CN104614333A - 一种大气水汽分子吸收系数廓线测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大气水汽分子吸收系数廓线测量方法，包括：1)测量大气水汽分子数密度廓线、大气温度廓线及近地面大气压强，并利用近地面大气压强计算得到大气压强廓线；2)根据大气水汽分子数密度廓线、大气温度廓线及大气压强廓线，在特定高度处，得到各条水汽分子吸收谱线在波数ν处的谱线吸收强度和连续吸收强度，对谱线吸收强度和连续吸收强度求和后即可得到总的水汽分子吸收强度；3)根据测量的大气水汽分子数密度廓线及在波数ν处总的水汽分子吸收强度得到大气水汽分子在波数ν处的吸收系数；4)重复步骤2)及3)，依次计算各个高度上的大气水汽吸收系数，得到大气水汽分子吸收系数廓线。本发明可以实时测量大气水汽分子吸收系数廓线。

Description

一种大气水汽分子吸收系数廓线测量方法

技术领域

本发明涉及一种测量方法，具体涉及一种大气水汽分子吸收系数廓线测量方法。

背景技术

激光在实际大气传输过程中，由于大气中水汽分子的吸收，会导致激光能量的衰减，对于功率较强的激光还会产生非线性热晕效应，导致光束质量下降、远场光斑扩展，最终影响激光的工程应用。为评估大气水汽吸收对激光大气传输的影响，需要对大气水汽分子吸收系数廓线进行测量。在近、中红外光谱区(1～12μm)，是激光工程应用主要的光谱区间，在该区间水汽分子是最主要的大气吸收因素，所以测量大气水汽分子吸收系数廓线在激光工程应用方面具有重要价值。

目前常用的测量大气水汽分子吸收系数廓线的方法是，首先利用探空气球携带探空仪测量大气温度、压强和大气水汽浓度廓线，然后利用所测大气水汽分子浓度廓线、大气温度廓线、压强廓线等参数，结合HITRAN数据库，通过计算得到激光大气水汽吸收系数廓线。这种方式存在以下缺点：探空气球的测量方式实时性差，且测量路径无法控制，不能满足对激光传输路径上水汽分子吸收系数廓线实时测量的要求。

另外一种技术方案为：首先，利用拉曼激光雷达系统测量给出大气水汽浓度廓线和大气温度廓线，然后利用其它方法实测或结合模式大气给出大气压强廓线，最后，结合HITRAN数据库，通过计算得到激光大气吸收系数廓线。该种方式存在的缺点为：1)测量高度有限，一般拉曼激光雷达系统白天大致为3km、夜间为6km，且存在盲区(一般为数百米左右)；2)不能够测量大气温度廓线，由此带来的结果是大气水汽吸收系数计算精度不够高；3)拉曼激光雷达系统研制经费高，由于大气后向散射的拉曼信号较弱，为了得到足够的信噪比，除了需要激光器发射功率高之外，还需要较大的光学接收口径，一般不小于Φ500，所以，一套系统大约需要数百万元；4)拉曼激光雷达系统运行维护复杂，不适合长期外场运行。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种大气水汽分子吸收系数廓线测量方法，该测量方法可以实时测量大气水汽分子吸收系数廓线，并且测量的精度高，成本低。

为达到上述目的，本发明所述的大气水汽分子吸收系数廓线测量方法包括以下步骤：

1)利用多通道微波辐射计测量得到大气水汽分子数密度廓线ρ(h_i)、大气温度廓线T(h_i)，i＝0，1，2，......，N，其中h_i为高度；

利用离地面高度为h₀的近地面气象传感器测量得到高度为h₀处的大气压强p(h₀)，然后根据高度为h₀处的大气压强p(h₀)计算得到大气压强廓线p(h_i)，i＝0，1，2，......，N，h_i为高度；

2)利用高度h₀处的大气温度T(h₀)、大气压强p(h₀)和水汽分子数密度ρ(h₀)，计算得到中心波数为v₀的吸收线在波数v处的大气水汽分子谱线吸收强度k(v，h₀)：

k(v，h₀)＝Sf(v-v₀，α_L，α_D)    (1)

其中，f(v-v₀，α_L，α_D)为归一化线型函数，α_L为压力加宽的谱线半宽度，α_D为多普勒加宽的谱线半宽度，S为谱线强度；

3)利用高度h₀处的大气温度T(h₀)、大气压强p(h₀)和水汽分子数密度ρ(h₀)，计算得到波数v处的水汽分子连续吸收强度k_c(v)：

$k_c(v,h_0)=\mathrm{\ρ}\left(h_0\right)v\tanh [\mathrm{hcv}/2k_{B}T\left(h_0\right)]\left[\frac{\mathrm{\ρ}\left(h_0\right)}{{\mathrm{\ρ}}_s}{\tilde{C}}_s\right[v,T\left(h_0\right)]+\left(\frac{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{air}}\left(h_0\right)-\mathrm{\ρ}\left(h_0\right)}{{\mathrm{\ρ}}_s}\right){\tilde{C}}_f[v,T\left(h_0\right)\left]\right]---\left(2\right)$

其中，ρ_s为标准大气条件下(大气压强为1013hPa，大气温度为296K)空气的分子数密度，ρ_air(h₀)为高度h₀处空气的分子数密度，h为普朗克常数，k_B为Boltzmann常数，c为光速，与分别为高度h₀处连续吸收自身分量系数和外界分量系数；

4)由式(1)得各条水汽分子吸收谱线在波数v处的谱线吸收强度，再对各条水汽分子吸收谱线在波数v处进行逐线积分，得到水汽分子全部吸收谱线在波数v处的谱线吸收强度；再加上水汽分子连续吸收强度k_c(v，h₀)，可以得到高度h₀处在波数v处的总的水汽分子吸收强度γ(v，h₀)：

γ(v，h₀)＝∑k(v，h₀)+k_c(v，h₀)    (3)

由(3)式可以得到高度h₀处水汽分子在波数v处的吸收系数α(v，h₀)：

α(v，h₀)＝γ(v，h₀)p(h₀)    (4)

5)重新调整测量的高度h_i，重复步骤2)至步骤4)，依次得到大气水汽分子在高度h_i处的大气水汽吸收系数廓线α(v，h_i)。

式(1)中

$f(x,{\mathrm{\α}}_L,{\mathrm{\α}}_D)=\frac{{\mathrm{\α}}_L}{{\mathrm{\α}}_D{\mathrm{\π}}^{3/2}}{\∫}_{-\∞}^{\∞}\frac{1}{x^{\text{'}2}+{\mathrm{\α}}_L^2}\exp [-{\left(\frac{x-x^{\text{'}}}{{\mathrm{\α}}_D}\right)}^2]{\mathrm{dx}}^{\text{'}}---\left(5\right)$

其中x表示v-v₀，x′为积分量。

步骤2)中压力加宽α_L为：

${\mathrm{\α}}_L={\mathrm{\α}}_s\frac{p\left(h_i\right)}{p_s}{\left(\frac{T_s}{T\left(h_i\right)}\right)}^n---\left(6\right)$

其中α_s为标准大气压和标准大气温度下的谱线宽度，n为温度依赖指数，p_s为标准大气压，T_s为标准大气温度，p(h_i)、T(h_i)分别为在高度h_i处大气压强和大气温度。

步骤2)中多普勒加宽半径α_D的表达式为：

${\mathrm{\α}}_D=\frac{v_0}{c}\sqrt{\frac{2k_{B}T}{m}}---\left(7\right)$

其中，m为分子质量。

由自然加宽的线型因子f_N(v-v₀)、压力加宽的线型因子f_L(v-v₀)及多普勒加宽的线型因子f_D(v-v₀)得归一化线型函数f(v-v₀，α_L，α_D)。

所述自然加宽的线型因子f_N(v-v₀)的表达式为：

$f_N(v-v_0)=\frac{1}{\mathrm{\π}}\frac{{\mathrm{\α}}_N}{{(v-v_0)}^2+{\mathrm{\α}}_N^2}---\left(8\right)$

其中α_N为自然加宽的半宽度，并且，自然加宽的半宽度α_N的表达式为：

${\mathrm{\α}}_N=\frac{1}{4\mathrm{\πc\τ}}---\left(9\right)$

其中，τ是高能级的寿命。

所述压力加宽的线型因子f_L(v-v₀)的表达式为：

$f_L(v-v_0)=\frac{1}{\mathrm{\π}}\frac{{\mathrm{\α}}_L}{{(v-v_0)}^2+{\mathrm{\α}}_L^2}---\left(10\right)$

所述多普勒加宽的线型因子f_D(v-v₀)的表达式为：

$f_D(v-v_0)=\frac{1}{{\mathrm{\α}}_D\sqrt{\mathrm{\π}}}\exp [-{\left(\frac{v-v_0}{{\mathrm{\α}}_D}\right)}^2]---\left(11\right)$

步骤1)中利用多通道微波辐射计测量大气水汽分子数密度廓线及大气温度廓线；

步骤1)中利用大气压力传感器测量近地面处大气压强，然后根据近地面处大气压强得到大气压强廓线。

本发明具有以下有益效果：

本发明所述的大气水汽分子吸收系数廓线测量方法在测量大气水汽分子吸收系数的廓线时，先测量大气水汽分子数密度廓线、大气温度廓线，并利用近地面气象传感器测量所得近地面大气压强计算得到大气压强廓线；然后根据大气水汽分子数密度廓线、大气温度廓线及大气压强廓线，在特定高度处，得到各条水汽分子吸收谱线在波数v处的谱线吸收强度和连续吸收强度，对谱线吸收强度和连续吸收强度求和后即可得到总的水汽分子吸收强度，并根据测量的大气水汽分子数密度廓线及在波数v处总的水汽分子吸收强度得到大气水汽分子在波数v处的吸收系数；依次计算各个高度上的大气水汽吸收系数，即可得到大气水汽分子吸收系数廓线。该方法简单易行，操作方便，成本低，并且有很好的实时性，测量的高度从地表到10km之间，涵盖了水汽的全部高度范围，且距离分辨率高。

附图说明

图1为本发明的流程图。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参考图1，本发明所述的大气水汽分子吸收系数廓线测量方法包括以下步骤：

1)利用多通道微波辐射计测量得到大气水汽分子数密度廓线ρ(h_i)、大气温度廓线T(h_i)，i＝0，1，2，......，N，其中h_i为高度；

利用离地面高度为h₀的近地面气象传感器测量得到高度为h₀处的大气压强p(h₀)，然后根据高度为h₀处的大气压强p(h₀)计算得到大气压强廓线p(h_i)，i＝0，1，2，......，N，h_i为高度；

2)利用高度h₀处的大气温度T(h₀)、大气压强p(h₀)和水汽分子数密度ρ(h₀)，计算得到中心波数为v₀的吸收线在波数v处的大气水汽分子谱线吸收强度k(v，h₀)：

k(v，h₀)＝Sf(v-v₀，α_L，α_D)    (1)

其中，f(v-v₀，α_L，α_D)为归一化线型函数，α_L为压力加宽的谱线半宽度，α_D为多普勒加宽的谱线半宽度，S为谱线强度；

3)利用高度h₀处的大气温度T(h₀)、大气压强p(h₀)和水汽分子数密度ρ(h₀)，计算得到波数v处的水汽分子连续吸收强度k_c(v)：

$k_c(v,h_0)=\mathrm{\ρ}\left(h_0\right)v\tanh [\mathrm{hcv}/2k_{B}T\left(h_0\right)]\left[\frac{\mathrm{\ρ}\left(h_0\right)}{{\mathrm{\ρ}}_s}{\tilde{C}}_s\right[v,T\left(h_0\right)]+\left(\frac{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{air}}\left(h_0\right)-\mathrm{\ρ}\left(h_0\right)}{{\mathrm{\ρ}}_s}\right){\tilde{C}}_f[v,T\left(h_0\right)\left]\right]---\left(2\right)$

其中，ρ_s为标准大气条件下(大气压强为1013hPa，大气温度为296K)空气的分子数密度，ρ_air(h₀)为高度h₀处空气的分子数密度，h为普朗克常数，k_B为Boltzmann常数，c为光速，与分别为高度h₀处连续吸收自身分量系数和外界分量系数；

4)由式(1)得各条水汽分子吸收谱线在波数v处的谱线吸收强度，再对各条水汽分子吸收谱线在波数v处进行逐线积分，得到水汽分子全部吸收谱线在波数v处的谱线吸收强度；再加上水汽分子连续吸收强度k_c(v，h₀)，可以得到高度h₀处在波数v处的总的水汽分子吸收强度γ(v，h₀)：

γ(v，h₀)＝∑k(v，h₀)+k_c(v，h₀)    (3)

由(3)式可以得到高度h₀处水汽分子在波数v处的吸收系数α(v，h₀)：

α(v，h₀)＝γ(v，h₀)ρ(h₀)    (4)

5)重新调整测量的高度h_i，重复步骤2)至步骤4)，依次得到大气水汽分子在高度h_i处的大气水汽吸收系数廓线α(v，h_i)。

式(1)中

$f(x,{\mathrm{\α}}_L,{\mathrm{\α}}_D)=\frac{{\mathrm{\α}}_L}{{\mathrm{\α}}_D{\mathrm{\π}}^{3/2}}{\∫}_{-\∞}^{\∞}\frac{1}{x^{\text{'}2}+{\mathrm{\α}}_L^2}\exp [-{\left(\frac{x-x^{\text{'}}}{{\mathrm{\α}}_D}\right)}^2]{\mathrm{dx}}^{\text{'}}---\left(5\right)$

其中x表示v-v₀，x′为积分量；

步骤2)中压力加宽α_L为：

${\mathrm{\α}}_L={\mathrm{\α}}_s\frac{p\left(h_i\right)}{p_s}{\left(\frac{T_s}{T\left(h_i\right)}\right)}^n---\left(6\right)$

其中α_s为标准大气压和标准大气温度下的谱线宽度，n为温度依赖指数，p_s为标准大气压，T_s为标准大气温度，p(h_i)、T(h_i)分别为在高度h_i处大气压强和大气温度。

步骤2)中多普勒加宽半径α_D的表达式为：

${\mathrm{\α}}_D=\frac{v_0}{c}\sqrt{\frac{2k_{B}T}{m}}---\left(7\right)$

其中，m为分子质量。

由自然加宽的线型因子f_N(v-v₀)、压力加宽的线型因子f_L(v-v₀)及多普勒加宽的线型因子f_D(v-v₀)得归一化线型函数f(v-v₀，α_L，α_D)。

所述自然加宽的线型因子f_N(v-v₀)的表达式为：

$f_N(v-v_0)=\frac{1}{\mathrm{\π}}\frac{{\mathrm{\α}}_N}{{(v-v_0)}^2+{\mathrm{\α}}_N^2}---\left(8\right)$

其中α_N为自然加宽的半宽度，并且，自然加宽的半宽度α_N的表达式为：

${\mathrm{\α}}_N=\frac{1}{4\mathrm{\πc\τ}}---\left(9\right)$

其中，τ是高能级的寿命。

所述压力加宽的线型因子f_L(v-v₀)的表达式为：

$f_L(v-v_0)=\frac{1}{\mathrm{\π}}\frac{{\mathrm{\α}}_L}{{(v-v_0)}^2+{\mathrm{\α}}_L^2}---\left(10\right)$

所述多普勒加宽的线型因子f_D(v-v₀)的表达式为：

$f_D(v-v_0)=\frac{1}{{\mathrm{\α}}_D\sqrt{\mathrm{\π}}}\exp [-{\left(\frac{v-v_0}{{\mathrm{\α}}_D}\right)}^2]---\left(11\right)$

步骤1)中利用多通道微波辐射计测量大气水汽分子数密度廓线及大气温度廓线；

步骤1)中利用大气压力传感器测量近地面处大气压强，然后根据近地面处大气压强得到大气压强廓线。

多通道微波辐射计是一种常用的测量大气水汽浓度和大气温度廓线的测量仪器，并且配备有近地面常规气象传感器，可以测量近地面大气湿度、大气温度和大气压强。利用近地面大气压强测量值通过相关计算公式就可以得到大气压强随高度分布廓线。这样利用多通道微波辐射计可以给出大气水汽浓度、大气温度和大气压强这三个参数的高度分布廓线。

多通道微波辐射计测量22GHz～32GHz以及51GHz～60GHz频率段中的大气辐射，通过观测来自于水汽线压力增宽的辐射强度和形状的信息，可以得到大气水汽浓度廓线，即利用22.235GHz水汽吸收峰及其右边带的谱型反演大气中水汽浓度廓线，利用60GHz氧吸收峰及其左边带的谱型反演大气温度廓线，并通过测量近地面的大气压强得到大气压强廓线，进而结合大气分子吸收光谱参数数据库(HITRAN)资料，利用相关大气水汽分子谱线吸收强度和连续吸收强度算法，以及压力加宽、多普勒加宽和自然加宽算法，即可给出大气水汽吸收系数廓线。

Claims (9)

1.一种大气水汽分子吸收系数廓线测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)利用多通道微波辐射计测量得到大气水汽分子数密度廓线ρ(h_i)、大气温度廓线T(h_i)，i＝0，1，2，......，N，其中h_i为高度；

利用离地面高度为h₀的近地面气象传感器测量得到高度为h₀处的大气压强p(h₀)，然后根据高度为h₀处的大气压强p(h₀)计算得到大气压强廓线p(h_i)，i＝0，1，2，......，N，h_i为高度；

2)利用高度h₀处的大气温度T(h₀)、大气压强p(h₀)和水汽分子数密度ρ(h₀)，计算得到中心波数为ν₀的吸收线在波数ν处的大气水汽分子谱线吸收强度k(ν，h₀)：

k(v，h₀)＝Sf(v-v₀，α_L，α_D)    (1)

其中，f(v-v₀，α_L，α_D)为归一化线型函数，α_L为压力加宽的谱线半宽度，α_D为多普勒加宽的谱线半宽度，S为谱线强度；

3)利用高度h₀处的大气温度T(h₀)、大气压强p(h₀)和水汽分子数密度ρ(h₀)，计算得到波数ν处的水汽分子连续吸收强度k_c(ν)：

$k_c(\mathrm{\ν},h_0)=\mathrm{\ρ}\left(h_0\right)\mathrm{\ν}\tanh [\mathrm{hc\ν}/2k_{B}T\left(h_0\right)]\left[\frac{\mathrm{\ρ}\left(h_0\right)}{{\mathrm{\ρ}}_s}{\tilde{C}}_s\right[\mathrm{\ν},T\left(h_0\right)]+\left(\frac{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{air}}\left(h_0\right)-\mathrm{\ρ}\left(h_0\right)}{{\mathrm{\ρ}}_s}\right){\tilde{C}}_f[\mathrm{\ν},T\left(h_0\right)\left]\right]---\left(2\right)$

其中，ρ_s为标准大气条件下空气的分子数密度，ρ_air(h₀)为高度h₀处空气的分子数密度，h为普朗克常数，k_B为Boltzmann常数，c为光速，与分别为高度h₀处连续吸收自身分量系数和外界分量系数；

4)由式(1)得各条水汽分子吸收谱线在波数ν处的谱线吸收强度，再对各条水汽分子吸收谱线在波数ν处进行逐线积分，得到水汽分子全部吸收谱线在波数ν处的谱线吸收强度；再加上水汽分子连续吸收强度k_c(ν，h₀)，可以得到高度h₀处在波数ν处的总的水汽分子吸收强度γ(ν，h₀)：

γ(ν，h₀)＝∑k(ν，h₀)+k_c(ν，h₀)    (3)

由(3)式可以得到高度h₀处水汽分子在波数ν处的吸收系数α(ν，h₀)：

α(ν，h₀)＝γ(ν，h₀)ρ(h₀)    (4)

5)重新调整测量的高度h_i，重复步骤2)至步骤4)，依次得到大气水汽分子在高度h_i处的大气水汽吸收系数廓线α(ν，h_i)。

2.根据权利要求1所述的大气水汽分子吸收系数廓线测量方法，其特征在于，式(1)中

$f(x,{\mathrm{\α}}_L,{\mathrm{\α}}_D)=\frac{{\mathrm{\α}}_L}{{\mathrm{\α}}_D{\mathrm{\π}}^{3/2}}{\∫}_{-\∞}^{\∞}\frac{1}{x^{\′2}+{\mathrm{\α}}_L^2}\exp [-{\left(\frac{x-x^{\′}}{{\mathrm{\α}}_D}\right)}^2]d{x}^{\′}---\left(5\right)$

其中x表示ν-ν₀，x′为积分量。

3.根据权利要求1所述的大气水汽分子吸收系数廓线测量方法，其特征在于，步骤2)中压力加宽α_L为：

${\mathrm{\α}}_L={\mathrm{\α}}_s\frac{p\left(h_i\right)}{p_s}{\left(\frac{T_s}{T\left(h_i\right)}\right)}^n---\left(6\right)$

其中α_s为标准大气压和标准大气温度下的谱线宽度，n为温度依赖指数，p_s为标准大气压，T_s为标准大气温度，p(h_i)、T(h_i)分别为在高度h_i处大气压强和大气温度。

4.根据权利要求1所述的大气水汽分子吸收系数廓线测量方法，其特征在于，步骤2)中多普勒加宽半径α_D的表达式为：

${\mathrm{\α}}_D=\frac{{\mathrm{\ν}}_0}{c}\sqrt{\frac{2k_{B}T}{m}}---\left(7\right)$

其中，m为分子质量。

5.根据权利要求1所述的大气水汽分子吸收系数廓线测量方法，其特征在于，由自然加宽的线型因子f_N(v-v₀)、压力加宽的线型因子f_L(v-v₀)及多普勒加宽的线型因子f_D(v-v₀)得归一化线型函数f(v-v₀，α_L，α_D)。

6.根据权利要求5所述的大气水汽分子吸收系数廓线测量方法，其特征在于，所述自然加宽的线型因子f_N(v-v₀)的表达式为：

$f_N(v-v_0)=\frac{1}{\mathrm{\π}}\frac{{\mathrm{\α}}_N}{{(v-v_0)}^2+{\mathrm{\α}}_N^2}---\left(8\right)$

其中α_N为自然加宽的半宽度，并且，自然加宽的半宽度α_N的表达式为：

${\mathrm{\α}}_N=\frac{1}{4\mathrm{\πc\τ}}---\left(9\right)$

其中，τ是高能级的寿命。

7.根据权利要求5所述的大气水汽分子吸收系数廓线测量方法，其特征在于，所述压力加宽的线型因子f_L(v-v₀)的表达式为：

$f_L(v-v_0)=\frac{1}{\mathrm{\π}}\frac{{\mathrm{\α}}_L}{{(v-v_0)}^2+{\mathrm{\α}}_L^2}---\left(10\right)$

8.根据权利要求5所述的大气水汽分子吸收系数廓线测量方法，其特征在于，所述多普勒加宽的线型因子f_D(v-v₀)的表达式为：

$f_D(v-v_0)=\frac{1}{{\mathrm{\α}}_D\sqrt{\mathrm{\π}}}\exp [-{\left(\frac{v-v_0}{{\mathrm{\α}}_D}\right)}^2]---\left(11\right)$

9.根据权利要求1所述的大气水汽分子吸收系数廓线测量方法，其特征在于：

步骤1)中利用多通道微波辐射计测量大气水汽分子数密度廓线及大气温度廓线；

步骤1)中利用大气压力传感器测量近地面处大气压强，然后根据近地面处大气压强得到大气压强廓线。