專利名稱：一種整層大氣透過率的反演方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及大氣光學(xué)，具體是一種利用多波長(zhǎng)太陽輻射計(jì)和高分辨率大氣透過率計(jì)算軟件進(jìn)行整層大氣透過率反演的方法。
背景技術(shù)：
太陽輻射計(jì)是以太陽為光源，測(cè)量經(jīng)過整層大氣傳輸后的太陽直射輻射，主要用于大氣氣溶膠探測(cè)。美國(guó)NASA利用法國(guó)CIMEL公司生產(chǎn)的CE318型太陽輻射計(jì)建立了大氣氣溶膠自動(dòng)觀測(cè)網(wǎng)AER0NET，在全球范圍內(nèi)布設(shè)了 180多個(gè)地基太陽輻射計(jì)，主要用于大氣氣溶膠輻射氣候研究，也對(duì)衛(wèi)星系統(tǒng)遙感分析結(jié)果提供支撐和驗(yàn)證。中國(guó)氣象局在全國(guó)范圍內(nèi)建設(shè)大氣氣溶膠光學(xué)特性監(jiān)測(cè)網(wǎng)CARSNET，其目的是為了系統(tǒng)觀測(cè)和研究中國(guó)區(qū)域大氣氣溶膠光學(xué)特性，為沙塵暴監(jiān)測(cè)、大氣氣溶膠氣候效應(yīng)研究及衛(wèi)星反演結(jié)果標(biāo)定提供科學(xué)依據(jù)。國(guó)內(nèi)安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所、國(guó)家氣象局等單位利用地基太陽輻射計(jì)進(jìn)行了大量的大氣氣溶膠光學(xué)參數(shù)的研究，主要的研究方向是大氣氣溶膠光學(xué)厚度測(cè)量以及對(duì)儀器特定波段的相關(guān)反演，而對(duì)整層大氣透過率的測(cè)量以及反演某個(gè)特定波長(zhǎng)大氣透過率方面的研究較少。通常多波長(zhǎng)太陽輻射計(jì)所測(cè)量波段在紫外、可見和近紅外光譜范圍，而中紅外區(qū)域測(cè)量較可見光測(cè)量要復(fù)雜的多，為得到中紅外波段的激光整層大氣透過率，提出一種利用測(cè)量波段的大氣氣溶膠光學(xué)厚度數(shù)據(jù)反演到其它波段，再考慮大氣分子散射和氣體吸收光學(xué)厚度，進(jìn)而計(jì)算得到所需波長(zhǎng)的整層大氣透過率。該方法適用于紫外、可見以及紅外波長(zhǎng)的整層大氣透過率反演。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種利用多波段太陽輻射計(jì)的整層大氣透過率反演方法。假設(shè)太陽輻射計(jì)可以同時(shí)測(cè)量η個(gè)波長(zhǎng)(λ” λ 2、···, An5A^ λ2々··< λ η) 的太陽直射輻射。本發(fā)明的原理技術(shù)方案為使用太陽輻射計(jì)測(cè)量所得到η個(gè)波長(zhǎng)的整層大氣氣溶膠光學(xué)厚度。在假設(shè)大氣氣溶膠粒徑譜分布滿足榮格譜的情況下，按照埃斯屈朗公式擬合得到大氣渾濁度系數(shù)與埃斯屈朗波長(zhǎng)指數(shù)。利用擬合結(jié)果計(jì)算反演波長(zhǎng)的大氣氣溶膠光學(xué)厚度，結(jié)合模式大氣的分子瑞利散射光學(xué)厚度和氣體吸收光學(xué)厚度，得到反演波長(zhǎng)的整層大氣透過率。具體方案太陽輻射可以認(rèn)為是一定溫度的黑體輻射，當(dāng)經(jīng)過大氣傳輸后，受到大氣分子和氣溶膠粒子的作用，導(dǎo)致其輻射能量的衰減。利用太陽輻射計(jì)測(cè)量經(jīng)過大氣傳輸后的窄波段太陽直射輻射并與定標(biāo)值相比較，即獲得大氣分子和氣溶膠產(chǎn)生的垂直方向上的總光學(xué)厚度，從而給出垂直整層大氣透過率。本發(fā)明一方面涉及一種整層大氣透過率的反演方法，其特征在于綜合考慮大氣氣溶膠光學(xué)厚度和大氣分子散射、吸收光學(xué)厚度下進(jìn)行的多波長(zhǎng)反演，給出其它波長(zhǎng)的整層大氣透過率，包括如下步驟(1)利用太陽輻射計(jì)測(cè)量單波長(zhǎng)的整層大氣氣溶膠光學(xué)厚度，所選擇的波長(zhǎng)介于 340nm至1640nm之間，優(yōu)選介于400nm至1020nm之間，且所選擇的波長(zhǎng)的大氣分子吸收較小，可以忽略；(2)通過測(cè)定的數(shù)據(jù)反演其它波長(zhǎng)的整層大氣氣溶膠光學(xué)厚度，所述的其它波長(zhǎng)包括紫外、可見和/或紅外波長(zhǎng)；(3)利用瑞利散射光學(xué)厚度計(jì)算公式結(jié)合本地氣壓修正大氣分子散射光學(xué)厚度； 利用已有的軟件計(jì)算得到相應(yīng)的大氣分子吸收光學(xué)厚度；(4)通過以上分析得到其它波長(zhǎng)整層的總光學(xué)厚度，進(jìn)而得到整層大氣透過率。在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式中，上述步驟(3)中所使用的軟件是高分辨率大氣透過率計(jì)算軟件，例如PcLnWin或FASC0DE。在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式中，上述利用軟件計(jì)算大氣分子光學(xué)厚度時(shí)，按本地實(shí)際測(cè)量結(jié)果輸入相關(guān)大氣參數(shù)。在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式中，使用步驟(1)的方法測(cè)定多個(gè)符合條件的波長(zhǎng)所對(duì)應(yīng)的整層大氣氣溶膠光學(xué)厚度，所述的多個(gè)是指4-8個(gè)，優(yōu)選是3-4個(gè)。在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式中，上述步驟(3)中結(jié)合模式大氣或本地實(shí)際測(cè)量計(jì)算得到大氣分子散射光學(xué)厚度和大氣分子吸收光學(xué)厚度。本方法利用多波段太陽輻射計(jì)結(jié)合相關(guān)模式或本地實(shí)際測(cè)量結(jié)果及吸收光學(xué)厚度計(jì)算軟件實(shí)現(xiàn)在紫外、可見以及紅外波段的整層大氣透過率反演，解決了在寬光譜測(cè)量激光整層大氣透過率的問題。
具體實(shí)施例方式根據(jù)Bouguer定律，在地面測(cè)得的給定波長(zhǎng)太陽直射輻射E (W/m2)為Ε(λ ) = Ε0(λ ) · R · exp(_m( θ ) · τ (λ )) · Tg(1)式中是在一個(gè)天文單位(AU)距離上的大氣上屆波長(zhǎng)λ處的太陽直射光譜輻照度；R是測(cè)量時(shí)刻的日地距離修正因子(R= (rm/r)2，r為觀測(cè)時(shí)實(shí)際的日地距離；rm 為日地平均距離)；πι(θ)是相對(duì)大氣質(zhì)量(又稱大氣質(zhì)量數(shù))，θ為觀測(cè)時(shí)刻太陽天頂角； τ (λ)是波長(zhǎng)λ處大氣垂直方向總光學(xué)厚度；Tg為吸收氣體透過率，實(shí)際測(cè)量時(shí)，一般太陽輻射計(jì)的測(cè)量波長(zhǎng)均選在氣體分子吸收可以忽略的波長(zhǎng)，所有Tg = 1。太陽直射輻射數(shù)據(jù)在太陽輻射計(jì)的測(cè)量結(jié)果中表現(xiàn)為儀器的輸出電壓，測(cè)量電壓正比于入射的太陽光譜輻照度，利用儀器輸出電壓ν( λ )代表太陽直射輻照度E( λ )，則 (1)式可以表示為V(A) =Y0(X) · R · exp(-m( θ ) . τ (λ ))(2)式中VQU)是太陽輻射計(jì)對(duì)應(yīng)于λ)的測(cè)量電壓值，為儀器的定標(biāo)常數(shù)。在確定定標(biāo)常數(shù)VtlU)的情況下，利用太陽直射輻射測(cè)量電壓數(shù)據(jù)ν(λ)結(jié)合上式計(jì)算垂直方向總光學(xué)厚度τ (λ)
“、1 . (V0(A)-R)T(A)=-Inl 0；；
m Iv V(A) J(3)垂直整層大氣透過率的利用下式進(jìn)行計(jì)算
T(A) = exp (- τ ( λ ))(4)通過以上分析，可以計(jì)算儀器測(cè)量波長(zhǎng)的整層大氣透過率?？偣鈱W(xué)厚度τ (λ)主要有三部分組成τ a( λ)為大氣氣溶膠光學(xué)厚度；τ r ( λ ) 為大氣分子瑞利散射光學(xué)厚度；τ (λ)為大氣分子吸收光學(xué)厚度，可以寫成下式τ (λ) = τ3(λ)+τΓ(λ)+τΛ(λ)(5)對(duì)于儀器測(cè)量波長(zhǎng)，其分子吸收光學(xué)厚度較小，可以忽略τ (λ) =O0通過以上式可以得到大氣氣溶膠光學(xué)厚度、(λ)τ3(λ) = τ (λ)-τΓ(λ)(6)在假設(shè)大氣氣溶膠滿足榮格譜分布的情況下，大氣氣溶膠光學(xué)厚度可以表示為大氣渾濁度系數(shù)β和波長(zhǎng)指數(shù)α的函數(shù)，即埃斯屈朗公式、(入)=β λ_α(7)式中β是大氣渾濁度系數(shù)，是波長(zhǎng)Iym處的大氣氣溶膠光學(xué)厚度，波長(zhǎng)指數(shù)α 反映了大氣氣溶膠的粒子譜分布，二者與大氣氣溶膠粒子總數(shù)、復(fù)折射率指數(shù)以及粒子譜分布有關(guān)。通過選擇測(cè)量波段中沒有水汽和其它吸收氣體波段的大氣氣溶膠光學(xué)厚度，利用最小二乘法可以擬合得到β和α的值。利用擬合得到的α、β值代入公式(7)得到不同波長(zhǎng)的大氣氣溶膠光學(xué)厚度。利用標(biāo)準(zhǔn)模式大氣或本地實(shí)際測(cè)量結(jié)果計(jì)算分子瑞利散射光學(xué)厚度。對(duì)大氣分子吸收光學(xué)厚度，可利用高分辨率大氣透過率計(jì)算軟件(例如PcLnWin 或FASC0DE等)進(jìn)行計(jì)算，再通過( 式得到總的光學(xué)厚度，進(jìn)而計(jì)算反演波長(zhǎng)的整層大氣透過率。為了驗(yàn)證本發(fā)明的方法，通過實(shí)測(cè)和反演分別計(jì)算整層大氣透過率，反演結(jié)果如

圖1和2所示，其中圖1中為波長(zhǎng)440nm、670nm、1020nm時(shí)的氣溶膠光學(xué)厚度(Aerosol Optical Depth)實(shí)測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù)，以及波長(zhǎng)440nm、532nm、670nm、1020nm、1064nm時(shí)光學(xué)厚度的擬合數(shù)據(jù)，其中擬合數(shù)據(jù)為利用專利所述方法進(jìn)行反演給出的結(jié)果；圖2為波長(zhǎng)440nm、 670nm、1020nm時(shí)的大氣透過率(Transmittance)實(shí)測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù)，以及波長(zhǎng)440nm、532nm、 670nm、1020nm、1064nm時(shí)大氣透過率的擬合數(shù)據(jù)，其中擬合數(shù)據(jù)為利用專利所述方法進(jìn)行反演給出的結(jié)果。在上述擬合數(shù)據(jù)中，波長(zhǎng)532nm時(shí)的氣溶膠光學(xué)厚度和大氣透過率為內(nèi)插結(jié)果， 波長(zhǎng)1064nm的氣溶膠光學(xué)厚度和大氣透過率為外推結(jié)果，從結(jié)果來看，采用本專利的方法能夠得到與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)基本一致的結(jié)果。當(dāng)理解的是，對(duì)本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來說，可以根據(jù)上述說明加以改進(jìn)或變換，而所有這些改進(jìn)和變換都應(yīng)屬于本發(fā)明所附權(quán)利要求的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種激光整層大氣透過率的反演方法，其特征在于綜合考慮大氣氣溶膠光學(xué)厚度和大氣分子散射、吸收光學(xué)厚度下進(jìn)行的多波長(zhǎng)反演，給出其它波長(zhǎng)的整層大氣透過率，包括如下步驟(1)利用太陽輻射計(jì)測(cè)量不少于兩個(gè)波長(zhǎng)的整層大氣氣溶膠光學(xué)厚度，所選擇的波長(zhǎng)介于;340nm至1640nm之間，優(yōu)選介于400nm至1020nm之間；(2)通過測(cè)定的數(shù)據(jù)反演其它波長(zhǎng)的整層大氣氣溶膠光學(xué)厚度，所述的其它波長(zhǎng)包括紫外、可見和/或紅外波長(zhǎng)；(3)利用瑞利散射光學(xué)厚度計(jì)算公式結(jié)合本地氣壓修正大氣分子散射光學(xué)厚度；利用已有的軟件計(jì)算得到相應(yīng)的大氣分子吸收光學(xué)厚度；(4)通過以上分析得到其它波長(zhǎng)的整層大氣總光學(xué)厚度，進(jìn)而得到特定激光波長(zhǎng)的整層大氣透過率。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的反演方法，其特征在于步驟(3)中所使用的軟件是高分辨率大氣透過率計(jì)算軟件，例如PcLnWin或FASC0DE。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的反演方法，其特征是利用軟件計(jì)算大氣分子光學(xué)厚度時(shí)，按模式大氣或本地實(shí)際測(cè)量結(jié)果輸入相關(guān)大氣參數(shù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3任意一項(xiàng)所述的反演方法，其特征在于使用步驟(1)的方法測(cè)定多個(gè)符合條件的波長(zhǎng)所對(duì)應(yīng)的整層大氣氣溶膠光學(xué)厚度，所述的多個(gè)是指4-8個(gè)，優(yōu)選是3-4個(gè)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的反演方法，其特征在于步驟(3)中結(jié)合模式大氣或本地實(shí)際測(cè)量結(jié)果的計(jì)算得到光學(xué)厚度和大氣分子吸收光學(xué)厚度。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種激光整層大氣透過率的反演方法，其通過選擇特定波長(zhǎng)測(cè)量整層大氣氣溶膠光學(xué)厚度，反演得到其它波長(zhǎng)的整層大氣氣溶膠光學(xué)厚度，進(jìn)而反演出整層大氣透過率。本發(fā)明的方法利用多波段太陽輻射計(jì)結(jié)合相關(guān)大氣模式或本地大氣實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)及高分辨率大氣吸收光學(xué)厚度計(jì)算軟件實(shí)現(xiàn)在紫外、可見以及紅外波段的整層大氣透過率反演，解決了在寬光譜測(cè)量激光整層大氣透過率的問題。
文檔編號(hào)G01N21/59GK102565007SQ201110428999
公開日2012年7月11日 申請(qǐng)日期2011年12月20日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月20日
發(fā)明者劉晶儒, 吳敏, 常金勇, 強(qiáng)希文, 李巖, 李志朝, 羅振瑩 申請(qǐng)人:中國(guó)人民解放軍63655部隊(duì)