引言

大气气溶胶是一种重要的大气微量成分, 不仅与云、降水形成等大气物理过程密切相关, 而且对光波在大气中的辐射传输产生重要影响, 尤其对光的散射和吸收。气溶胶光学厚度和它的类型是辐射传输计算和大气校正的基本参数, 它在辐射校正和定标中起着非常重要的作用, 它的测量精度直接影响到大气校正的最终精度。在利用辐射校正场对卫星传感器进行辐射定标^[1]和对卫星数据进行大气校正时, 必须对气溶胶的光学特性有较精确的测量, 才能提高辐射定标和大气校正精度。

太阳辐射计是进行大气光学特性观测最基本的仪器之一^[2], 它选用可见近红外通道, 这些通道根据需要可以设在吸收带内或者窗区, 跟踪太阳作太阳直射辐射测量, 然后利用Langley法^{[2, 3]}推算出不同波长大气总的消光光学厚度。用气压测值可计算分子散射Rayleigh光学厚度, 从总的光学厚度中减掉Rayleigh散射和气体吸收就得到气溶胶光学厚度。由不同波长上的气溶胶光学厚度还可以推出气溶胶其它重要参数 (如Junge参数、粒子谱分布等)。太阳辐射计的吸收通道还用来反演吸收气体总量, 如臭氧吸收的Chappuis带和940 nm水汽吸收带, 可以用来反演垂直大气层总的臭氧量和水汽量。

敦煌和青海湖于1996年被确定为中国遥感卫星辐射校正场。敦煌场位于敦煌市区以西20 km的戈壁滩, 我们用它主要作遥感卫星传感器可见光近红外通道绝对辐射定标。青海湖水面场位于青海省东南部, 海拔约3200 m, 它主要用作热红外通道绝对辐射定标。对两个场地大气光学特性的了解, 特别是气溶胶光学特性的观测研究是中国遥感卫星辐射校正场科研项目的重要专题。本文描述了利用3台CIMEL太阳辐射计对敦煌和青海湖校正场大气光学特性进行测量的结果, 分析了两个试验场的大气状况和气溶胶光学特性, 并与几种典型气溶胶类型对比模拟计算, 初步确定了两地的气溶胶类型。

1 测量仪器

我们利用一台CE317手动和两台CE318自动跟踪太阳辐射计 (R.N.Hathore, 1999) 进行大气消光测量, 它们都是由法国CIMEL公司制造的多通道太阳辐射计。CE317的结构简单, 易于携带。它把光学部分和电子电路部分集中在一个控制箱中, 测量时只须人工对准太阳 (导光筒上方小孔的太阳亮斑落在下方的小孔上), 便可以进行不同时刻太阳辐照度测量。它也可以通过人工控制方位角和天顶角进行天空辐射测量, 但需要辅助设备。CE317的通道设置见表 1, 总共有6个通道。它自动将测量数据储存在内部可擦写EPROM中, 测量完毕后将数据用ASTP软件通过串行口传输到计算机上。CE317每进行一次完整的6通道数据测量需要10 s。

CE318是一个自动跟踪扫描太阳辐射计, 结构较为复杂, 其光学头部和控制采集数据部分是分开的, 光学头部固定在一个可以两轴转动的机器人臂上, 机器人臂由两个步进马达传动, 可以绕垂直和水平两轴转动, 它们构成了仪器主体, 如图 1所示。控制箱为数据采集和软件控制部分, 它发出预定的跟踪对准、天空扫描和数据采样指令, 并获取测量数据。CE318安装有8个通道 (见表 1)。CE318除了可以测量太阳直射辐射外, 还可以进行等高度角天空辐射扫描、太阳主平面天空扫描和太阳主平面极化扫描测量。

2 观测过程 2.1 敦煌试验场

我们在靠近敦煌辐射校正场边缘的七里镇 (经度94°33′49″, 纬度40°05′57″, 海拔1230 m), 于1999年7月6日至18日期间作了8天有效测量, 7月19日在敦煌市区 (经度94°39′46″、纬度40°09′14″、海拔1207 m), 进行了1天的测量。其中大气稳定的天气有6天, 即7月6日下午, 7日1天, 8日上午, 16、17、19日3天。表 2列出了敦煌测量期间的天空状况。每天的测量大约从早上的07:00 (北京时, 下同) 测到下午19:00。我们共使用了3台CIMEL太阳辐射计, 其中一台手动CE317, 两台自动CE318, 其中一台CE318由于自动跟踪精度较低, 改为人工对准太阳。CE317每1 min取一次太阳直射数据, CE318每2 min取一次太阳直射数据。另外每天还用CE318人工干预做几次等高度角扫描和主平面扫描, 获取天空光的数据资料。

2.2 青海湖试验场

我们在青海湖鱼政招待所门口 (经度100°38′42″, 纬度36°33′04″, 海拔3196 m), 于1999年7月25~30日期间共作了6天的测量, 其中有4天有效测量, 大气稳定的天气有7月28、29、30日3天。表 2列出了青海湖测量期间的天空状况。每天测量从早上07:00开始, 到下午19:00结束。我们使用与敦煌同样的3台太阳辐射计。3台太阳辐射计均作太阳直射辐射测量, 未进行天空辐射扫描测量。7月27日傍晚从青海湖北面吹来一阵大风, 所以7月28、29、30日3天测量期间, 天空虽然无云, 但肉眼能看到天空不如起风前那么湛蓝, 能见度有所下降。

3 测量原理 3.1 大气光学厚度

根据Bouguer定律^[3], 在地面测得的直接太阳辐射E (W/m²) 在给定波长上:

(1)

其中E₀是在一个天文单位 (AU) 距离上的大气外界的太阳辐照度, R是测量时刻的日地距离 (AU), m是大气质量, τ为总的垂直光学厚度。若仪器输出电压V代表E, 公式 (1) 写成

(2)

其中V₀是定标常数, 在大气稳定条件下, 进行不同天顶角的太阳直射辐射测量, 由测得的V与m的函数确定, 然后外推到m为0时V的结果。由lnv +lnR²与m画直线, 直线的斜率就是垂直光学厚度-τ, 截距就是太阳辐射计在大气外界测得的电压信号的对数lnV₀, 这就是常说的Langley法。如图 2显示了1999年7月7日CE318太阳辐射计在敦煌测得的各通道Langley回归直线。

总的光学厚度τ由分子散射 (Rayleigh), 气体吸收消光 (如臭氧) 和气溶胶散射3部分组成,

(3)

其中Rayleigh光学厚度τ_r由地面气压值计算出来, 在可见光近红外区, 气体吸收主要是臭氧和水汽的吸收。在没有气体吸收的通道, 总的光学厚度减去Rayleigh光学厚度, 就可计算出气溶胶的光学厚度。

3.2 气溶胶参数

对于气溶胶光学厚度, 我们假定气溶胶粒子谱分布遵循Junge分布, 垂直大气柱气溶胶粒子气溶胶尺度谱分布

(4)

其中r是球形粒子的半径, N (r) 为单位面积上气溶胶粒子总数, ν是Junge参数, 因子c (z) 与高度z有关, 正比于气溶胶的浓度。在Junge气溶胶谱类型及气溶胶复折射指数与波长无关条件下, 气溶胶光学厚度与波长的关系满足下列方程

(5)

式 (5) 中k为Angstrom大气浑浊度系数, 是波长1 μm处大气气溶胶光学厚度。由式 (5) 可知, 我们可以通过测量气溶胶光学厚度的谱分布就能求出ν, 利用k和ν继而可以求出其他波长上的气溶胶光学厚度。

4 数据处理及结果 4.1 气溶胶光学厚度

在数据处理前, 必须对数据进行质量控制。我们从太阳直射辐射随时间变化的曲线看, 应该是在无云的天气里是随着太阳高度角的增大而逐渐上升, 如果出现波动或者曲线不光滑, 可能是太阳辐射计的对准筒没有完全对准太阳, 也可能是大气不稳定或者天空有云遮挡太阳。这类数据是不能参与计算和进行Langley回归。因此我们采用一个筛选程序将这类数据滤掉。

为了计算每个观测日半天的平均气溶胶光学厚度, 我们采用Langley法处理CE317和CE318的非水汽吸收通道, 即1020、870、670、和440 nm 4个通道, 除670 nm通道有微弱的臭氧吸收外, 其它3个通道只有Rayleigh散射和气溶胶消光。在用Langley法处理数据时, 我们发现CE317和CE318的1020 nm通道存在较大波动性, 而其它通道都很稳定, 这说明不是对准筒没对准太阳造成, 可能主要由于硅探测器在这个波段灵敏度低, 信噪比较大所致。因此我们选用870 nm和440 nm两个通道得到的气溶胶光学厚度, 利用式 (5) 计算该半天平均Junge参数ν和k, 由ν和k值反过来就可以求出其它波长上的气溶胶光学厚度, 那么670 nm和940 nm有气体吸收通道的气溶胶光学厚度就可推算出来。表 3和表 4中分别列出了敦煌和青海湖不同日期测得的气溶胶光学厚度和Junge参数ν和k。

分析表 3和表 4可见, 敦煌550 nm气溶胶光学厚度多天平均值为0.12, Junge参数ν为2.68, k为0.084。青海湖550 nm气溶胶光学厚度3天平均值为0.18, Junge参数ν为3.0, k为0.10。在测量期间, 敦煌的气溶胶比青海湖要小, 这似乎不符合通常情况, 因为青海湖在海拔为3.196 km的高原, 并且地表植被好。通常应该青海湖的气溶胶比敦煌少, 但是在7月27日傍晚青海湖起了一阵从北方戈壁沙漠吹来的大风, 造成青海湖后来几天里天空中有少量浮尘, 能见度明显不如起风前。

表 5列出了3台太阳辐射计在敦煌和青海湖测得的气溶胶光学厚度和Junge参数的总天数平均值, 从表中可以看出3台太阳辐射计测得的结果十分接近, 除1020 nm通道外其它通道光学厚度差别小于0.01, 这在CIMEL太阳辐射计仪器本身测量精度范围以内 (0.01)。

为了配合这次星地同步观测, 对FY-1C气象卫星的可见光近红外通道进行绝对辐射定标, 需要卫星过境时刻大气气溶胶光学厚度, 我们利用当天得出的大气外界定标常数v₀计算卫星过境时气溶胶光学厚度, 由式 (2)、(3) 得出

(6)

利用上式即可以计算任意时刻大气气溶胶光学厚度, 表 6列出了敦煌和青海湖同步观测天里卫星过境前后15 min平均气溶胶光学厚度, 图 3显示了7月17日气溶胶光学厚度随着时间的变化, 从图中可以清楚地看出气溶胶光学厚度在不同时刻的变化情况, 气溶胶光学厚度在10:30以后出现较强的波动, 因为没有大的天气系统影响, 可能是出现局地强对流所引起, 所以卫星过顶时选取气溶胶光学厚度不能盲目取当天平均光学厚度。

4.2 气溶胶光学厚度测量误差

利用Langley法处理太阳辐射计非吸收通道得到气溶胶光学厚度, 从测量到处理存在如下的误差源:仪器本身产生误差; 天气不稳定; 测量时没有完全对准太阳; 处理时系统误差, 如大气质量数、Rayleigh计算; 不同仪器之间差别。这些误差中影响最大的是测量时天气的稳定性, 如天空是否有云, 对流强弱。但如果在测量前对太阳辐射计进行精确定标, 进行太阳辐射计瞬态测量, 则能排除该项误差。我们本次测量基本上在天空无云、大气基本稳定的情况下进行, 气溶胶在一天的变化很小, Langley回归直线的相关系数都在95 %以上, 因此气溶胶光学厚度测量精度主要取决于仪器本身的测量精度, 对于气溶胶光学厚度CIMEL太阳辐射计的测量精度约0.01, 所以我们的测量误差也为0.01。

5 敦煌和青海湖气溶胶光学特性分析 5.1 气溶胶光学厚度随波长的变化

由气溶胶光学厚度光谱变化能推算出气溶胶粒子尺度谱分布, 其中蕴涵着气溶胶的图 4敦煌和青海湖气溶胶光学厚度随波长的变化类型特征, 表 3至表 5的最后两栏是根据870 nm和440 nm两个通道的气溶胶光学厚度计算出Junge参数ν和k, ν值的大小反映气溶胶粒子谱分布情况, ν值越大表明气溶胶小粒子的密度越高, ν值越小表明气溶胶大粒子的密度越高。k是大气浑浊度系数, 主要反映的是气溶胶浓度的大小, k值越大气溶胶浓度越大。图 4是敦煌1999年7月6日、17日及6S模式常用的几种典型气溶胶模式气溶胶光学厚度随波长的变化情况, 从图中不难看出7月6日变化规律与沙漠模式非常接近, 而7月17日的变化规律却与大陆模式接近, 分析发现7月12~15日敦煌下过阵雨, 大气得到净化, 其中的大粒子尘埃浓度减少, 导致气溶胶粒子谱分布发生变化, 从Junge参数ν几天的变化就能判断出来, 直到7月19日气溶胶颗粒分布才恢复正常, 但敦煌试验场在大部分天气里气溶胶粒子谱分布接近沙漠型。青海湖的气溶胶粒子谱信息同样可以从Junge参数ν得到, ν的平均值为3.0, 比较接近大陆型, 气溶胶光学厚度随波长的变化较快。

5.2 气溶胶光学厚度随时间的变化

气溶胶光学厚度随时间的变化也是衡量气溶胶的一个重要特征^[4], 它分3个时间尺度的变化:一天内变化; 不同日期变化; 不同季节变化。另外还有更大尺度的年际变化。一天内的时间变化对于卫星辐射定标非常重要, 图 3显示在敦煌、青海湖同步观测日期气溶胶不同时刻的变化, 不同天气里有不同的变化情况, 在不稳定天气里气溶胶的变化较大, 在大风和降雨等天气过程前后, 气溶胶含量变化较大。图 5和图 6显示敦煌和青海湖气溶胶的日际变化, 从图中看出气溶胶的日际变化总是处于波动状态。敦煌在7月12~ 15日降雨前后变化非常明显, 不仅光学厚度的大小有变化, 而且气溶胶的光谱分布也有较大变化, 即气溶胶的类型有所变化。

6 结论

通过本次大规模测量试验, 我们对敦煌和青海湖辐射校正场的大气气溶胶光学特性得到初步了解。两地测量结果显示:550 nm波长气溶胶光学厚度平均分别为0.12、0.18, 在完全晴空天气里气溶胶光学厚度更小。这表明两地气溶胶含量在晴空天气里很少, 符合卫星传感器辐射校正大气条件。利用气溶胶的波长变化得到气溶胶Junge参数ν分别为2.6、3.0, 结果与常见的几种典型气溶胶模型相比较表明, 在大部分测量试验天气里敦煌的气溶胶类型接近于沙漠型, 而青海湖接近于大陆型。

致谢 该项测量试验工作在邱康睦和方宗义同志的精心组织和指导下完成, 敦煌气象局的王钟林同志自始至终参加了观测工作, 参加观测的还有陈秀莲、王维和、王萍等同志, 另外本工作还得到敦煌和西宁气象局许多同志后勤支持在此一并表示感谢。