地球大气系统的辐射传输过程及其理论是地球系统以电磁波 (从紫外、可见光、红外直至微波段) 为探测手段的遥感和目标、背景识别应用的理论基础，所有这些科学研究与应用的定量化精度与不确定性无不依赖于辐射传输方程在不同波段、不同地球-大气环境和不同背景、目标环境中的定量求解的精度^[1-3]。由于辐射传输方程，特别是具有多次散射过程的辐射传输方程精确求解极其困难，这里不仅包含着方程本身的数学求解的固有复杂性，还由于求解方程中所要求的整个地表-大气结构参数值的难以全部获得^[4]。因此，过去几十年来，国际上针对遥感和目标识别都发展了一系列实用的辐射传输算法^[5-9]。这些算法均采用对地球-大气系统特征的近似假定，包括对大气和地表结构的假定。其中最通用的就是水平均匀垂直分层大气结构、局部水平地表、地表反照率为朗伯反射或已知的双向反射率分布、大气成分中吸收光谱特征给予参数化，大气气溶胶散射相函数和单次散射反照率按类型设置等。在这种情况下就可以根据需要利用模式来做各种应用可行性评估，利用模式进行敏感性分析^[10]、大气订正^[11]、为反演算法建立而进行正演模拟仿真^[12]等等。由于大气的实际情况并不严格符合模式要求的近似，模式算法本身在数学处理上也有一定的近似。因此需要对模式算法的精度与适用范围进行验证，特别是对一些重要的定量应用。

当前的许多辐射传输算法中，相当一部分算法是MODTRAN及其演化版本，在中国应用广泛。因此本文的验证主要针对MODTRAN4.0模式^[13]进行，并首先集中于热红外窗区8~14 μm (714~1250 cm^-1) 波段的验证对比。这是因为该波段是电磁频谱相对透明的区域，由于大气吸收很少，辐射亮度相应很低，是目标识别的常用波段，也是地表和大气遥感的重要波段^[14]。

验证辐射传输算法的实验可以有不同方式。在地面进行水平传输实验是一种常用的验证红外波段大气衰减模式的手段。中国科学院安徽光学精密机械研究所大气光学研究中心研制的命名为CART的一套通用大气辐射传输软件，其验证方法之一就是利用中近红外傅立叶光谱辐射计FTIR测得的水平红外大气透过率来验证CART软件计算水平路径上红外大气透过率的精度^[15]。由于受实验场地和实验条件的限制，只能测得较近距离的水平大气透过率。在卫星遥感和反演应用方面，一个有效的方法是利用飞机搭载红外光谱仪在海面上空进行对地方向的观测，同时在当地海面上空，进行温度、湿度、气压以及CO₂和O₃等大气参数的廓线测量，利用实时测得的大气廓线作为辐射传输模式输入，将模式模拟计算的结果与飞机的测量结果进行对比验证^[16-17]；另外也直接利用卫星的观测结果进行类似的对比验证^[18]。对于地基遥感、目标识别和目标辐射测量等应用方面，对于垂直和斜向大气红外衰减与大气红外热辐射的验证，则必须依靠垂直方向的测量实验。因此，LAGEO提出一种基于系留气艇的多传感器探测系统，并于2006年8月进行了验证实验。该系统可同时进行GPS气象探空测量、气溶胶粒子谱测量、对天顶的宽带热红外辐射测量、对上和对下的全天空可见光成像测量等，从而能够同时获得不同高度上大气参数和辐射参数，可为模式验证提供必须的数据。本文介绍了实验探测系统、野外实验过程情况、结构分析方法，并给出了初步分析结果。

为了验证可见光和红外波段在边界层大气中的辐射传输算法精度，为目标、背景识别和定量遥感服务，LAGEO建立了一个以系留气艇为运载工具的实验平台，其结构示意见图 1。系留气艇采用的是具有专利权^[19]的异型气艇，其主要特点是在气艇中部水平平衡部位有一个上下穿透的刚性连体平台，从而保证在该平台的向上观测 (朝天) 和向下观测 (对地) 处于严格的准直线上。平台向上和向下观测部分各自可以有对天空半球和对地半球的半天空视场，对于由带有鱼眼镜头的数字相机构成的全天空成像仪来说，二者结合可以构成全天、地的无缝隙观测，而不受气艇本身的遮挡。这里不计飞艇周围极小尺度的垂直间隙 (如非常细的纤绳，直径约为2~3 mm) 造成的影响，因为对辐射传输而言，这种影响可以忽略。而纤绳以下所挂设备尺寸都较小，并距离气艇底部有大于5 m的距离，因此其影响也可以忽略。另外，系留气艇体积相对安装仪器的平台和搭载的仪器来说很大，且为具有尾翼的流线型造型设计，在风速较小的情况下，气艇平台升空非常平稳。

图 1

图 1. 异型系留气艇结构图 Fig 1. Schematic diagram of tethered-balloon-based facilities

在可见光和热红外波段，在较短时间内大气对辐射的影响主要来自水汽和气溶胶，虽然也受到其他气体或微量气体如O₃和CO₂等的影响，但其变化较小, 对辐射传输过程的影响相对稳定^[20]。因此，实验平台除装载辐射测量仪器外，还必须同时装载模式所需主要参数 (温度、水汽、气溶胶) 的测量仪器。另外，还必须加装遥控与数据采集收发系统，对平台装载仪器进行控制及下传观测数据。

实验采用的辐射观测仪器是可见光全天空成像仪和红外测温仪。

全天空成像仪主要由带有鱼眼镜头的数字相机构成，共2台，分别安装在向上和向下平台，从而可获取全天/地的可见光辐射分布。带有鱼眼镜头的相机的红、绿、蓝波段分别由积分球进行了定标，全天空成像仪的整机也进行了实验室几何与临边昏暗定标，因此所得各波段的灰度值可以通过定标转化为相对辐射值和绝对辐射值。

红外测温仪置于系留汽艇的顶部的对天观测平台上，在气艇的上升和下降过程中连续地获取来自天顶方向的热红外辐射。实验采用的是美国Raytek公司的MX^TM系列低温型红外测温仪。主要指标包括：波段为8~14 μm；观测温度范围为-50℃~300℃；响应时间为0.1 s；光学分辨率 (标准焦距) 为60:1，视场角为2°。测量精度在环境温度为25℃时，为读数值的±0.75%；当目标温度低于-5℃时，为±1℃。仪器经过黑体定标，在目标温度为-50℃~40℃范围内，测量精度完全符合上述厂家给出的指标。利用红外测温仪的光谱透过率曲线，可以从测得的红外亮温值转换为宽带红外辐射值，与模式输出进行对比。

系留艇实验平台所携带的探空仪由LAGEO集成研制。其中温度、湿度、气压与风传感器分别从瑞士Sensirion公司、Intersema公司和芬兰Vaisala公司采购。其指标包括：温度误差为±0.4℃(5~40℃时)，时间常数为5 s；湿度传感器误差为±2%(5~40℃时)；气压传感器误差为±1.5 hPa (当25℃，750~1100 hPa范围内)；风速误差为±0.1 m；风向误差为±0.5°。

气溶胶对边界层可见光辐射传输起着关键作用，对热红外波段也有一定影响。因此，在实验平台上携带有美国GRIMM公司生产的Model #1.109型气溶胶粒谱仪。其工作原理是使用激光束，测量每个颗粒的散射光能量，转换成相应的颗粒粒径，从而快速精确测量颗粒数目浓度和粒径分布。该气溶胶粒谱仪具有31个粒径通道，可以连续进行测量，实时给出不同粒径的粒子浓度和粒径谱分布，是科学研究和室内外空气检测的理想仪器。其主要指标包括：测量粒径范围为0.25~32 μm，分为31个粒径通道；粒子计数1~2000000粒/L；通道粒径: 0.25，0.28，0.3，0.35，0.4，0.45，0.5，0.58，0.65，0.7，0.8，1，1.3，1.6，2.0，2.5，3.0，3.5，4，5，6.5，7.5，8.5，10，12.5，15，17.5，20，25，30，32 μm；粉尘质量为0.1~100000 μg/m³；采样流量为1.2 L/min；重复性为最大范围内3%。

为实现仪器的控制和观测数据的实时获取，针对系留气艇实验平台研制、集成了控制与数据采集收发系统，并对上述各项传感器研制了相应的控制和数据接口。同时，在地面建立了相应的接受与显示系统。在实验时，艇上观测数据经由数据采集系统接收传送至发射机，地面接收设备接收后进行实时显示。

2006年8月，利用系留气艇平台进行了验证实验，观测地点在中国科学院大气物理所香河综合观测站 (39°47′54″N, 116°57′28″E，海拔高度35 m)。8月12—24日在满足气艇升空的条件 (地面风速小于6 m/s，升空高度风速小于10 m/s) 下，共进行了16次上升与下降观测实验，取得了32次从地面到1 km左右高度的观测数据。香河地处华北地区，8月天空情况变化较大，观测期间大部分情况下天空有云出现，地面能见度变化范围也较大。表 1列出了观测日期与相关气象情况。

表 1

表 1 系留气艇观测时间与相关气象情况 Table 1 Meteorological conditions during field experiments 实验 序号 起始时间 气艇 状态 天气云况 云量/成 地面能 见度/km 数据及处理 1 08-12T20:31 上升 阴, 层状云 10 1 由于上升中至少3层不同高度云过顶，过于复杂， 2 08-12T21:18 下降 阴, 层状云 10 1 未处理600 m以下处于同一云层下，600~1000 m有云层变化 3 08-15T15:27 上升 晴 20 1000 m以下均合适 4 08-15T15:53 下降 晴 20 1000 m以下均合适 5 08-15T17:19 上升 晴 20 1000 m以下均合适 6 08-15T17:46 下降 晴 20 200~1000 m合适，200 m以下姿态可能不稳 7 08-17T12:50 上升 层状云 10 5 间歇于2块云层下，分别于不同云底高度下 8 08-17T13:14 下降 层状云 10 5 500 m以下与850 m以上同一天空，550~750 m为同一云层 9 08-21T15:32 上升 毛卷云 2 5 650 m以下合适 10 08-21T15:55 下降 毛卷云 2 5 550 m以下合适 11 08-21T17:12 上升 毛卷云, 密卷云 3 10 700 m以下合适 12 08-21T17:23 下降 毛卷云, 密卷云 3 10 400~750 m合适, 100~400 m合适 13 08-23T15:04 上升 毛卷云 2 4 550 m以下、900~1050 m合适 14 08-23T15:25 下降 毛卷云 2 4 1000 m以下合适 15 08-23T15:40 上升 毛卷云 2 4 1000 m以下合适 16 08-23T15:54 下降 毛卷云 2 4 600~1000 m、550 m以下合适 17 08-23T17:00 上升 毛卷云 2 4 云况十分复杂，处于有云、无云变化状态 18 08-23T17:14 下降 毛卷云 2 4 云况太复杂，无法处理 19 08-23T17:35 上升 毛卷云 2 4 云有一定复杂性，800 m以下基本合适 20 08-23T18:08 下降 毛卷云 2 4 850 m以下合适 21 08-23T18:52 上升 毛卷云 2 5 1000 m以下合适 22 08-23T19:05 下降 毛卷云 2 5 900 m以下合适 23 08-24T11:29 上升 高积云 10 3 1000 m以下合适 24 08-24T11:46 下降 高积云 10 3 云况太复杂，无法处理 25 08-24T13:39 上升 高积云, 高层云 10 3 云况太复杂，无法处理 26 08-24T13:53 下降 高积云, 高层云 10 3 400 m以下合适 27 08-24T14:18 上升 高积云, 高层云 8 4 850 m以下合适 28 08-24T14:38 下降 高积云, 高层云 8 4 云况太复杂，无法处理 29 08-24T15:29 上升 高积云, 高层云 8 4 1000 m以下合适 30 08-24T15:40 下降 高积云, 高层云 8 4 1000 m以下合适 31 08-24T16:19 上升 高积云, 高层云 6 5 云况太复杂，无法处理 32 08-24T16:35 下降 高积云, 高层云 6 5 600 m以下合适

表 1 系留气艇观测时间与相关气象情况 Table 1 Meteorological conditions during field experiments

验证实验过程中红外测温仪观测方向为天顶，测得的是来自观测高度到大气层顶之间大气的热红外辐射。为了解系留气艇升空1 km范围内天顶观测红外亮温 (brightness temperature, T_b) 的动态变化范围，预先用MODTRAN4.0进行了华北上空不同季节T_b(h) 的模式计算。模式计算时选取观测点 (北京) 的条件：① 海拔高度：35 m~1 km，间隔50 m；② 波长范围：710~1250 cm^-1；③ 观测方向：天顶；④ 根据季节分别选择中纬度夏季和冬季大气模式。但温度、水汽廓线分别输入北京站探空的月平均记录，地面至70km分为30层；⑤ 气溶胶类型为城市气溶胶，强度用不同能见度 (Visibility，V_IS) 来表征。

图 2给出了从地面到1 km高度，北京地区1—12月红外亮温T_b(h)(用验证实验所用仪器透过率函数加权计算所得) 的变化，图 2a和2b分别为高能见度 (V_IS=23 km) 和低能见度 (V_IS=3 km) 的情况。图 3给出了4个季节T_b(h) 随V_IS变化的等值线分布图。从图中可以看出：不同季节亮温分布随气温变化有很大变化，同一高度冬季与夏季亮温差超过50℃，高于冬夏平均气温差值。其原因在于冬季既冷且干，夏季既热且湿，由此向下辐射亮温差会大于气温差。同一月份从地面到1 km处亮温差达到10~15℃左右，冬季亮温差小于夏季，其原因在于夏季水汽在近地层分布更为集中。同一月份亮温随能见度 (即气溶胶含量的一种指标性度量) 变化而单调变化，能见度小 (气溶胶含量大) 时亮温变大，且此时垂直亮温差亦变大。能见度大于5 km后这方面的影响较小。

图 2

图 2. 北京1—12月天顶亮温随高度的变化 (单位：℃) (a) 能见度为23 km, (b) 能见度为3 km Fig 2. Seasonal variation of the vertical distribution of thermal infrared brightness temperature in zenith direction over Beijing(unit: ℃) (a) VIS=23 km, (b) VIS=3 km

图 3

图 3. 北京不同季节天顶亮温随能见度的分布情况 (单位：℃) Fig 3. Variation of zenith looking thermal infrared brightness temperature with height and surface visibility over Beijing for different seasons(unit：℃)

上述数值模拟为实验验证提供了粗略但又重要的指导。其中重要的一条是夏季晴空亮温较高，同时垂直方向有更大的动态范围。因而有利于用现有的红外测温仪进行验证实验。

对热红外波段观测而言，首先将系留气艇上升和下降期间红外测温仪测得的亮温值转换为辐射值，再利用同步实测的大气参数作为模式MODTRAN4.0的输入，获得模式计算的辐射值，从而进行对比。气艇实验同步观测的温、湿、压等数据空间分辨率高，模拟计算使用时抽取18~20层 (地面~1 km) 输入到模式之中进行计算。模式计算参数的选取除温度、湿度、气压等廓线选取气艇同步实测值外，其余参数的选取均与3.1节相同。数据处理流程 (对每一个高度的观测值) 如图 4所示。

图 4

图 4. 红外辐射数据处理流程图 Fig 4. Flow chart of thermal infrared radiation data processing

在利用系留气艇实测大气作为输入进行红外向下辐射模式计算时，一个重要的问题是实测并未提供系留气艇观测最高高度 (一般为1 km) 以上的大气廓线，因此1 km以上大气廓线需要另外获取。合理的解决办法是选用附近探空站相近时刻的探空记录作衔接。实验点最近探空站为北京市观象台 (区站号54511)，在香河以西约50 km。该站每日有早、晚两次探空。由于系留气艇实验一般在下午进行，并无严格的同时探空。分别以当日早 (08：00，北京时，下同)、晚 (20：00) 两次探空记录来衔接实验数据进行了模拟计算，结果显示两种衔接的模式输出亮温分布彼此有系统的差别。图 5给出2006年8月15日观测的模式输出结果，说明这种衔接并不是最好的方法。为此本文提出一种方案，不用任何探空记录衔接，而假定一个事实，即在观测最高点模式输出的亮温正与实验测量亮温一致。用这一约束可以避免找不到“真”大气廓线的困难，而将验证的重点真正落到所实验高度范围内模式输出与实测之间的偏差上。为此对MODTRAN4.0红外辐射传输算法加上了这一约束。

图 5

图 5. 2006年8月15日温、湿、压廓线1 km以上分别采用北京市观象台早晚两次探空资料的模拟计算结果 Fig 5. Model output of zenith looking thermal radiation with height by using tethered-balloon borne observation within 1 km and morning and evening radiosonding profiles on 15 August 2006

在整个实验过程中，只有2006年8月15日是完全的晴天，地面能见度达到20 km以上。该日共进行了4次试验。图 6给出了17:19—17:45气艇上升过程的1次实验结果。气艇上升顶点为1.05 km，整个上升过程中风向变化和风速都不是很大，最大风速约在200 m高度处，为3.5 m/s，因此气艇在整个上升过程中姿态比较平稳。图 6中的实线是气艇上升过程中观测的天顶方向的宽带热红外辐射亮度, 该辐射亮度是由观测的亮温经亮温表透过率曲线计算获得。带有十字的实线是利用气艇上升过程中同步测得的大气参数以及地面能见度通过模式计算获得红外辐射亮度。从图 6中可以看出，在所观测的所有高度上观测辐射亮度与模拟计算辐射亮度都十分接近。此次实验中在地面测得的天顶亮温为-11.2℃，而1.05 km高度测得的天顶亮温为-37.3℃，差值超过20℃，这与用8月北京平均探空廓线模拟情况相符。

图 6

图 6. 2006年8月15日17:19—17:45晴空情况下气艇上升实验对比 Fig 6. Comparion of model output and field observation of infrared radiances for clear sky during 17:19—17:45 on 15 August 2006

本次实验过程中，有一部分观测个例天空布满层状云，如高层云，云体相对均匀。图 7给出了8月24日14:18—14:37气艇上升过程中的观测与模式计算结果。这天为高层云，云量为10成，能见度是3 km。从观测的风廓线了解到，地面至850 m处，风速均小于3 m/s，上升到850 m以后风速加大，所以气艇在850 m以下这一段姿态较平稳。从图 7可以看出，气艇从地面升到850 m期间，天顶的云体相对均匀，在这种情况下，可近似认为云底处在同一高度并足够厚。因此采用850 m以下范围来进行比较，可以看出，地面至850 m范围内模式输出与实测辐射量二者相当接近。此次实验由于是在云下，所以从地面到850 m高度，天顶亮温相差不到10℃。

图 7

图 7. 2006年8月24日14:18—14:37层状云情况下气艇上升试验对比图 Fig 7. Comparion of model output and field observation of infrared radiances for overcast sky during 14:18—14:37 on 24 August 2006

图 8为8月23日18:08—18:26气艇下降过程中观测与模式计算结果的对比，该日天空中有毛卷云，云量为2成，能见度是4~5 km。由于天空云量不大，且为毛卷云，所以在气艇实验过程中，可能在气艇上升过程中天顶先后或交替出现有云和晴空的情况。这时需要进行判断并分段验证，可以看出，在850 m以上明显有云块经过，850 m以下模式输出与实测辐射量二者十分接近。应该强调的是，在这种天空变化情况下，模式输出与实测的差别受到天顶上可能的变化着的薄卷云的重大影响。

图 8

图 8. 2006年8月23日18:08—18:26分立云块情况下气艇下降试验对比图 Fig 8. Comparion of model output and field observation of infrared radiances for broken cloudy sky during 18:08—18:26 on 23 August 2006

在整个实验期间中，有完全晴空，有天空中完全被云所覆盖的情况，还有在天顶先后或交替出现有云和晴空的情况。根据不同情况，按全高度或分段进行了实验观测和模式计算的对比。在32次观测试验中，有8次天顶云况变化过于复杂，风速变化较大，气艇姿态不稳等原因，观测结果难以作分析对比。其余24次观测均有全部或部分高度段处于晴空或均匀云层下，因而可以进行模式与实测的对比。相对误差的总体平均均方差为2.93%。

表 2

表 2 验证对比统计结果 Table 2 Statistical result of the validation 试验序号 时间 气艇状态 对比高度范围 晴空或云下 相对误差均方差/% 2 08-12T21:18 下降 地面~800 m 云下 1.59 3 08-15T15:27 上升 地面~1014 m 晴 4.82 4 08-15T15:53 下降 地面~904 m 晴 2.00 5 08-15T17:19 上升 地面~1029 m 晴 1.59 6 08-15T17:46 下降 200~ 984 m 晴 3.55 8 08-17T13:14 下降 地面~506 m， 530~723 m 云下 1.53 2.80 9 08-21T15:32 上升 地面~ 663 m 云下 3.49 10 08-21T15:55 下降 地面~ 545 m 云下 2.04 11 08-21T17:12 上升 地面~ 667 m 云下 2.46 12 08-21T17:23 下降 400~727 m 云下 2.41 13 08-23T15:04 上升 地面~486 m， 898~1036 m 云下 0.87 2.07 14 08-23T15:25 下降 地面~486 m 云下 4.56 15 08-23T15:40 上升 地面~1003 m 云下 3.34 16 08-23T15:54 下降 地面~549 m， 632~1023 m 云下 3.06 2.56 19 08-23T17:35 上升 地面~767 m 云下 3.87 20 08-23T18:08 下降 119~849 m 云下 2.45 21 08-23T18:52 上升 地面~784 m 云下 3.27 22 08-23T19:05 下降 107~908 m 云下 4.60 23 08-24T11:29 上升 地面~1130 m 云下 3.23 26 08-24T13:53 下降 地面~389 m 云下 1.02 27 08-24T14:18 上升 地面~848 m 云下 0.89 29 08-24T15:29 上升 98~1026 m 云下 6.74 30 08-24T15:40 下降 地面~1030 m 云下 5.95 32 08-24T16:35 下降 地面~601 m 云下 2.31

表 2 验证对比统计结果 Table 2 Statistical result of the validation

为验证大气辐射传输模式算法结果的适用性，本文提出并研制了以具有专利权的异型气艇平台为基础的综合探测系统，该系统能获得大气边界层各高度上的气象参数和可见光、红外辐射分布，通过收发系统可实时获得综合观测资料。2006年8月进行了多次成功实验，证明了系统的可靠性与有效性。与此同时，通过模式模拟进行了该系统作验证能力可行性评估。

利用实际观测资料，进行了实测宽带红外辐射亮度与模式输出的辐射亮度 (根据大气廓线实测和能见度参数作为MODTRAN4.0模式的输入) 之间的对比。对24时次的对比统计表明两者相对误差的均方差为2.93%，这里的均方差所包含的原因是多方面的，其中有模式计算方案的误差，气象参数测量的误差等。要严格区别，特别是大气状态的时空变异性是相当困难的，在实际应用中也是无法避免的，但从问题的另一方面看，这一验证结果为实际应用提供了模式适用性的重要基础，特别是定量评估目标、背景识别和定量遥感反演。

本实验验证建立的系统将同样可用于对地面和空中的目标、背景和遥感试验提供实验平台。目前正准备扩展平台的载荷能力，以适应对地、对天多方位的同时探测，并增加包括紫外波段在内的其他波段探测。有关可见光波段的验证对比工作正在进行。