，包括如下步骤：

(1)利用太阳辐射计测量不少于两个波长的整层大气气溶胶光学厚度，所选择的波长介于340nm至1640nm之间；

(2)通过测定的数据反演其它波长的整层大气气溶胶光学厚度，所述的其它波长包括紫外、可见和/或红外波长；

(3)利用瑞利散射光学厚度计算公式结合本地气压修正大气分子散射光学厚度；利用已有的软件计算得到相应的大气分子吸收光学厚度；

(4)通过以上分析得到其它波长的整层大气总光学厚度，进而得到特定激光波长的整层大气透过率。

2.根据权利要求1所述的反演方法，其特征在于步骤(3)中所使用的软件是高分辨率大气透过率计算软件PcLnWin或FASCODE。

3.根据权利要求1所述的反演方法，其特征是利用软件计算大气分子光学厚度时，按模式大气或本地实际测量结果输入相关大气参数。

4.根据权利要求1至3任意一项所述的反演方法，其特征在于使用步骤(1)的方法测定多个符合条件的波长所对应的整层大气气溶胶光学厚度，所述的多个是指4-8个或者是3-4个。