大氣氣溶膠光學特性的觀測研究

楊鵬 曹江山 郝富躍

（石家莊市氣象局，石家莊 050081）

大氣氣溶膠光學特性的觀測研究

楊鵬1曹江山 郝富躍

（石家莊市氣象局，石家莊 050081）

介紹了太陽輻射計對實驗區(qū)氣溶膠光學厚度的測量和分析原理，對測量數(shù)據(jù)進行處理研究。結(jié)果顯示研究區(qū)大氣潔凈，氣溶膠光學厚度的日間變化不大，日內(nèi)變化具有以下典型特點：早晨高，從中午到傍晚有下降趨勢；早晨低，從中午到傍晚有上升趨勢；日變化比較平緩。550nm處氣溶膠光學厚度一般為0.0896。Junge參數(shù) 值一般為3.1135，與6S常用氣溶膠模式中的大陸型比較接近；Junge參數(shù) 值一般為0.0448。

大氣光學；氣溶膠光學厚度；Junge參數(shù)；太陽輻射計

1、引言

大氣氣溶膠是指大氣中懸浮的半徑小于幾十微米的固態(tài)或液態(tài)微粒，氣溶膠以吸收和散射方式與輻射發(fā)生作用，因此直接干擾了光學遙感儀器接收到的信號，精確測量和分析氣溶膠的光學特性，對于了解氣候變化，掌握地面的平均溫度，去除遙感數(shù)據(jù)中的大氣影響，提高遙感定量應用水平都具有重要意義。利用太陽輻射計測量太陽直接輻射和天空漫輻射[1]來研究氣溶膠的光學特性被普遍認為是有效和可靠的。2009年12月18日至2010年1月27日在云南祥云地區(qū)進行了一次野外遙感試驗，對該地區(qū)氣溶膠的光學特性進行觀測研究。

2、試驗概況

我們利用法國CIMEL公司研制的多波段手動跟蹤太陽輻射計CE317進行大氣消光測量，其波段設置如表1所示，936nm和940nm兩個波段位于水汽吸收帶上，用于反演大氣水汽總含量[2]，其余四個波段（1020nm、870nm、670nm、440nm）位于大氣窗區(qū)，帶寬為10nm（除940nm外，其帶寬為50nm）。我們主要采用這四個通道對大氣光學厚度進行反演。大氣觀測點位于云南省祥云地區(qū)（25.45506N，100.73716，海拔1952m），測量時間為2009年12月18日至2010年1月27日，共獲得13天的數(shù)據(jù)。測量期間大氣狀況如表2所示。

?

3、測量原理

3.1 langley法介紹

根據(jù)Bouguer定律[3]，在地面直接測得太陽輻射能

和波長的關系為

?

假定氣溶膠粒子譜遵循Junge分布[7]，則在Junge氣溶膠譜類型和氣溶膠復折射指數(shù)與波長無關時，氣溶膠光學厚度與波長的關系為

工程地基液化處理采用振沖擠密碎石樁，振沖碎石樁處理范圍確定為閘室基礎向外各擴大5.0 m。碎石樁樁徑采用0.8 m，樁距2.5 m，等邊三角形布孔，樁端伸至液化土層底部，樁長15 m。樁頂和閘室基礎之間鋪設300 mm厚的級配碎石墊層和0.1 m厚C 15混凝土墊層。

4、數(shù)據(jù)處理

4.1 定標常數(shù)

本次試驗利用Langley方法進行定標，利用12月23日測得的數(shù)據(jù)分別對每個通道的測量值進行曲線擬合，結(jié)果如表4所示，標定的曲線如圖1所示，斜率的絕對值是各波段的當天的平均光學厚度。

?

4.2 氣溶膠光學厚度

我們利用CE317在2009年12月18日、19日、20日、23日、25日以及2010年1月4日、5日、6日、8日、9日、10日、21日、和24日所測得的數(shù)據(jù)進行反演分析，根據(jù)原理我們選用870nm、440nm的兩個通道得到的光學厚度利用（7）式計算出相應時間上的平均Jungle參數(shù)和，再由和反過來計算其它波長上的氣溶膠光學厚度，計算結(jié)果如表4所示，550nm氣溶膠光學厚度為0.0896，Junge參數(shù)為 3.1135，為0.0448。

4.3 氣溶膠光學厚度測量誤差

試驗中從現(xiàn)場測量到數(shù)據(jù)處理主要有以下幾個方面的誤差來源：1）大氣狀況不穩(wěn)定；2）測量時操作誤差；3）儀器自身誤差；4）處理系統(tǒng)誤差。其中大氣狀況不穩(wěn)定帶來的誤差影響最大，本次試驗大氣測量基本在目視無云，大氣狀況穩(wěn)定的時間段內(nèi)進行，Langley擬合的相關系數(shù)都在99%以上，利用CE317手動測量保證每點測量都對準太陽。因此氣溶膠光學厚度測量誤差主要來源于儀器本身，CE317的誤差是0.01，所以本次試驗氣溶膠光學厚度的誤差也是0.01。

5、大氣氣溶膠光學特性分析

5.1 氣溶膠光學厚度日內(nèi)變化

由于客觀原因我們只在2009年12月18日、20日、23日以及2010年1月6日進行整天長時間觀測，我們就選擇這四天的數(shù)據(jù)作分析，圖2顯示了氣溶膠光學厚度在一天內(nèi)不同時刻的變化。氣溶膠光學厚度隨波長的變化如圖3所示。

從整體上看，該地區(qū)大氣清潔，污染較少。氣溶膠光學厚度主要有三種典型的日變化：早晨高，從中午到傍晚有下降趨勢；早晨低，從中午到傍晚有上升趨勢；圖（a）、圖（b）顯示午后出現(xiàn)小高峰，根據(jù)當天現(xiàn)場試驗記錄，從中午開始四周天空有云生成，其它觀測日數(shù)據(jù)短時間都比較平直，由此得出云南祥云地區(qū)氣溶膠變化的又一特征是短時間內(nèi)變化小，日變化比較平緩。

5.2 氣溶膠光學厚度日間變化

在這里我們利用550nm處氣溶膠光學厚度來進行分析，圖4顯示了氣溶膠光學厚度的日間變化，由圖可見2010年1月4日的氣溶膠光學厚度最低，從整體來說，云南祥云地區(qū)氣溶膠光學厚度日間變化不大，550nm處氣溶膠平均光學厚度為0.0896。胡秀清等計算出作為中國遙感衛(wèi)星輻射校正場的敦煌和青海湖區(qū)550nm處氣溶膠光學厚度分別為0.12和0.18[8]，與之相比可見該地區(qū)大氣清潔，大氣透明度好。

5.3 氣溶膠Junge參數(shù)的變化

圖5顯示了Junge參數(shù) 的逐日變化情況， 值大小反映了氣溶膠粒子譜分布情況， 值越大表示氣溶膠小粒子數(shù)密度越高， 值越小表示氣溶膠大粒子數(shù)密度越高；云南祥云地區(qū)Junge參數(shù) 在3.1135附近。表5給出了6S常用的幾種典型的氣溶膠模式的值，比較發(fā)現(xiàn)云南祥云地區(qū)氣溶膠模式與6S中的大陸型比較接近。圖6顯示了Junge參數(shù) 的逐日變化情況， 值大表示氣溶膠濃度高，進而氣溶膠光學厚度就大。云南祥云地區(qū)Junge參數(shù) 在0.0448附近。比較圖3和圖5發(fā)現(xiàn)Junge參數(shù) 和氣溶膠光學厚度變化規(guī)律大體相似。

?

6、結(jié)語

通過對這次野外試驗的數(shù)據(jù)處理分析，我們對云南祥云地區(qū)氣溶膠光學特性有了初步了解。該地區(qū)大氣潔凈，大氣透明度好，氣溶膠光學厚度的日間變化不大，日內(nèi)變化具有以下典型特點：早晨高，從中午到傍晚有下降趨勢；早晨低，從中午到傍晚有上升趨勢；日變化比較平緩。550nm處氣溶膠光學厚度平均為0.0896，Junge參數(shù) 值一般為3.1135，與6S常用氣溶膠模式中的大陸型比較接近，Junge參數(shù) 值一般為0.0448。

[1]Holben B N, Eck T F, et al. A federated instrument network and data archive for aerosol char-acterization[J]. Remote Sens. Environ. 1998, 68∶ 1-16.

[2]Thome K J,Herman BM,Reagan J A.Determination of pricipitable water from solar transm-Ission[J].J.Apple.Meteorol.1992,31∶ 157-165.

[3]Biggar S F,Gellman D I,et al.Improved evaluation of optical depth components from Langl-ey plot data[J].Remote Sens. Environ. 1990, 32∶ 91-101.

[4]Duffie J A,Beckman W A.Solar Engineering of the Thermal Processes[M].New York∶wiley,1980.

[5]Hansen J E,Travis L D.Light scattering in planetary atmospheres[J].Space Science Rev.,1974,16∶ 527-610.

[6]Nicolet M.The solar spectral irradiance and its action in the atmospheric photodissociation p-Rocesses[J].Planet. Space Sci.,1981, 29∶ 951-974.

[7]Junge C E.The size distribution and aging of natural aerosols as determined from electrical and optical data on the atmosphere[J]. J M eteorol. 1995, 12∶13-25.

[8]Hu Xiuqing,Zhang Yuxiang.Measurements and study of aerosol optical characteristics in China radiometric calibration sites[J]. Quarterly Journal of Applied Meteorology. 2001, 12(3)∶2-57-266.

[9]胡秀清，張玉香.中國遙感衛(wèi)星輻射校正場氣溶膠光學特性觀測研究[J].應用氣象學報，2001，12(3):257-266.