可见到近红外波段整层大气光谱透过率的测量研究资料下载.pdf
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太阳光谱连续光谱中圈分类号0436文献标识码A0引言整层大气光谱透过率是反映大气辐射传输性质的重要参量,在大气辐射、地球资源遥感、空气质量监测等领域,都需要对透过率进行详细地研究1太阳辐射计可用于同时测量不同波长的太阳直接辐射和天空散射辐射,由测量的太阳直接辐射结果可计算得到各个波长的大气光学厚度或透过率;
而通过测得的太阳直接辐射和天空散射光谱特性,可以了解大气中气溶胶粒子的光学特性,计算出水汽、臭氧以及氮氧化物等污染气体分子在整个大气层中的总含量,因此太阳辐射计被广泛运用于大气光学、气象研究和空气污染监测、探测等领域【但是通常所用的太阳辐射计测量得到的透过率谱特征都是分波长的,采用于涉滤光片不能反映光谱特征,结果仅仅局限于几个分立波长上的细节由于空间目标亮度的准确测量受到大气的影响,大气层外目标反射的太阳辐射构成了目标亮度主要来源7空间目标亮度传播到地面时由于受到大气的衰减,一般明显小于目标固有亮度根据利用光谱特征选择波段进行大气外目标探测的研究需要_7,需要对透过率的光学特性进行详细地了解,才能获得准确的空间目标辐射亮度为此利用连续波长的太阳辐射计对整层大气光谱透过率进行了测量研究通过太阳辐射计的测量结果,在可靠定标的基础上,推算出实际大气模式下的大气透过率光谱特征,分析了透过率的实际变化规律1太阳辐射计的定标结果及透过率的计算使用的光谱太阳辐射计是日本PREDE公司制造的自动跟踪太阳辐射计PGS-100,视场角是lo,波Tell05512290316Email:
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2005Ol06长范围3501050tim光谱分辨率是36tim,探测器使用的是SiCCD,它具有线性范围宽、响应速度快和噪音小等特点,适用于辐射强度探测口从3501050tim的所有波长均用Langley方法_8进行定标,相关系数高于099实际标定在一个晴天无云,且地面水平能见度较高(约有20km)的一天进行(2003年l1月25日),通过定标得到的到达天顶的太阳辐射对应的仪器测量值随波长的变化如图I,定标因子C如图21614121O060402薹童_重舀04Q5O,6n7n80910Wavelengthum图2仪器定标因子随波长的变化Fig2Therelationbetweentheinstrumentcalibrationfactorandwavelength维普资讯http:
/3期范伟等可见到近红外波段整层大气光谱透过率的测量研究403由太阳辐射计测量得到的大气斜程透过率()为)=
(1)式中PGD是地面实测太阳辐射,Po()是通过langley方法得到的天顶太阳辐射而f()一exp(一rm),其中r是大气垂直光学厚度,m是大气质量r=一ln(t)m
(2)定义TGD是大气垂直透过率,也就是从地面垂直到天顶的大气透过率,其计算表达式为T=exp(-r)(3)Q4O5Q6Q7O809l_0Wavelength,2um2整层大气连续光谱透过率计算结果与分析21不同时刻对应于太阳方向的大气斜程透过率分析选择冬季定标实验日,早晨7;
10,中午12;
O0及下午16t30对应于太阳方向的大气透过率如图3由于这种能够得到连续波长的太阳光谱仪器很少在文献中出现,将得到的斜程大气透过率结果04Q5Q6Q7O8Q91OWavelength2lJm04Q5Q6Q7Q8O91OWavelength,2m图3早晨、中午和下午大气斜程透过率变化Fig3Therelationbetweenwavelengthandtransmittanceatmorning,noonandafternoon和普遍认可的MODTRAN模拟计算得到的大气透过率结果进行比较,来验证结果的可靠性同时选择中纬度冬季大气模式,在早晨、中午和下午这三个时间段利用MODTRAN计算相应的斜程透过率,将它们与实验测量结果相比较从图中可以看出,实测的大气斜程透过率和MODTRAN计算结果有着非常相似的光谱特征,从而证明了实验得到的透过率光谱的正确性二者绝对值的差别主要在于MODTRAN的参量选择大气斜程透过率的光谱特征是:
在可见光的短波区域,变化平缓,随着波长的增加呈缓慢增大趋势在近红外波段,有若干吸收峰在整个波段内,早上和下午与中午相比,当太阳高度很低时,总的太阳光谱能量会降低,整个透过率光谱分布会朝红区漂移由此可见,早上和下午的短波太阳辐射被大气散射的部分更多,使得在接收到的太阳辐射中,长波辐射比例增加所以一天中当太阳天顶角相差较大时,可以从透过率光谱图中定性验证瑞利散射理论在可见光波段范围内,由于透过率光谱变化比较平缓,说明在此波段大气对太阳辐射基本上是透明的,没有强吸收可见光波段的0685tm至o705tm,073tm至0755m,红外波段的083m至089m,099m至105m,大气斜程透过率数值出现极大值,是比较理想的大气窗口在可见到近红外波段,主要吸收气体是氧气和水汽水汽主要集中在对流层下部,其含量与气温及天气形势有密切关系,随时问、地点有非常大的变化所以涉及到水汽吸收时,应考虑当时具体条件图3中,在083tm和094m附近的吸收峰主要是由水汽造成的;
而均匀混合气体在可见光波段的吸收主要是氧气造成的,在068tm、073tm和076tm附近就是氧气的吸收峰需特别指出的是,在中午时分,氧气的吸收峰(076m)的数值大约是大气窗口最大峰值的四分之三,水汽的吸收峰(O94m)大约是大气窗口最大峰值的二分之一;
在早上和下午时分,这两处的吸收峰值基本上都已经到了极小值,其它的吸收峰的数值相比也显著地减少了也就是说,早晨和下午的吸收比中午更加强烈因此,当太阳天顶角逐渐增大时,越来越多的吸收峰附近的太阳光谱能量被主要是氧气和水汽等气体分子吸收在进行大气外目标探测时,需要对观测路径上整层的连续光谱透过率进行详细地研究,才能选择理想的波段对目标进行探测通过以上对不同时间段的从3501050nm连续透过率光谱地分析,可知从0685tm至0705tm,073tm至0755tm,083tm至089tm以及从099tm至105tm这四个波段内,大气透过率起伏较小,变化平缓,平均数值较大,是比较理想的大气窗口选择以上波段作为目标探测的参考窗口,可以做到提高接收目标辐射强度以及增大探测器对目标的探测距离的效果,大大增加对目标的探测概率22大陆型和海洋型天气系统下不同纬度)相对于太阳方向的大气斜程透过率比较分析21节给出的透过率光谱是选择在沿海地区进行测量所得到的结果又选择在内陆进行实验实柏加=兮0QmnnnnnOnn螗,l甚墨I【II管rBI呻叮叭O8日譬ll&
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/404光子学报35卷验当天冷空气刚过,天气干燥,万里无云选择中午和下午的实验结果与21节中同一测量时间的实验结果进行比较(中午和下午),如图4,横坐标是波长,单位是m,纵坐标是大气斜程透过率0,40,506o7080,9l,OWavelength2pm0A050,607n8n91OWavelengthm图4大陆和沿海地区斜程透过率比较分析Fig4Thecomparisonbetweenthetransmittanceofoceanicareaandcontinentalarea可见,在不同测量地区,即使测量时间很相近(仅相隔3周),但是由于纬度相差较大(沿海实验靠近热带地区,内地实验接近中纬度地区),从光谱的连续性可以看到两者的幅值相差明显,沿海地区得到的大气斜程透过率数值超过了内地得到的大气斜程透过率数值而且还可以看到,在沿海地区,整层连续大气透过率的水汽吸收峰(O94m)明显地比在内陆测量的要强主要原因是由沿海地区大气中相对较高的水汽含量造成的1。
两地不同测量日期(日期相距很近),同一测量时间(中午和下午时刻),得到的最大峰值所在的波长均保持不变1。
,=1020nm,说明在天气晴朗、气溶胶含量很少的情况下,大陆性气溶胶模式和海洋性气溶胶模式对太阳光谱最大值对应的波长影响不大23睛天不同气溶胶含量下实测的透过率比较以上是选择天气条件非常好的定标的日子进行分析所得到的透过率结果,而对于气溶胶含量较多的晴天无云天气系统,还需要进行进一步地分析因此选择冬季沿海地区进行实测,结果如图5在图5(a)中,曲线1是天气系统很好的实验定标日上午8zO0时分对应于太阳方向的大气透过率,曲线2是天气系统较差的次日同一时间对应于太阳方向的大气透过率,当天天空灰蒙蒙的,能见度较低图5(b)中的曲线1和曲线2,分别是这两天中午12。
o0时分相应的大气透过率04n5n6n7n8091_0WavelengthIm图5晴天不同气溶胶含量下透过率的比较Fig5Thecomparisonoftransmittanceofdifferentaerosolcontentsinthesunnyday图5(a)和(b)中,曲线1对应的大气透过率数值明显地高于曲线2对应的透过率数值这是因为定标日天气稳定,空气质量较好,基本无污染而对于气溶胶含量较高的实验日,实验当天水平能见度明显较差,天空灰蒙蒙太阳辐射在穿透大气到达地面时,被气溶胶散射的更多,导致大气透过率明显下降由此可见,将测量当日和定标实验日的连续光谱透过率的幅值相比较,可以用来监测当日空气质量的好坏图中四条光谱的谱特征变化趋势基本一致,说明气溶胶浓度并不对光谱形状产生太大的影响由于大气对太阳辐射散射能力的强弱取决于波长的长短,太阳辐射的波长越短,大气对其散射能力越强因此,在图5(a)和图5(b)中,波长越向短波方向,曲线1和曲线2对应的透过率数值相差越明显,到了紫光及紫外区域,曲线2的数值只有曲线1的二分之一左右在长波区域,图5(a)(上午)两条曲线之间的差别比图5(b)(中午)两条曲线之间的差别明显,图5(b)(中午)两曲线基本上已经重合在一起了主要原因是中午时分太阳天顶角减少,导致太阳从天顶直射到地面的路径减少,所以被大气散射的长波辐射也减少,虽然图5(b)中曲线2对应的气溶胶含量相比曲线1增加了,但是路径的减少导致两条曲线m吣叭0吣叭m8_量【lIIsIHe卯加如;
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/3期范伟等可见到近红外波段整层大气光谱透过率的测量研究405的长波部分相比图5(a)更接近在吸收峰位置,对于图5(a)和图5(b),特别在094ttm的水汽较强吸收带附近,两曲线基本重叠在一起,说明在此吸收带附近,气溶胶含量变化基本上不影响大气对太阳光谱的吸收而在073ttm和076ttm处的氧气弱吸收带,两者的谱线还是有一定的区别,说明在此吸收带附近,气溶胶含量变化较明显地影响着大气对太阳光谱的吸收当气溶胶增加时,大气对氧气较弱吸收带处的太阳光谱吸收更强烈24冬季和夏季的睛天透过率的比较以上实验选择的都是冬季,为了研究不同季节的透过率谱线,又在夏季进行了测量图6中,图6(a)和图6(b)均为同一沿海地点冬季和夏季测量得到的对应于太阳方向的透过率光谱图6(a)是上午1O:
0O时分不同季节的测量结果i图6(b)是中午12;
00时分不同季节的测量结果这两个季节均选择的是定标实验日,且当天地面水平能见度基本上相同0405n6n7080910Wavelength五mQ405Q6O7080_9l0WavelengthApro圈6冬季和夏季透过率的比较Fig6Thecomparisonoftransmittanceofwinterand由图6可知,冬季(11月)相比夏季(8月),光谱数值有明显地下降,更主要的是在065m波长之前,两者之间的差别更明显而在长波直至近红外波段区域,冬季和夏季实测的透过率光谱相差不大,在水汽的吸收带094m附近,基本上达到重合夏季的透过率光谱相比冬季的透过率光谱,短波含量明显的高出许多,这说明冬季太阳光谱的短波含量较少,夏季则短波含量较多,越接近短波区别越明显一般来说,在同样的观测者天顶角情况下,冬季测得的大气斜程透过率要高于夏季测得的结果_J这是因为冬季相比夏季,整个大气层高度有所下降,导致冬季相对于夏季在同一天顶角下太阳从天顶直射到地面的斜程路径减少,被大气吸收和散射的光谱能量也就随之减少但是从图6中可以看到,冬季测得的透过率数值一般明显地小于夏季测得的透过率数值这是因为同一时间不同季节测得的太阳光谱,天顶角并不一样,冬季时分的太阳天顶角明显地大于夏季同时间的太阳天顶角,所以即使冬季大气层高度下降,相比夏季,同一观察时间的冬季太阳天顶角有较大增加,斜程路径也随之增大,其经过的斜程路径比夏季经过的要多,因此被大气散射的太阳辐射就更多,特别是易被散射的短波辐射,所以在冬季测得的大气透过率明显地比夏季的要少,而且越接近短波区域区别越明显以上虽然是在不同地点、不同季节以及不同气溶胶含量实验日进行的测量,但是得到的大气斜程透过率光谱分布却极为相似,经分析其结果是可靠的,具有广泛实用性3大气透过率数值分析31典型波长上的垂直透过率在一天内的变化分析选择定标实验日,以0473m(蓝光)、0532m(绿光)、0671m(红光)和1000m四个典型波长进行垂直大气透过率分析在图7中,这四个波长在一天之内随时间变化的趋势非常相近因为这一天在实验记录中天气系统非常好,所以图中大气垂直透过率变化的幅度很小;
随着这四个典型波长的依次增大,四条透过率光谱对应的数值呈现逐步增大的变化,而这四个波长在斜程透过率光谱图中(见图3图6)对应透过率数值也是呈现逐步递增的主要原因是大气分子对太阳辐射波长较短的散射能力较太阳辐射波长较长的散射能力更强aeijinghhour图7四个典型波长对应的大气垂直透过率在一天的变化Fig7Therelationbetweenthefourspecialwavelengthbandsandatmosphericverticaltransmittancem08直叠_砑BIHm=宝叮叭8鲁母1l;
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/光子学报35卷32055m处大气垂直透过率的日变化分析以上是选择天气非常好的定标日子测量的数据进行分析,而对于某一波长在几天内的变化情况反映并不明显,因而又针对0。
55m波长的透过率进行分析,选择11月24日、11月25日、11月27日、12月3日和12月6日,这几天都有较长时问段的数据,且测量过程中无测量中断如图8从整体上6789l011l2l3l4l5l6l7l8Beijingtimehhour图8大气垂直透过率的日变化Fig8ThedaytimevariableofatmosphericverticalO-2515詈之-2-3O-a4看,11月25日整日天气较好,垂直透过率变化平缓,其余几天大气垂直透过率日变化较大这说明在一般情况下,大气垂直透过率在短时间内有较大变化,基本上无规律可寻,需要大量的时间进行测量研究,才能了解一个地区的统计特征在11月24日和11月27日下午,大气垂直透过率明显减小,根据现场实验记录,这两天下午风速比上午突然增大实验地点临海,这种现象的出现可能是因为较大的风速将海面的飞沫大量吹起,导致气溶胶光学厚度增大,使得大气垂直光学厚度随之增大,最终大气垂直透过率变小33大气斜程透过率随大气质量日变化分析选择11月24日、11月25日、11月27日、11月30日、12月3日和12月6日,对055btrn大气斜程透过率的数值取对数,所得的结果与大气质量的关系如图9图中变化较复杂的曲线是实测的大气斜程透过率的处理结果,另一条直线是对其进行线性拟合的结果,拟合的相关系数如图9对图9(b)进行详细分析,经线性拟合得到的函数为In()一006211039156m,相关系数R=AirmassAirmassAirmassAirmassAirlassAirmass图9055m大气斜程透过率处理结果和拟合曲线随波长变化Fig9Therelationbetweentheprocessresultsoftransmittanceandtheirfittingresultsat055mandwavelength099914,因此拟合的直线可信度很高,可以代表实数均在099以上,这说明在无云晴天大气模式下,际测量的大气透过率数据处理结果随大气质量的变大气斜程透过率的对数结果与大气质量之间存在线化趋势由拟合函数得到大气透过率texp(OO6211一性关系,由此可以证明,计算时假设大气层是平行平039156m)=exp(O06211)*exp(一039156m)面的假说是成立的,在此基础上得到的计算结果是由于exp(Oo6211)106,在误差范围内可以将其可靠的略去,得到fexp(一o39156m)这与从平行平面大气层推导出来的大气斜程透过率的理论公式=exp(-z-m)是一致的,也就是说实际测量得出的数值能够推出可靠的理论公式;
对其它几张图的结果进行分析,同样可以进行线性拟合,且拟合的相关系4结论利用地基太阳辐射计对可见到近红外波段太阳直射光谱的测量结果,对太阳辐射计进行了可靠定标,并由此计算和初步分析了大气斜程透过率随波如nnnnnnci8巨羞吕置善矗景再薯维普资讯http:
/3期范伟等可见到近红外波段整层大气光谱透过率的测量研究407长以及太阳天顶角和大气质量的变化关系,还得到了大气垂直透过率在一天和几天内的变化规律可以看到,在不同大气条件及模式下,连续光谱透过率随波长分布趋势基本相同,随着波长的增加,连续光谱透过率的数值逐渐变大,这主要是瑞利散射的原因,即大气分子对太阳辐射波长较短的散射能力较波长较长的太阳辐射的散射能力更强在太阳辐射的可见光波段,基本没有在此范围内的强吸收气体,所以透过率变化表现平缓而在长波波段内,多次出现吸收峰,这是由几种特殊的气体(主要是水汽和氧气)在此波长处的强吸收造成的通过这些统计分析,得到了实际天气系统下的大气透过率参量的变化情况而且由于光谱的连续性,使得透过率随波长的变化规律更加明朗,得出了大气透过率在不
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