CN103234942B - 利用天空散射光测量大气水平能见度的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用天空散射光测量大气水平能见度的方法及装置，利用大气辐射传输模型建立各个测量方位和太阳位置对应的低高度角的氧的二聚体差分斜柱浓度与近地面大气消光系数之间的对应关系，利用气象能见度与消光系数关系的公式，进一步转化为氧的二聚体斜柱浓度与近地面大气水平能见度的对应关系，建立测量点的数据库；利用转动平台使光接收系统循环测量低高度角的光谱和天顶方向的光谱，解析出氧的二聚体差分斜柱浓度；根据解析的氧的二聚体差分斜柱浓度和对应的测量方位角、测量时间，在数据库中查找对应的近地面水平能见度。本发明的测量装置结构简单，实现实时自动监测；测量方法利用太阳散射光为光源，采样区域大，测量结果反应真实大气。

Description

利用天空散射光测量大气水平能见度的方法及装置

技术领域

本发明属于光学测量领域，具体的说是一种利用天空散射光测量大气水平能见度的方法及装置。

背景技术

作为气象观测的要素之一,大气水平能见度测报不仅用于日常气象部门的天气分析,更广泛用于高速公路、航空、航海等交通运输部门、军事等领域。随着科学技术和我国国民经济的发展,各种气象要素的精确测量和预报越来越必要,特别是交通运输事业的迅速发展,海、陆、空各种交通工具的增加和速度的提高,使得大气水平能见度这项气象要素的测报显得更为重要。现在的测量技术主要是采用主动光源的透射式能见度仪、散射式能见度测量仪以及测量气溶胶散射来获得能见度的激光雷达。但是前两种技术取样空间小,代表性稍差；受光源稳定性的影响，定标相对困难；计算公式反演比较繁琐;必须遵循散射各向同性的原则。而激光雷达技术的运行和维护成本较高，不适合于长期观测和普及。因此综上，目前现有技术中还没有采用被动太阳散射光源的近地面大气水平能见度测量方法和装置的文献报道。本发明采用太阳散射光作为光源，采样空间大，更能反应真实大气水平能见度；不需要绝对定标，便于维护，适合于长期自动连续实时观测；仪器成本较低，适合于大量普及应用。

发明内容

本发明的目的是提出了一种新型的测量大气水平能见度的方法和装置，解决了现有技术采样空间小，无法反应大区域真实的大气水平能见度的问题。

本发明的技术解决方案：

利用天空散射光测量大气水平能见度的装置，其特征在于：包括有转动平台、电子罗盘、电子倾角仪、GPS定位单元，光接收系统、光谱探测单元、计算机；计算机通过控制线控制转动平台，转动平台上安装有电子罗盘、GPS定位单元，电子罗盘提供方位角信息，GPS定位单元提供测量点的经纬度和海拔高度信息，光接收系统搭载到转动平台上，光接收系统指向低高度角和天顶方向，电子倾角仪安装在光接收系统上，提供高度角信息，光接收系统的信号输出端通过光纤接入光谱探测单元的信号输入端，光谱探测单元的信号输出端通过传输控制线接入计算机；天空散射光经光接收系统传输到光谱探测单元，转化为数字信号传输到计算机，计算机对光谱信息进行处理，计算机同时通过传输控制线制光谱采集单元，计算机中存有大气辐射传输模型和数据库，通过大气辐射传输模型建立数据库，通过计算机利用差分吸收光谱分析方法进行反演得到氧二聚体差分斜柱浓度，输入到计算机中的数据库查找得到近地面大气水平能见度。

所述的一种利用天空散射光测量大气水平能见度的装置，其特征在于：所述的大气辐射传输模型是可以模拟光在大气中传输的计算机仿真软件，如SCAITRAN、MACARTIM、TRACY、LIDORT等模型软件，在输入大气气象参数、气溶胶特性参数等信息后，可仿真计算得到任意测量方向、任意测量时间条件下的氧的二聚体斜柱浓度。

所述的一种利用天空散射光测量大气水平能见度的装置，其特征在于：所述的低高度角的光谱和天顶方向的光谱分别是测量方向与水平方向之间的角度小于1°和测量方向与水平方向角度约为90°。

所述的一种利用天空散射光测量大气水平能见度的装置，其特征在于：所述的氧的二聚体差分斜柱浓度是利用差分吸收光谱原理，以相邻的天顶方向测量光谱为参考光谱，解析得到的低高度角光谱中氧的二聚体对吸收路径的积分；吸收路径集中于近地面的大气中。

所述的一种利用天空散射光测量大气水平能见度的装置，其特征在于：所述转动平台，水平转动范围0到360°，垂直转动至少可以指向低高度角和90°高度角两个方向，其转动精度应小于0.1°。

所述的一种利用天空散射光测量大气水平能见度的装置，其特征在于：所述电子罗盘和电子倾角仪能够实时与计算机通讯，给出光接收系统所指方向的仰角和方位角，电子罗盘和电子倾角仪的误差小于0.1度。

所述的一种利用天空散射光测量大气水平能见度装置，其特征在于：所述光接收系统由凸透镜片、滤光片、挡光轮和光纤组成；天空散射光经凸透镜汇聚到光纤中；滤光片在凸透镜后，光纤之前；挡光轮安装在光纤前、凸透镜后；光接收系统的凸透镜采用石英晶体，以提高紫外透过率；光接收系统的视场角小于0.1°。

一种利用天空散射光测量大气水平能见度的方法，其特征在于：包括利用大气辐射传输模型建立各个测量方位和太阳位置对应的低高度角的氧的二聚体差分斜柱浓度与近地面大气消光系数之间的对应关系，利用气象能见度与消光系数关系的公式，进一步转化为氧的二聚体斜柱浓度与近地面大气水平能见度的对应关系，建立测量点的数据库；然后利用转动平台使光接收系统循环测量低高度角的光谱和天顶方向的光谱，通过差分吸收理论，解析出氧的二聚体差分斜柱浓度；然后根据解析的氧的二聚体差分斜柱浓度和对应的测量方位角、测量时间，在数据库中查找得到对应的近地面大气水平能见度；具体方法步骤如下：

（1）首先使光接收系统指向仰角90°，得到参考光谱，然后使光接收系统指向小于1°的低高度角，得到测量光谱；根据光在大气中传输测量光谱I(λ)和参考光谱I₀(λ)之间的关系：

$I\left(\mathrm{\λ}\right)=I_0\left(\mathrm{\λ}\right)\×\exp (-L\·(\underset{j}{\mathrm{\Σ}}({\mathrm{\σ}}_j^{\′}\left(\mathrm{\λ}\right)\·c_j)+{\mathrm{\ϵ}}_R\left(\mathrm{\λ}\right)+{\mathrm{\ϵ}}_M\left(\mathrm{\λ}\right)))$

式中L是光的有效传输路径，也就是测量光谱的光的传输路径中减去参考光谱光的传输路径后的剩余部分；σ′_j(λ)代表多种吸收气体的吸收截面，c_j代表多种吸收气体的浓度，ε_R(λ)代表空气分子的瑞利散射，ε_M(λ)代表气溶胶的米散射；

根据差分吸收光谱算法（参见著作《DifferentialOptiaclAbsorptionSpectroscopy》U.PlattandJ.Stutz.,PhysicsofEarthandSpaceEnvironments,2008,Springer-VerlagBerlinHeidelberg2008.）通过高通滤波可以去除光谱中的慢变化部分ε_R(λ)和ε_M(λ)，通过最小二乘法拟合可以同时获得多种吸收气体的差分斜柱浓度，差分斜柱浓度是吸收气体浓度对光的有效传输路径L的积分；如果选择氧的二聚体(O4)的吸收带波段分析光谱，可以得到O4的差分斜柱浓度，由于O4在大气中的分布是稳定的(参见文献Wagner,T.,Friedeburg,C.von,WenigM.,Otten,C.andPlatt,U.:UV/visobservationsofatmosphericO4absorptionsusingdirectmoonlightandzenithscatteredsunlightunderclearandcloudyskyconditions,J.Geophys.Res.,107,D20,4424,2002.)，因此O4的斜柱浓度由有效传输路径L决定；而有效传输路径L在大气中受气溶胶散射、吸收和空气分子的散射、吸收决定，在气溶胶浓度较高的近地面大气，相比于气溶胶的散射作用，其他作用对L的影响可以近似忽略（参见著作《高等大气物理》周秀骥，陶善昌，姚克亚，1991）。因此如果有效传输路径主要在近地面大气中，通过测量O4的斜柱浓度就可以反演得到气溶胶散射消光系数；

为了说明1°高度角的测量光谱，有效光学路径L主要集中在近地面附近这一现象，利用大气辐射传输模型SCIATRAN（参见Rozanov,A.,Rozanov,V.,Buchwitz,M.,Kokhanovsky,A.,andBurrows,J.:SCIATRAN2.0-Anewradiativetransfermodelforgeophysicalapplicationsinthe175-2400nmspectralregion,in:AtmosphericRemoteSensing:Earth'sSurface,Troposphere,StratosphereandMesosphere-I,editedbyBurrows,J.andEichmann,K.,vol.36ofADVANCESINSPACERESEARCH,1015-1019,2005.）模拟了1°高度角的有效光学路径在不同高度的差分盒子大气质量因子（dbox-AMF）（参见文献Martin,RandallV.,KellyChance,DanielJ.Jacob,ThomasP.Kurosu,RobertJ.D.Spurr,EricBucsela,JamesF.Gleason,PaulI.Palmer,IsabelleBey,ArleneM.Fiore,QinbinLi,RobertM.Yantosca,andRobertB.A.Koelemeijer:AnImprovedRetrievalofTroposphericNitrogenDioxidefromGOME,J.Geophys.Res.,107(D20),4437,2002.），dbox-AMF代表了有效光学路径在不同高度层大气中的分布（如图1），图1中AOD是气溶胶光学厚度，RAA是仪器测量方向与太阳方向之间的相对方位角，可以看出，对于1°高度角，光的有效传输路径主要集中近地面附近。

通过大气辐射传输模型可以获得近地面气溶胶散射消光系数与O4差分斜柱浓度的对应关系，而且近地面大气的水平能见度L_V主要由气溶胶散射消光系数ε_M(λ)决定（参见著作《高等大气物理》周秀骥，陶善昌，姚克亚，1991），如下式：

L_V=2.996/ε_M(λ)

因此通过下文提到的基于数据库的查表反演方法就可以由低高度角（如1°高度角）的O4差分斜柱浓度获得近地面的水平能见度。

为了显示出低高度角O4的差分斜柱浓度与近地面大气水平能见度的关系，以及受测量方向和测量时间的影响，利用大气辐射传输模型SCIATRAN模拟了不同太阳天顶角（SZA）、不同相对方位角（RAA）下O4差分斜柱浓度与近地面大气水平能见度的对应关系（如图2）。测量点的经纬度已知时，不同的测量时间就对应着相应的太阳天顶角。而仪器的测量方位角和测量时间、经纬度已知时，相对方位角也可以确定下来。确定了SZA和RAA后，O4的差分斜柱浓度就唯一的由近地面大气水平能见度确定了。

所以可以首先通过大气辐射传输模型建立氧的二聚体斜柱浓度、测量方位角、测量时间三个量与大气水平能见度之间的一对一索引数据库。建立数据库时，模型中输入测量点的气溶胶单次散射反照率、非对称因子等特性信息和测量点海拔高度。当测量点经纬度已知时，可计算出测量时间对应的太阳在天空中的位置，包括天顶角和方位角。根据此数据库，输入实际测量的氧的二聚体斜柱浓度和测量方位角、时间，可以快速查找到对应的大气水平能见度。在多个方位进行测量，可以区分出不同水平方向的大气能见度。

本发明与现有技术相比的优点在于：

（1）本发明与其他测量水平能见度的光学仪器相比，采用被动光源，系统结构简单，成本较低，不需要复杂的绝度定标，维护简单，便于实现实时连续监测。

（2）本发明测量采样区域较大，测量结果更能反演真实大气的水平能见度；对于一个测量点建立起数据库后可以长期使用，利用测量值从数据库中直接提取水平能见度，不需要复杂的反演公式，计算速度更快。

附图说明

图1是利用大气辐射传输模型分析1°高度角的有效光学路径在不同高度层大气中的分布图。

图2是利用大气辐射传输模型SCIATRAN模拟不同太阳天顶角（SZA）、不同相对方位角（RAA）下O4差分斜柱浓度与近地面大气水平能见度的对应关系示意图。

图3为本发明装置的结构示意图。

图4为本发明的实现原理框图。

图5建立数据库流程图。

图6测量水平能见度方法流程图。

具体实施方式

如图3、4所示，本发明实施例中，计算机7通过控制线1.2控制转动平台1.1，电子罗盘2安装在转动平台1.1上，提供方位角信息，电子倾角仪3安装在光接收系统5.1上，提供高度角信息，GPS定位单元4安装在转动平台1.1上，提供测量点的经纬度和海拔高度信息，光接收系统5.1搭载到转动平台1.1上，接收到的天空散射光通过光纤5.2传输到光谱采集单元6.1内，经AD转化后将光谱信息经传输控制线6.2传输到计算机7，计算机7可对光谱信息进行处理，计算机7通过传输控制线6.2控制光谱采集单元6.1。计算机7中存有大气辐射传输模型和数据库，通过大气辐射传输模型建立数据库，实际监测时通过数据库获得大气水平能见度。

如图5所示，本发明测量大气水平能见度的装置和方法建立数据库的实现流程为，设定某一气溶胶近地面消光系数，利用气象能见度公式，计算大气水平能见度；同时在此设定下，设定测量方向和太阳位置，利用大气辐射传输模型，计算对应的氧的二聚体斜柱浓度，然后将计算的大气水平能见度和氧的二聚体差分斜柱浓度输入到数据库中。在每一种气溶胶近地面消光系数下，计算所有可能的测量方向和太阳位置；针对所有可能的大气气溶胶近地面消光系数进行以上计算。将测量点经纬度和海拔高度、气溶胶特性参数和气象参数输入到大气辐射传输模型中。

如图6所示，本发明测量大气水平能见度的方法和装置用于测量大气水平能见度的实现流程为，首先转到某一测量方位角，然后转到天顶方向，光接收系统接收天空散射光经光纤传输到光谱采集单元，经AD转化后将光谱信息传输到计算机，计算机根据光强大小调整采集参数，记录参考光谱。然后转动到低高度角，调整参数后，获得测量光谱。计算机利用被动差分吸收光谱算法解析氧的二聚体差分柱浓度。将结果和测量时间、方位角输入到数据库中，根据数据库查找得到水平能见度。

本发明未详细阐述部分属于本领域技术人员的公知技术。

Claims (1)

1.利用天空散射光测量大气水平能见度的装置的方法，其特征在于：所述装置包括有转动平台、电子罗盘、电子倾角仪、GPS定位单元，光接收系统、光谱探测单元、计算机；计算机通过控制线控制转动平台，转动平台上安装有电子罗盘、GPS定位单元，光接收系统搭载到转动平台上，电子倾角仪安装在光接收系统上，光接收系统的信号输出端通过光纤接入光谱探测单元的信号输入端，光谱探测单元的信号输出端通过传输控制线接入计算机；天空散射光经光接收系统传输到光谱探测单元，转化为数字信号传输到计算机，计算机对光谱信息进行处理，计算机同时通过传输控制线制光谱采集单元，计算机中存有大气辐射传输模型和数据库，通过大气辐射传输模型建立数据库，通过计算机利用差分吸收光谱分析方法进行反演得到氧的二聚体差分斜柱浓度，输入到计算机中的数据库查找得到近地面大气水平能见度；

低高度角的光谱和天顶方向的光谱分别是测量方向与水平方向之间的角度小于1°和测量方向与水平方向角度约为90°；

所述的氧的二聚体差分斜柱浓度是利用差分吸收光谱原理，以相邻的天顶方向测量光谱为参考光谱，解析得到的低高度角光谱中氧的二聚体对吸收路径的积分；吸收路径集中于近地面的大气中；

所述转动平台，水平转动范围0到360°，垂直转动至少能指向低高度角和90°高度角两个方向，其转动精度应小于0.1°；所述电子罗盘和电子倾角仪能够实时与计算机通讯，给出光接收系统所指方向的仰角和方位角，电子罗盘和电子倾角仪的误差小于0.1度；所述光接收系统由凸透镜片、滤光片、挡光轮和光纤组成；天空散射光经凸透镜汇聚到光纤中；滤光片在凸透镜后，光纤之前；挡光轮安装在光纤前、凸透镜后；光接收系统的凸透镜采用石英晶体，以提高紫外透过率；光接收系统的视场角小于0.1°；

所述的利用天空散射光测量大气水平能见度的装置的方法，包括利用大气辐射传输模型建立各个测量方位和太阳位置对应的低高度角的氧的二聚体差分斜柱浓度与近地面大气消光系数之间的对应关系，利用气象能见度与消光系数关系的公式，进一步转化为氧的二聚体斜柱浓度与近地面大气水平能见度的对应关系，建立测量点的数据库；然后利用转动平台使光接收系统循环测量低高度角的光谱和天顶方向的光谱，通过差分吸收理论，解析出氧的二聚体差分斜柱浓度；然后根据解析的氧的二聚体差分斜柱浓度和对应的测量方位角、测量时间，在数据库中查找得到对应的近地面大气水平能见度；具体方法步骤如下：

首先使光接收系统指向仰角90°，得到参考光谱，然后使光接收系统指向小于1°的低高度角，得到测量光谱；根据光在大气中传输测量光谱I(λ)和参考光谱I0(λ)之间的关系：

式中L是光的有效传输路径，也就是测量光谱的光的传输路径中减去参考光谱光的传输路径后的剩余部分；代表多种吸收气体的吸收截面，代表多种吸收气体的浓度，代表空气分子的瑞利散射，代表气溶胶的米散射；

根据差分吸收光谱算法，通过高通滤波可以去除光谱中的慢变化部分和，通过最小二乘法拟合可以同时获得多种吸收气体的差分斜柱浓度，差分斜柱浓度是吸收气体浓度对光的有效传输路径L的积分；如果选择氧的二聚体(O4)的吸收带波段分析光谱，可以得到O4的差分斜柱浓度，由于O4在大气中的分布是稳定的，因此O4的斜柱浓度由有效传输路径L决定；而有效传输路径L在大气中受气溶胶散射、吸收和空气分子的散射、吸收决定，在气溶胶浓度较高的近地面大气，相比于气溶胶的散射作用，其他作用对L的影响可以近似忽略；因此如果有效传输路径主要在近地面大气中，通过测量O4的斜柱浓度就可以反演得到气溶胶散射消光系数；

通过大气辐射传输模型可以获得近地面气溶胶散射消光系数与O4差分斜柱浓度的对应关系，而且近地面大气的水平能见度LV主要由气溶胶散射消光系数决定，如下式：

L_V=2.996/

因此通过基于数据库的查表反演方法就可以由低高度角的O4差分斜柱浓度获得近地面的水平能见度；在多个方位进行测量，可以区分出不同水平方向的大气能见度。