太陽(yáng)光度計(jì)在北京高空地區(qū)的標(biāo)定

太陽(yáng)光度計(jì)在北京高空地區(qū)的標(biāo)定

1大氣柱單光度計(jì)地球中的水是一個(gè)重要的氣候和氣參數(shù)。在許多科學(xué)研究領(lǐng)域，如氣候、地球環(huán)境監(jiān)測(cè)、空間遙感和地球輻射傳輸?shù)榷夹枰@個(gè)參數(shù)。通常情況下,對(duì)于水汽含量的測(cè)算一般是通過(guò)探空手段實(shí)現(xiàn)的。近些年來(lái),隨著科學(xué)探測(cè)技術(shù)的研究和發(fā)展,科學(xué)家們及相關(guān)研究人員開發(fā)了利用地基觀測(cè)方法或空基遙感手段對(duì)大氣中的水汽含量進(jìn)行估算和反演。在空基遙感中,有些對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星上的儀器,如TERRA/AQUA-MODIS,神舟3-CMODIS和FY-1C/1D掃描輻射計(jì)等,都設(shè)置了位于近紅外的940nm通道用來(lái)反演大氣柱水汽總量;NOAA-16/17/18衛(wèi)星上的HIRS傳感器上有多個(gè)中波紅外吸收通道用于反演大氣水汽廓線;FY-2B/C衛(wèi)星掃描輻射計(jì)的6.3—7.6μm通道也用于大氣水汽總量的反演。在地基觀測(cè)中,通常采用太陽(yáng)光度計(jì)或微波輻射計(jì)相關(guān)通道進(jìn)行大氣水汽總量的估算。1999年以來(lái),我國(guó)一些相關(guān)部門和遙感研究單位先后從國(guó)外引進(jìn)了幾十臺(tái)(套)法國(guó)CIMEL公司生產(chǎn)的CE318自動(dòng)跟蹤太陽(yáng)光度計(jì),用以進(jìn)行大氣氣溶膠消光光學(xué)厚度、氣溶膠譜分布和水汽含量的探測(cè)。CE318自動(dòng)跟蹤太陽(yáng)光度計(jì)有8個(gè)通道,帶寬為10nm,光譜覆蓋從可見光到近紅外,視場(chǎng)角為1.2°。CE318太陽(yáng)光度計(jì)的通道參數(shù)見表1。架設(shè)在國(guó)家衛(wèi)星氣象中心樓頂(39°57′N,116°19′E)的一臺(tái)CE318太陽(yáng)光度計(jì),自2002年5月開始對(duì)北京上空大氣進(jìn)行觀測(cè),本文利用其中的太陽(yáng)直射輻照度觀測(cè)數(shù)據(jù),并采用一種稱作“修改的蘭勒方法”對(duì)大氣柱的水汽含量進(jìn)行了估算方法試驗(yàn)和研究。通過(guò)北京氣象觀測(cè)站(54511站,39°48′N,116°28′E)探空觀測(cè)的水汽量對(duì)CE318太陽(yáng)光度計(jì)觀測(cè)水汽含量進(jìn)行了標(biāo)定,并獲得了太陽(yáng)光度計(jì)測(cè)量的絕對(duì)水汽總量。2大氣中的二氧化氮與大氣透過(guò)率大氣中光譜的光學(xué)厚度與地面上觀測(cè)到的光譜的直射太陽(yáng)輻射強(qiáng)度Eλ,有如下關(guān)系,式中,E0λ是波長(zhǎng)為λ的大氣外界太陽(yáng)輻照度(太陽(yáng)常數(shù)),R為測(cè)量時(shí)刻的日地距離校正量(平均與實(shí)際日地距離的比值),m為大氣質(zhì)量數(shù)(m為太陽(yáng)天頂角θ的函數(shù)),τλ為大氣垂直總光學(xué)厚度,Tgλ為吸收氣體透過(guò)率。若用測(cè)量?jī)x器的輸出電壓Vλ代表Eλ,上面公式可以寫成:式中,V0λ是定標(biāo)常數(shù)。對(duì)于吸收氣體透過(guò)率Tgλ,在可見、近紅外波長(zhǎng)范圍由于臭氧吸收使該值小于1。根據(jù)比爾定律,臭氧吸收透過(guò)率TO3λ為TO3λ=exp(?mτo3λ)(3)ΤΟ3λ=exp(-mτo3λ)(3)大氣中的二氧化氮(NO2)同樣也遵從比爾定律。但是,大氣中的水汽吸收透過(guò)率并不遵從比爾定律。對(duì)于無(wú)水汽吸收的波段,將式(2)和式(3)結(jié)合,大氣總光學(xué)厚度τλ可以寫成為τλ=τrλ+τaλ+τgλ(4)τλ=τrλ+τaλ+τgλ(4)式中,τrλ為分子散射(Rayleigh)光學(xué)厚度,τaλ為氣溶膠散射光學(xué)厚度,τgλ為吸收氣體(如O3,NO2)光學(xué)厚度。在大氣相對(duì)穩(wěn)定的條件下(τλ為一定值),利用太陽(yáng)光度計(jì)進(jìn)行不同太陽(yáng)天頂角(θ)時(shí)的太陽(yáng)直射輻射測(cè)值(Vλ),由lnVλ與m的線性關(guān)系外推到m為0時(shí)lnV0λ的結(jié)果。由lnVλ+lnR2與m畫直線,直線的斜率就是大氣總光學(xué)厚度τλ,截距就是太陽(yáng)光度計(jì)獲得的大氣外界輻射強(qiáng)度(V0λ)的對(duì)數(shù)即lnV0λ,這種方法稱之為蘭勒(Langley)方法。由于大氣中水汽吸收透過(guò)率不符合蘭勒方法,針對(duì)前面提及的CE318太陽(yáng)光度計(jì)來(lái)說(shuō),即采用936nm水汽通道和870nm窗區(qū)通道測(cè)量輻射的比值,將兩個(gè)通道上的瑞利散射和氣溶膠散射貢獻(xiàn)基本消除掉,以此來(lái)提取大氣水汽含量的信息。但是,由于這兩個(gè)通道上波譜帶位置的差異,仍有殘余的氣溶膠和瑞利散射的貢獻(xiàn)存在。圖1為利用MODTRAN3.7軟件包,并選擇1976年美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)大氣模擬計(jì)算的近紅外譜段大氣透過(guò)率曲線。該曲線顯示了870nm和936nm通道整層大氣透過(guò)率的特征。將936nm和870nm通道測(cè)量電壓的比值與大氣質(zhì)量數(shù)、水汽含量之間建立一種非線性關(guān)系,式(5),此方法稱之為修改的蘭勒(Langley)方法。Vλ1/Vλ2=(V0λ1/V0λ2)exp(-(mτ(a+r)+(mu)b))(5)式中,Vλ1、Vλ2分別為936nm,870nm通道上的測(cè)值;V0λ1/V0λ2為待定常數(shù);τ(a+r)為兩個(gè)通道上氣溶膠和瑞利光學(xué)厚度差的貢獻(xiàn)(模擬結(jié)果約為0.01);u為待求的水汽含量;b為待定指數(shù)。將式(5)兩邊取對(duì)數(shù),有,ln(Vλ1/Vλ2)=ln(V0λ1/V0λ2)-mτ(a+r)-(mu)b(6)選擇大氣穩(wěn)定條件下的936nm,870nm通道測(cè)值和式(6),將ln(Vλ1/Vλ2)+mτ(a+r)相對(duì)于大氣質(zhì)量數(shù)m的平方根進(jìn)行線性擬合,結(jié)果發(fā)現(xiàn)二者有很好的相關(guān)性。那么式(6)可以改寫為:ln(Vλ1/Vλ2)+(0.01*m)=ln(V0λ1/V0λ2)?(mu)1/2(7)ln(Vλ1/Vλ2)+(0.01*m)=ln(V0λ1/V0λ2)-(mu)1/2(7)那么,ln(V0λ1/V0λ2)為修改的蘭勒方法的定標(biāo)截距常數(shù)。圖2(a)、(b)為2002年5月19日太陽(yáng)光度計(jì)936nm通道測(cè)量獲得的蘭勒曲線和修改的蘭勒曲線的比較。3橫截面常數(shù)的確定和水分含量的計(jì)算3.1截距常數(shù)的確定利用大氣穩(wěn)定、晴空條件下CE318太陽(yáng)光度計(jì)測(cè)值和式(7)分別畫出修改的蘭勒曲線,獲得截距(ln(V0λ1/V0λ2)?？紤]到儀器長(zhǎng)時(shí)間處在野外其性能可能發(fā)生變化,因此,選擇2002—2003年5月期間獲取的、相關(guān)系數(shù)在0.999的若干組截距,并取平均(0.13226)作為該時(shí)間段內(nèi)的截距常數(shù);同樣,2003年6月—2004年期間獲取截距常數(shù)為0.1849。3.2觀測(cè)時(shí)間調(diào)節(jié)利用確定的截距常數(shù)和式(7)分別對(duì)2002—2004年有效觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,獲得所有觀測(cè)時(shí)刻的水汽含量(u)。圖3和圖4分別給出了2002年9月16日和2003年1月4日水汽含量隨觀測(cè)時(shí)間的變化。圖3和圖4看出,在一般晴空條件下,中午前后由于太陽(yáng)的照射,水汽含量比早、晚要少的多。3.3ce連續(xù)氣水觀測(cè)結(jié)果利用太陽(yáng)光度計(jì)測(cè)值估算出的水汽含量是一個(gè)無(wú)量綱值(相對(duì)單位),為了獲得大氣柱絕對(duì)水汽含量,需要對(duì)太陽(yáng)光度計(jì)獲得的相對(duì)水汽量進(jìn)行標(biāo)定。具體做法是:(1)選擇68個(gè)太陽(yáng)光度計(jì)晴空觀測(cè)日,對(duì)這些觀測(cè)日的北京氣象觀測(cè)站(54511站)早8:00的探空廓線數(shù)據(jù)進(jìn)行提取,并計(jì)算出大氣柱絕對(duì)水汽含量(單位:g/cm2)。(2)將太陽(yáng)光度計(jì)上述觀測(cè)日獲得的相對(duì)水汽量與探空觀測(cè)絕對(duì)水汽含量進(jìn)行線性擬合,獲得CE318太陽(yáng)光度計(jì)水汽通道標(biāo)定結(jié)果,其斜率為2.08391,截距為-0.024,相關(guān)系數(shù)為0.986,標(biāo)準(zhǔn)偏差約為1×10-8,如圖5所示。利用水汽量定標(biāo)斜率和截距,將CE318三年期間獲得的345個(gè)有效觀測(cè)日的相對(duì)水汽含量分別轉(zhuǎn)換為絕對(duì)水汽含量(單位:g/cm2)。圖6展示了CE318觀測(cè)絕對(duì)水汽含量與探空觀測(cè)結(jié)果的比較。圖6中,橫坐標(biāo)為CE318觀測(cè)相對(duì)水汽含量,直線上的所有點(diǎn)表示CE318測(cè)量絕對(duì)水汽量;“+”表示探空測(cè)量結(jié)果。從圖中可以看出:利用兩種觀測(cè)手段獲得的水汽含量有較好的一致性,但也發(fā)現(xiàn)探空結(jié)果與CE318觀測(cè)存在一定的偏差,這是由于觀測(cè)時(shí)刻大氣狀況的不穩(wěn)定和探空儀器的觀測(cè)誤差所致。為了分析北京地區(qū)不同季節(jié)大氣中水汽的分布情況,圖7,圖8和圖9分別給出了2002,2003和2004年獲得的水汽含量隨觀測(cè)月份的分布情況。表2中列出了2002,2003和2004年中水汽含量月平均值。3.4優(yōu)化方法的理論模型利用CE318太陽(yáng)光度計(jì)936nm和870nm通道測(cè)值及修改的蘭勒方法獲得的北京上空水汽含量可以看出:本文中所討論的修改的蘭勒方法從理論上和實(shí)際操作上都是可行的;利用CE318太陽(yáng)光度計(jì)2002—2004年觀測(cè)獲得的水汽含量精確度較高,月變化與實(shí)際情況比較符合;由圖7—圖9中水汽含量隨月份的分布看出,北京地區(qū)在春、冬季節(jié)水汽含量較低(1,2,3,11,12月份,基本上小于0.5g/cm2);在夏秋季節(jié)水汽含量呈上升趨勢(shì)。4探空與400gm通道本文討論的基于CE318太陽(yáng)光度計(jì)水汽通道(936nm)和一個(gè)窗區(qū)通道(870nm)的北京上空太陽(yáng)直射輻射觀測(cè)數(shù)據(jù),利用修改的蘭勒方法對(duì)大氣柱水汽含量的估算方法,是一種有效的獲取大氣中水汽參數(shù)的地基觀測(cè)手段。太陽(yáng)光度計(jì)936nm與870nm通道測(cè)值比的對(duì)數(shù)與水汽含量(u)的平方根呈現(xiàn)出一個(gè)很好的相關(guān)性。由于936nm與870nm通道波帶的差異,該兩個(gè)通道上氣溶膠和瑞利光學(xué)厚度差的貢獻(xiàn)為0.01左右。利用探空數(shù)據(jù)對(duì)太陽(yáng)光度計(jì)觀測(cè)水汽量標(biāo)定誤差為0.024g/cm2。由于探空觀測(cè)存在一定的誤差,使探空觀測(cè)水汽含量與太陽(yáng)光