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太陽輻射計和高分辨率大氣透過率計算軟件進(jìn)行整層大氣透過率反演的方法。
背景技術(shù)：
太陽輻射計是以太陽為光源，測量經(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。美國NASA利用法國CIMEL公司生產(chǎn)的CE318型太陽輻射計建立了大氣氣溶膠自動觀測網(wǎng)AER0NET，在全球范圍內(nèi)布設(shè)了 180多個地基太陽輻射計，主要用于大氣氣溶膠輻射氣候研究，也對衛(wèi)星系統(tǒng)遙感分析結(jié)果提供支撐和驗證。中國氣象局在全國范圍內(nèi)建設(shè)大氣氣溶膠光學(xué)特性監(jiān)測網(wǎng)CARSNET，其目的是為了系統(tǒng)觀測和研究中國區(qū)域大氣氣溶膠光學(xué)特性，為沙塵暴監(jiān)測、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)。國內(nèi)安徽光學(xué)精密機械研究所、國家氣象局等單位利用地基太陽輻射計進(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)厚度測量以及對儀器特定波段的相關(guān)反演，而對整層大氣透過率的測量以及反演某個特定波長大氣透過率方面的研究較少。通常多波長太陽輻射計所測量波段在紫外、可見和近紅外光譜范圍，而中紅外區(qū)域測量較可見光測量要復(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)而計算得到所需波長的整層大氣透過率。該方法適用于紫外、可見以及紅外波長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的整層大氣透過率反演方法。假設(shè)太陽輻射計可以同時測量η個波長(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測量所得到η個波長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)與埃斯屈朗波長指數(shù)。利用擬合結(jié)果計算反演波長的大氣氣溶膠光學(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。利用太陽輻射計測量經(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)行的多波長反演，給出其它波長的整層大氣透過率，包括如下步驟(1)利用太陽輻射計測量單波長的整層大氣氣溶膠光學(xué)厚度，所選擇的波長介于 340nm至1640nm之間，優(yōu)選介于400nm至1020nm之間，且所選擇的波長的大氣分子吸收較小，可以忽略；(2)通過測定的數(shù)據(jù)反演其它波長的整層大氣氣溶膠光學(xué)厚度，所述的其它波長包括紫外、可見和/或紅外波長；(3)利用瑞利散射光學(xué)厚度計算公式結(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)明的一個優(yōu)選實施方式中，上述步驟(3)中所使用的軟件是高分辨率大氣透過率計算軟件，例如PcLnWin或FASC0DE。在本發(fā)明的一個優(yōu)選實施方式中，上述利用軟件計算大氣分子光學(xué)厚度時，按本地實際測量結(jié)果輸入相關(guān)大氣參數(shù)。在本發(fā)明的一個優(yōu)選實施方式中，使用步驟(1)的方法測定多個符合條件的波長所對應(yīng)的整層大氣氣溶膠光學(xué)厚度，所述的多個是指4-8個，優(yōu)選是3-4個。在本發(fā)明的一個優(yōu)選實施方式中，上述步驟(3)中結(jié)合模式大氣或本地實際測量計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結(jié)合相關(guān)模式或本地實際測量結(jié)果及吸收光學(xué)厚度計算軟件實現(xiàn)在紫外、可見以及紅外波段的整層大氣透過率反演，解決了在寬光譜測量激光整層大氣透過率的問題。
具體實施例方式根據(jù)Bouguer定律，在地面測得的給定波長太陽直射輻射E (W/m2)為Ε(λ ) = Ε0(λ ) · R · exp(_m( θ ) · τ (λ )) · Tg(1)式中是在一個天文單位(AU)距離上的大氣上屆波長λ處的太陽直射光譜輻照度；R是測量時刻的日地距離修正因子(R= (rm/r)2，r為觀測時實際的日地距離；rm 為日地平均距離)；πι(θ)是相對大氣質(zhì)量(又稱大氣質(zhì)量數(shù))，θ為觀測時刻太陽天頂角； τ (λ)是波長λ處大氣垂直方向總光學(xué)厚度；Tg為吸收氣體透過率，實際測量時，一般太陽輻射計的測量波長均選在氣體分子吸收可以忽略的波長，所有Tg = 1。太陽直射輻射數(shù)據(jù)在太陽輻射計的測量結(jié)果中表現(xiàn)為儀器的輸出電壓，測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)是太陽輻射計對應(yīng)于λ)的測量電壓值，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量電壓數(shù)據(jù)ν(λ)結(jié)合上式計算垂直方向總光學(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)行計算
T(A) = exp (- τ ( λ ))(4)通過以上分析，可以計算儀器測量波長的整層大氣透過率?？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)對于儀器測量波長，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Iym處的大氣氣溶膠光學(xué)厚度，波長指數(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)模式大氣或本地實際測量結(jié)果計算分子瑞利散射光學(xué)厚度。對大氣分子吸收光學(xué)厚度，可利用高分辨率大氣透過率計算軟件(例如PcLnWin 或FASC0DE等)進(jìn)行計算，再通過( 式得到總的光學(xué)厚度，進(jìn)而計算反演波長的整層大氣透過率。為了驗證本發(fā)明的方法，通過實測和反演分別計算整層大氣透過率，反演結(jié)果如

圖1和2所示，其中圖1中為波長440nm、670nm、1020nm時的氣溶膠光學(xué)厚度(Aerosol Optical Depth)實測結(jié)果數(shù)據(jù)，以及波長440nm、532nm、670nm、1020nm、1064nm時光學(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440nm、 670nm、1020nm時的大氣透過率(Transmittance)實測結(jié)果數(shù)據(jù)，以及波長440nm、532nm、 670nm、1020nm、1064nm時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532nm時的氣溶膠光學(xué)厚度和大氣透過率為內(nèi)插結(jié)果， 波長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測數(shù)據(jù)基本一致的結(jié)果。當(dāng)理解的是，對本領(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)行的多波長反演，給出其它波長的整層大氣透過率，包括如下步驟(1)利用太陽輻射計測量不少于兩個波長的整層大氣氣溶膠光學(xué)厚度，所選擇的波長介于;340nm至1640nm之間，優(yōu)選介于400nm至1020nm之間；(2)通過測定的數(shù)據(jù)反演其它波長的整層大氣氣溶膠光學(xué)厚度，所述的其它波長包括紫外、可見和/或紅外波長；(3)利用瑞利散射光學(xué)厚度計算公式結(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的整層大氣總光學(xué)厚度，進(jìn)而得到特定激光波長的整層大氣透過率。
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算大氣分子光學(xué)厚度時，按模式大氣或本地實際測量結(jié)果輸入相關(guān)大氣參數(shù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3任意一項所述的反演方法，其特征在于使用步驟(1)的方法測定多個符合條件的波長所對應(yīng)的整層大氣氣溶膠光學(xué)厚度，所述的多個是指4-8個，優(yōu)選是3-4個。
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際測量結(jié)果的計算得到光學(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測量整層大氣氣溶膠光學(xué)厚度，反演得到其它波長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結(jié)合相關(guān)大氣模式或本地大氣實測數(shù)據(jù)及高分辨率大氣吸收光學(xué)厚度計算軟件實現(xiàn)在紫外、可見以及紅外波段的整層大氣透過率反演，解決了在寬光譜測量激光整層大氣透過率的問題。
文檔編號G01N21/59GK102565007SQ201110428999
公開日2012年7月11日 申請日期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, 強希文, 李巖, 李志朝, 羅振瑩 申請人:中國人民解放軍63655部隊