太陽光度計測量氣溶膠光學(xué)厚度課件

1、太陽光度計測量氣溶膠光學(xué)厚度劉瑩瑩2008202434 主要內(nèi)容：一、太陽光度計簡介二、利用太陽光度計反演氣溶膠的光學(xué)厚度三、利用最小二乘法計算大氣渾濁度系數(shù)()和Angstrom波長指數(shù)()一、太陽光度計1.太陽光度計測量氣溶膠的原理2.數(shù)據(jù)格式1.1 太陽光度計測量氣溶膠的原理太陽光度計是目前探測大氣氣溶膠的一個常用且有效的監(jiān)測儀器,利用它不僅能夠研究氣溶膠的光學(xué)特性、進(jìn)行衛(wèi)星遙感反演的氣溶膠產(chǎn)品校驗,而且可以獲取實時、長期的觀測數(shù)據(jù)。CE318 型自動跟蹤掃描太陽光度計,它是法國CIMEL 公司制造的一種自動跟蹤掃描太陽光度計。CE318型自動跟蹤掃描太陽光度計該儀器在可見光和近紅外波段

2、共有八個觀測通道，它不僅能自動跟蹤太陽做太陽輻射測量，而且可以進(jìn)行太陽高度角天空掃描、太陽主平面掃描和極化通道天空掃描;它能自動存儲測量數(shù)據(jù)，并在測量完成后傳輸?shù)接嬎銠C(jī)保存，它還可以通過DCP平臺遠(yuǎn)程傳輸數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了無人管理自動采集測量數(shù)據(jù)和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸。 它的總視場角天空瞄準(zhǔn)光筒為1.2度，太陽瞄準(zhǔn)光筒為1.2度，其濾光片的光譜寬度和半波寬度見表2.1 法國CIMEL 公司為太陽光度計專門開發(fā)研制了一套應(yīng)用軟件ASTPWin ,主要用于光度計安裝地點參數(shù)的設(shè)置、數(shù)據(jù)的獲取、傳輸和一些簡單數(shù)據(jù)圖像的處理、顯示。 CE318 將采集數(shù)據(jù)自動存入機(jī)器內(nèi)部存儲單元,并通過ASTPWin 軟件定時傳輸

3、到PC 機(jī)內(nèi)。CE318 從早晨大氣質(zhì)量數(shù)為6 (太陽高度角約為9) 自動開始工作,到下午大氣質(zhì)量數(shù)為6 (日落) 結(jié)束觀測,并自動回到原點位置。濕度傳感器控制儀器在有降水時停止工作。儀器安裝、調(diào)試并開機(jī)后,儀器自動進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。數(shù)據(jù)傳輸間隔設(shè)置為1 h ,即每小時將測量數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇C 機(jī)內(nèi),生成一個“ . K7”文件。1.2 數(shù)據(jù)格式該光度計的測量數(shù)據(jù)可直接用個人計算機(jī)直接讀取，太陽和天空的測量方式可以編程，在進(jìn)行資料處理時還需將儀器生成的原始文件(K7文件)用ASTPWin軟件轉(zhuǎn)換成ASCll文件。文件類型和表1第一列相同。ASTPWin操作界面二、利用太陽光度計反演氣溶膠的光學(xué)厚度1.反

4、演光學(xué)厚度原理2.大氣氣溶膠光學(xué)厚度的日變化特征2.1反演光學(xué)厚度原理根據(jù)Beer-Lambert-Bouguer 定律,在地面直接測得的太陽輻射E(W/ m2) 在給定波長上的表達(dá)式為:E = E0 R - 2exp ( - m) Tg (1)其中E0 為大氣外界太陽輻照度(太陽常數(shù)) , R 為測量時刻日地距離(天文單位,約等于1) , m 為大氣光學(xué)質(zhì)量(約為天頂角的正割:sec) ,為大氣垂直總光學(xué)厚度, Tg為吸收氣體透過率。若用儀器輸出電壓V 代表E ,公式(1) 為:V = V 0R - 2exp ( - m) Tg (2)式中V 0是定標(biāo)常數(shù)。在8個通道的值分別為：8231 1

5、8596 22909 10048 22184 13015 19540 17139對于無水汽吸收的波段,大氣垂直總光學(xué)厚度 可表示為: =r +a +O3 +NO2 (3) 其中r為分子散射(Rayleigh) 光學(xué)厚度,a為氣溶膠光學(xué)厚度,O3、NO2分別為吸收氣體O3 、NO2 的光學(xué)厚度Rayleigh 散射光學(xué)厚度可以通過地面氣壓值計算:r =p/p00. 0088- 4. 05 (4)式中p0 為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓(1013. 25 hPa) , p 為實際大氣壓,單位為m。 在可見光、近紅外波段,大氣中主要存在臭氧和水汽的吸收。選擇沒有水汽吸收的通道440 nm、870 nm、1020 nm

6、 ,且這3 個通道只有氣溶膠消光和Rayleigh 散射,則式(3) 中O3、NO2都為“0”。將式(2) 和(3) 結(jié)合,同時公式兩邊取對數(shù),則為: ln V + ln R2 = ln V 0 - m (r +a) (5)一旦獲得了比較精確的儀器定標(biāo)常數(shù)V 0 ,對觀測數(shù)據(jù)的處理可以采用“瞬態(tài)”法,即利用某時刻獲得的太陽輻射測值V和預(yù)先標(biāo)定好的定標(biāo)常數(shù)( V 0) 以及公式(5) ,就可得到該時刻大氣柱總的消光光學(xué)厚度。“瞬態(tài)”法也稱之為“截距法”,這種方法的精度依賴于儀器的定標(biāo)常數(shù)( V 0) （6） 計算出大氣垂直總光學(xué)厚度和瑞利散射消光，就得到大氣氣溶膠的光學(xué)厚度a = - r 2.2

7、大氣氣溶膠光學(xué)厚度的日變化特征 三.利用最小二乘法計算大氣渾濁度系數(shù)()和Angstrom波長指數(shù)()1.大氣渾濁度系數(shù)()、Angstrom波長指數(shù)()定義2.最小二乘法線性擬合3.1大氣渾濁度系數(shù)()、Angstrom波長指數(shù)()定義安斯川姆（Angstrom,1964)提出下式計算整層大氣米散射的光學(xué)厚度 （1） 稱為渾濁度系數(shù)，隨大氣中氣溶膠總量而變 稱為波長指數(shù)通常波長指數(shù)反映氣溶膠粒子譜分布情況，它與氣溶膠的平均半徑有關(guān)，平均半徑越小，氣溶膠的散射特性越趨近于分子散射,越趨近于4。 混濁度系數(shù)，主要反映的是氣溶膠濃度的大小,值越大氣溶膠濃度越大。使用多個波段測量得到的氣溶膠光學(xué)厚度

8、，對式(1 )進(jìn)行最小二乘法擬合，可得到和，在此基礎(chǔ)上，又可以求出其它波長處的氣溶膠光學(xué)厚度。3.2 最小二乘法線性擬合設(shè)直線方程的表達(dá)式為： (2-6-1) 對滿足線性關(guān)系的一組等精度測量數(shù)據(jù)（xi，yi），假定自變量xi的誤差可以忽略（實際實驗中總有一個變量的誤差相對較小，可以忽略，作為X分量），則在同一xi下，測量點yi和直線上的對應(yīng)點a+bxi的偏差di如圖（2-6-2）所示：d1y1abx1d2y2abx2dnynabxn顯然最好測量點都在直線上（即d1=d2=dn=0），求出的a和b是最理想的，但測量點不可能都在直線上，這樣只有考慮d1、d2、dn為最小，也就是考慮d1+d2+dn為最小，但因d1、d2、dn有正有負(fù)，加起來可能相互抵消，因此不可??；而|d1|+ |d2|+ |dn|又不好解方程，因而不可行?，F(xiàn)在采取一種等效方法：當(dāng)d12+d22+dn2對a和b為最小時，d1、d2、dn也為最小。取（d12+d22+dn2）為最小值，求a和b的方法叫最小二乘法。3.2 最小二乘法線性擬合3.2波長指數(shù)和混濁度系數(shù)的日變化特征參考文獻(xiàn)任宜勇，李霞 ，CE318 太陽光