大气气溶胶是指大气与悬浮在其中的固体和液体微粒共同组成的多相体系^[1], 大小通常在0.01~100 μm之间, 能在大气中驻留几个小时至几天。近年来大气气溶胶对全球气候的影响已引起科学家们的广泛关注, 这主要是因为大气气溶胶对地气系统的辐射收支有重要影响^[2]。气溶胶的辐射效应目前还存在很大的不确定性, 原因之一是对气溶胶的光学特性了解较少。在20世纪30年代Angstrom展开了对大气气溶胶光学厚度反演方法的研究^[3-4], 我国科学家在大气气溶胶光学特性研究方面也做了大量的工作, 主要涉及到地面观测、利用资料反演气溶胶光学厚度等光学特性、数值模拟气溶胶光学特性分布特征等^[5-13]。近年来利用卫星资料来反演以及利用地基仪器观测气溶胶的光学特性是两种非常先进的研究手段, 其中利用地基太阳光度计测得地面窄波段太阳辐射能反映出气溶胶对不同波段太阳辐射的影响, 这为开展更细致的研究工作奠定了基础^[14-16]。地面观测可以分别在代表性较好的特征区域进行, 并能够反映特征区域的气溶胶光学特性, 但地面观测也有其局限性, 主要是受观测仪器自身的影响, 一方面各种仪器精度存在很大差异, 另外其标校手段也不尽相同。必须建立统一的观测网络, 统一标准, 这样不同区域相同观测项目之间才具有可比性, 才能够系统地研究区域乃至全球的气溶胶光学特性。

美国NASA利用法国CIMEL公司生产的CE318型窄波段太阳光度计在全球布设AERONET (AErosol RObotic NETwork) 气溶胶监测网, 其目的是系统地观测全球主要区域的气溶胶光学特性^[17]。日本、澳大利亚、法国、加拿大、韩国等也都建立自己观测网络以加强对气溶胶光学特性的研究了解^[18-19]。目前国内缺乏较为长期、稳定、系统的气溶胶光学特性观测^[11]。中国气象局根据这一现状, 在全国范围内建设气溶胶光学特性监测网CARSNET (China Aerosol Robot Sunphotometer NETwork), 监测网统一采用CE318型太阳光度计, 目的就是为了系统观测和研究中国区域大气气溶胶光学特性, 为气溶胶气候效应研究及卫星反演结果标定提供科学依据。

CE318型太阳光度计的观测原理是通过测量窄波段的太阳辐射来反演大气气溶胶的光学特性。该仪器具有较好的性能, 适宜野外长期观测, 但由于长时间在野外观测, 受到自然环境、仪器损耗等因素的影响, 会使仪器的标准数值发生漂移, 使得太阳光度计的相应精度不能满足实际测量的要求^[20]。为了使反演得到的气溶胶光学特性具有较高的可信度, 要求定期对仪器进行标定, 以减少测量时由仪器自身引起的系统误差。目前, 主要有3种方法可以用来评估太阳光度计的精度: ①利用太阳光度计测得的积分球辐射源稳定的电信号数值, 并确定天空散射辐射通道增益因子的大小; ②检验黑电平值; ③利用Langley法得到的辐射电信号值来评估太阳直接辐射通道^[17]。CE318型太阳光度计的标定包括天空散射辐射通道标定和太阳直接辐射通道标定两个方面, 天空散射辐射通道主要是通过积分球辐射源来进行标定, 太阳直接辐射通道则通过Langley法和标准仪器相对标定法两种方法来进行标定。例如, 法国PHOTONS气溶胶监测网的CE318型太阳光度计在里尔大学进行室内标定以后, 然后在法国Carpentras和西班牙IZANA观测场进行野外标定。这两个野外标定场均设在高山上, 这是因为在高山上大气清洁, 气溶胶浓度很低, 大气光学厚度很小而且较稳定。

在借鉴了AERONET, PHOTONS, SKYNET气溶胶监测网标定经验的基础上, 分别在国家卫星气象中心、北京灵山风景区进行了太阳光度计天空散射辐射通道和太阳直接辐射通道的观测, 目的是为今后中国气象局气溶胶光学特性观测网仪器标定, 探索出一套行之有效的标定流程。

CE318型太阳光度计是法国CIMEL公司制造的一种自动跟踪扫描太阳辐射计, 主要由以下部分组成: ①仪器主体:传感器头部、扫描步进马达和机器人臂; ②控制箱:提供软件控制预定的扫描和采样指令, 获取数据, 格式化远程星基传输数据, 内置电池; ③发射天线, 传输数据到GOES卫星; ④控制箱与外置电池的安装箱和仪器安装架, 安装箱外还装有太阳能电池板和湿度传感器。该仪器是进行大气光学特性观测基本的仪器之一^[17], 它在可见近红外波段设有8个观测通道 (极化式太阳光度计包括1020 nm, 870 nm, 670 nm, 440 nm, 936 nm, 870P1, 870P2, 870P3或普通式太阳光度计包括1020 nm, 870 nm, 670 nm, 500 nm, 440 nm, 936 nm, 380 nm, 340 nm), 带宽均为10 nm, 它不仅能自动跟踪太阳作太阳直接辐射测量, 而且可以进行太阳等高度角天空扫描、太阳主平面扫描和极化通道天空扫描。CE318型太阳光度计测得的太阳直接辐射数据可用来反演计算大气透过率、气溶胶光学厚度、大气水汽柱总量和臭氧总量等。天空扫描数据可以反演大气气溶胶粒子尺度谱分布及气溶胶相函数, 表 1给出了极化式太阳光度计各特征波段的中心值、带宽及对应的主要用途。该仪器不仅是一种大气气溶胶环境监测仪器, 还可以用于卫星遥感产品真实性检验和气溶胶气候研究。

表 1

表 1 CE318型太阳光度计光谱通道 Table 1 Spectrum channels of CE318 sunphotometer

表 1 CE318型太阳光度计光谱通道 Table 1 Spectrum channels of CE318 sunphotometer

地面测得的直接太阳辐射E在给定波长上根据Bouguer定律^[21],

(1)

式 (1) 中, E₀是在一个天文单位距离上的大气外界的太阳辐照度, R是测量时的日地距离因子, m是大气质量数, τ为大气总光学厚度, T_g为吸收气体透过率。若仪器输出电压V代表E, 式 (1) 可以写成

(2)

式 (2) 中, V₀是仪器的标定常数^[22]。

室内标定采用的标准光源是由中国科学院安徽光学精密机械研究所研制的积分球辐射源, 该积分球辐射源通过精密的光学结构设计和高精度的电源控制, 具有较高的面均匀性、朗伯性和输出稳定性。在可见光到近红外波段近似灰体, 可广泛应用于相关光学仪器的辐射标定工作。表 2给出了积分球辐射源辐射标定参数及其不确定度。

表 2

表 2 积分球辐射源辐射标定参数 Table 2 Calibration coefficients of integrating sphere

表 2 积分球辐射源辐射标定参数 Table 2 Calibration coefficients of integrating sphere

标准太阳光度计每年都经过严格标定, 标准仪器标定采用Langley法在2500~3500 m高山上进行。标准仪器选择关键是仪器的稳定性, 需要作十几次早晨期间Langley测量, 需要核实绝对校正系数V₀值的重复性, 最后V₀值的确定是取这十几次Langley获得值的平均值。这种方法要求大气气溶胶状况在大气质量数在2~5之间恒定不变。

本次标定所使用的标准太阳光度计与美国的AERONET、法国的PHOTONS等监测网使用相同的定标标准, 这种标准仪器性能要比通常的太阳光度计更加稳定, 而且可以同AERONET, PHOTONS等其他站网的标准仪器保持在一个精度上。

CE318型太阳光度计天空散射辐射通道标定采用的室内积分球辐射源于1999年安装在国家卫星气象中心的超净室内, 超净室是由中国科学院安徽光学精密机械研究所传递过来的, 保持室内工作温度为23±1 ℃, 相对湿度不高于60%。

在进行CE318型太阳光度计天空散射辐射通道标定时, 将积分球辐射源内8只250 W的PHILIPS卤钨灯全部打开, 使其发射出的辐亮度最大, 减少测量的相对误差, 积分球辐射源的标定参数见表 2。

待标仪器天空散射辐射通道标定系数计算公式如下:

(3)

式 (3) 中, D_c (Digital Count) 为各波段测量电信号的平均值, n₁为待标定仪器出厂标定时所用的增益因子, n₂为待标仪器本次标定时所使用的增益因子, R_a为积分球辐射源各特征波段的辐亮度, C₂为天空散射辐射通道各波段标定系数。

天空散射辐射通道标定流程是将进光筒安装在太阳光度计传感器头部, 把传感器头部固定在滑架上并将进光筒对准积分球出光口中心, 此时通过控制箱执行命令, 同时根据所测得数值大小来前后左右移动滑架, 使测得的电信号值D_c在10000左右, 这样可以减少测值的相对误差, 然后固定滑架。如果测值无法达到要求, 则需要调整增益因子。待各波段增益因子调整好以后, 再次执行命令, 并连续测得10组数据。

在最后处理试验数据计算天空散射辐射通道的标定系数之前, 需要检验实验数据的质量状况。要求测得的数据数值均匀, 不能有太大的起伏, 时间序列连续, 没有过长的时间间隔。此次待标仪器测得的各波段D_c值均具有较好的均匀性, 基本满足室内标定对数据的要求。

CE318型太阳光度计太阳直接辐射通道标定主要是在野外标定场进行观测, 要求标定场周围视野开阔, 没有高山或高层建筑物遮拦, 并且远离污染源, 同时标定场所在地大气相对湿度要较小, 降水频率较低。在天气晴朗, 天空无云或少云的条件下, 大气状态保持稳定, 基本无风或风力很小, 大气500 nm波段的光学厚度低于0.30。

CE318型太阳光度计的野外太阳直接辐射通道标定主要通过以下两种方法进行: Langley法和标准仪器相对标定法, 本次标定的待标仪器是极化式太阳光度计, 即8个观测通道中包括3个极化轨道扫描通道, 而标准仪器是普通的8通道太阳光度计, 因此在利用标准仪器进行相对标定时只能标定出4个与普通太阳光度计相同的通道, 即1020 nm, 870 nm, 670 nm, 440 nm等波段。本次标定所使用的资料是太阳光度计自动观测所得的NSU (SUN Triplet Measurement) 数据以及BCLSUN 2 min一次的观测数据。

根据式 (1), (2), 在大气状况相对稳定条件下, 进行不同太阳天顶角情况下的太阳直接辐射测量, 仪器的输出V是m的函数, V₀从一系列测值外插到m=0时V的结果。由lnV +lnR²与m画直线, 直线的斜率就是大气光学厚度τ, 截距就是太阳光度计在大气外界测得的电信号V₀, 这就是常说的Langley法。从理论上讲, 这种标定方法是比较精确的, 但是在实际操作中, 因为很难找到稳定、晴好、无云的天气条件, 而所使用的数据多存在一些噪声, 使标定数据质量下降, 在进行Langley法标定时, 可能会存在一定的误差。

该方法的基本原理是, 首先对标准仪器进行标定, 然后使用标准仪器对待标仪器进行标定。在稳定的晴好天气条件下, 待标仪器与标准仪器同时进行观测, 前提是假设在这一时刻气溶胶光学厚度 (τ)、大气质量数 (m) 是相同的。根据式 (2), 可以得到如下计算待标仪器标定系数的公式:

(4)

式 (4) 中, V₀₂是待标仪器的标定常数, V₀₁为标准仪器的标定常数, V₁, V₂分别为标准仪器和待标仪器测得的D_c值, V₂/ V₁值应为固定值。这样就可以根据标准仪器来标定待标仪器了, 这就是标准仪器相对标定法。这种方法要求标准仪器的标定常数准确, 测得的D_c数值精确, 才能保证待标仪器标定的结果具有较高的可信度。为了提高相对标定法的准确度, 要求标准仪器每3个月在清洁的高山上进行一次标定, 每一年要到太阳光度计国际标定场进行标定。

积分球辐射源标定方法是以积分球辐射源作为标准源, 利用太阳光度计测得其D_c值, 结合积分球辐射源的辐亮度标定系数, 利用式 (3) 计算出太阳光度计天空散射辐射通道的标定系数, 并将室内积分球辐射源的标定结果与仪器出厂时所给定的标定系数进行比较。利用天空散射辐射通道测得的积分球辐射源发射的辐亮度达到最大值, 且基本保持稳定, 没有明显的波动。如表 3及图 1, 2所示, 在1020 nm, 870 nm, 670 nm, 870P1和870P2波段的标定结果与出厂值基本相符, 偏离出厂值的幅度在5%左右, 只有670 nm和440 nm小角散射标定结果较出厂值偏大, 其中670 nm小角散射标定结果较接近于出厂值, 二者最小相差仅0.3%, 而440 nm小角散射的天空散射辐射通道标定结果偏离出厂值较大, 二者最大相差约18.9%。从标定结果可以推断, 积分球辐射源对太阳光度计天空散射辐射通道的标定具有较好的可行性和可信度, 然而标定值与出厂值存在一定的偏差。根据太阳光度计的实际使用情况, 由于长期架设在野外观测, 导致滤光片老化或一些大气中的气溶胶颗粒物可能会落在传感器内部的滤光片上, 这样就可能使得探测器接收到的辐射量E变小, 由式 (1), (2) 可知探测器接收到的辐射量E与D_c值线性相关, 即太阳光度计测得的D_c值减小。再根据式 (3), D_c值变小时, 待标仪器天空散射辐射通道标定系数C₂变大; 其他波段标定值略小于出厂值的可能原因是滤光片在传感器内部长期转动使用, 致使一些波段的滤光片在转动过程中受到不同程度的磨损, 这样光线在进入该波段的滤光片时, 不仅仅是该波段的光线, 而且还包括其他波段的, 这样就会使得太阳光度计测得的该波段的辐射量偏大, 即D_c值偏大, 根据式 (1) 可知, 待标仪器天空散射辐射通道标定系数C₂就会偏小。这种解释还有待以后作进一步的实验验证。

表 3

表 3 积分球辐射源辐射标定参数 Table 3 Comparisons of calibration coefficients of the sky scattering radiation channels of the calibrated sunphotometer between this calibration and original calibration

表 3 积分球辐射源辐射标定参数 Table 3 Comparisons of calibration coefficients of the sky scattering radiation channels of the calibrated sunphotometer between this calibration and original calibration

图 1

图 1. 积分球辐射源天空散射辐射通道出厂值与标定值对比 Fig 1. Comparisons of calibration coefficients of the sky scattering radiation channels of the calibrated sunphotometer between the calibration and original calibration

图 2

图 2. 积分球辐射源天空散射辐射通道标定值偏离出厂值的比值 Fig 2. Ratios of calibration coefficients of the sky scattering radiation channels of the calibrated sunphotometer between the calibration and original calibration

2007年3月28日—4月9日在北京西郊灵山自然风景区进行了CE318型太阳光度计野外太阳直接辐射通道标定, 灵山风景区位于40°02.96′N, 115°29.76′E, 在北京西郊门头沟区的西北端, 与河北省涿县交界处, 距北京122 km, 其主峰海拔2303 m, 是北京的第一高峰。观测场位于主峰东北方向约5 km处的自动气象站, 气象站周围地面较平坦, 没有人为污染源排放, 大气中气溶胶含量较低。

野外观测场标定的流程主要包括如下几个步骤:按要求先将太阳光度计架设在地面较平坦, 四周开阔的观测场内; 将当地的经纬度、时间输入到控制箱内, 检查仪器是否能够自动对准并跟踪太阳; 然后分别用自动和手动两种方式进行扫描观测。自动观测扫描包括太阳直接辐射和天空散射辐射, 时间间隔主要是以当地的大气质量数为标准。手动观测仅测量不同波段的太阳直接辐射, 时间间隔设定为2 min。

野外标定观测数据同室内测量一样, 需要进行数据质量控制。从太阳直接辐射的数据可以看出, 在晴好无云的稳定大气条件下, 其值应该随着太阳天顶角的增大逐渐增加, 如果出现波动或者曲线不光滑, 可能是太阳光度计的进光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。标定所采用的太阳直接辐射值选择较均匀、无明显波动的数据^[22], 标定当日 (2007年4月8日) 测得的各特征波段太阳直接辐射值所有波段测值基本均匀。数据质量的好坏还可以通过查看当日的气溶胶光学厚度日变化进行判断, 如果标定当日340 nm处的气溶胶光学厚度在0.2左右, 且没有明显的波动, 则认为较适合在这种天气条件下进行太阳直接辐射通道标定。标定当日各特征波段气溶胶光学厚度如图 3所示, 在观测前期大气气溶胶光学厚度基本保持不变, 较均匀, 而在观测后期有一定的波动, 在计算待标仪器的标定系数时, 需要将这些数据剔除。

图 3

图 3. 2007年4月8日灵山观测场大气气溶胶光学厚度 Fig 3. Aerosol optical depth at Lingshan observation station on April 8, 2007

由于待标仪器是极化式太阳光度计, 而标准仪器没有极化轨道, 因此在做相对标定时, 无法标定3个极化通道, 只能标定1020 nm, 870 nm, 670 nm和440 nm等4个通道。另外936 nm波段不在本文讨论的范围内, 有待以后再作进一步研究。通过标准仪器相对标定法及Langley法得到的太阳直接辐射通道标定系数发现:两种方法得到的标定结果均大于出厂时给定的标定系数, Langley法偏离出厂值的幅度要明显大于标准仪器相对标定法的结果, 如表 4及图 4, 5所示。标准仪器相对标定法在4个波段的标定结果偏离出厂值的幅度均在4%左右。考虑到仪器本身的系统误差、标准仪器与待标仪器之间的差异、天气及人为因素, 这种标定结果在误差允许的范围内, 是可以接受的。Langley法的标定结果除了在870P3波段Langley法得到标定结果小于出厂值, 其他波段均大于出厂值, 其他波段的标定结果偏离出厂值的幅度也都在10 %左右, 这种标定结果就在误差允许范围之外了。造成Langley法偏离出厂值较大的原因是可能标定当日的天气条件并不完全符合Langley法标定所要求的天气条件, Langley法对天气条件要求较为苛刻, 找到真正符合其要求的天气很困难。标定当日观测场以西北风偏多, 风力较大。另外野外标定场北距张家口市100 km左右, 可能会将一些污染物带到标定场, 以上这些因素就可能导致标定当日大气状态不是十分稳定, 从而致使Langley方法标定结果偏离出厂值较大。

表 4

表 4 待标仪器太阳直接辐射通道标定值与出厂值对比 Table 4 Comparisons of calibration coefficients of the sun direct radiation channels of the calibrated sunphotometer between the calibration and original one

表 4 待标仪器太阳直接辐射通道标定值与出厂值对比 Table 4 Comparisons of calibration coefficients of the sun direct radiation channels of the calibrated sunphotometer between the calibration and original one

图 4

图 4. 太阳直接辐射通道两种标定结果与出厂值对比 Fig 4. Comparisons of calibration coefficients of the sun direct radiation channels of the calibrated sunphotometer between the two calibrations and original one

图 5

图 5. 太阳直接辐射通道两种标定结果偏离出厂值的比值 Fig 5. Ratios of calibration coefficients of the sun direct radiation channels of the calibrated sunphotometer between the two calibrations and original one

标准仪器相对标定法和Langley法得到的标定系数均大于出厂值, 造成这种结果的另外一个可能原因是待标仪器在野外台站已运行了2年左右, 而且是连续不间断的观测, 传感器头内部滤光片可能已经老化或受到磨损, 在进行辐射观测时, 进入某一波段滤光片的光线不仅仅只包括该波段的, 还可能包括其他波段的辐射, 这就使得探测器测得的辐射值大于该波段的辐射值, 从而D_c值也就随之偏大。由式 (4) 可知, 当标准仪器的标定常数V₀₁及其测得的D_c值V₁一定时, 待标仪器测得的D_c值V₂越大, 待标仪器的标定系数V₀₂就越大。

Langley法与标准仪器相对标定法的比较: ①天气条件, Langley法是根据太阳光度计当天观测的电信号值外推到大气外界大气质量数为零时的电信号值, 因此对天气条件要求严格^[23], 其受天气条件的影响要明显大于标准仪器相对标定法, 很难找到天气晴好, 无云, 大气稳定的理想洁净天气条件^[24]; ②观测仪器, 在用Langley法作太阳光度计太阳直接辐射通道标定时, 不需要标准仪器作为参考, 因此不会受到标准仪器的限制; 而相对标定法则会受到标准仪器自身系统误差的影响^[25]。这样, 定期对标准仪器采用Langley法在大气条件稳定的情况下进行标定, 然后运用相对标定法, 将标准仪器与待标定仪器进行同时观测, 标定出待标仪器的标定系数, 从而可以保证待标仪器的精度。

通过此次实验, 初步探索出了一套CE318型太阳光度计的室内和野外标定方法并进行了实际操作, 主要结论如下:

1) 可以利用积分球辐射源对天空散射辐射通道进行标定, 标定结果的偏差与出厂值相差5%左右, 在误差允许的范围之内。

2) 对于太阳直接辐射通道的标定, Langley法和标准仪器相对标定法的标定结果均大于出厂值, 其中相对标定法标定结果要优于Langley法的标定结果。

3) 天空散射辐射通道的标定结果普遍小于出厂值, 而太阳直接辐射通道的标定结果多数大于出厂值, 说明滤光片可能老化严重, 需要对仪器的滤光片进行更换并重新进行标定。

4) 结合利用积分球辐射源对太阳光度计进行天空辐射室内标定, 运用严格的Langley法对标准仪器进行标定, 最后运用标准仪器对待标仪器进行相对标定, 可以初步满足中国气象局气溶胶光学特性观测网的标定需求, 也将有利于今后提高大气气溶胶光学特性反演结果的准确性。

另外, 考虑到国家卫星气象中心的积分球辐射源已经较长时间没有标定了, 故希望将标定后的CE318型太阳光度计送到中国计量科学院等权威部门作进一步标定检验。