大氣氣溶膠是指懸浮在大氣中的微小顆粒物構(gòu)成的多分散體,其尺度范圍約在0.001～10μm之間。大氣氣溶膠對(duì)全球氣候有重要的影響:它通過對(duì)太陽輻射和紅外輻射的吸收和散射,造成地-氣系統(tǒng)輻射收支的改變,而通過改變?cè)频奈⑽锢硖匦?影響全球的地表平均溫度,并以吸收和散射方式與輻射發(fā)生作用,直接干擾了光學(xué)遙感器接收的信號(hào)。因此,精確測(cè)量分析氣溶膠的光學(xué)厚度,對(duì)于了解氣候變化,去除遙感數(shù)據(jù)中大氣影響,提高遙感定量應(yīng)用水平都具有重要意義。許多直接和間接的遙感技術(shù)已用于研究氣溶膠粒子的光學(xué)和物理性質(zhì)。目前大氣氣溶膠的測(cè)量?jī)x器主要有APS氣溶膠粒子分布儀,太陽輻射計(jì)和激光雷達(dá)。激光雷達(dá)是通過發(fā)射激光束,測(cè)量氣溶膠的后向散射來得到氣溶膠的光學(xué)厚度;太陽輻射計(jì)是通過測(cè)量太陽輻射來反演整層大氣光學(xué)厚度。作者利用地物光譜儀對(duì)太陽輻射進(jìn)行測(cè)量,并反演出不同波段的氣溶膠光學(xué)厚度。研究結(jié)果表明,通過測(cè)量太陽直射光輻射和天空光漫輻射進(jìn)行大氣氣溶膠光學(xué)厚度的反演是有效和可靠的。

1理論與方法大氣光學(xué)厚度是與波長(zhǎng)有關(guān)的量,其與太陽直射光譜輻照度的關(guān)系為:

其中:E0λ是在日地平均距離上大氣外界的太陽光譜輻照度,Eλ為到達(dá)地面的太陽直射光譜輻照度,m為大氣質(zhì)量數(shù),τλ為大氣總光學(xué)厚度。c為測(cè)量時(shí)刻的日地距離,可由下式計(jì)算:

式中,J為一年中第幾天的數(shù)值。對(duì)方程(1)兩端取對(duì)數(shù)得

由于地物光譜儀測(cè)得的是水平參考板在垂直方向的反射,即太陽直射輻射在豎直方向的分量E′λ=Eλ·cosθ,θ為太陽直射光線與水平參考板法線的夾角,則方程(1)可寫為

相應(yīng)的方程(3)可寫為:

由(5)式可以看出只要測(cè)得兩個(gè)不同時(shí)刻的太陽直射輻射即可得到大氣總光學(xué)厚度。但實(shí)際測(cè)量一般要求結(jié)果表示的是一個(gè)過程,即要避免大氣瞬間變化的影響,特別是肉眼觀察不到的高云變化。對(duì)遙感應(yīng)用來說,觀測(cè)至少是從大氣質(zhì)量6開始到觀測(cè)地區(qū)所能達(dá)到的最小值附近,或反之。在大氣穩(wěn)定的條件下(τλ為一定值),進(jìn)行不同太陽天頂角的太陽直射輻射測(cè)量,將這一組數(shù)據(jù)進(jìn)行一次項(xiàng)擬合,由lnE′λ+lnsecθ-lnc與m畫直線,其斜率的絕對(duì)值就是大氣總光學(xué)厚度τλ,這種方法稱為L(zhǎng)angley-Plot法,其誤差比由兩點(diǎn)法要小得多。對(duì)于無水汽吸收的波段,大氣總光學(xué)厚度τλ可以寫成

τrλ為大氣分子(Rayleigh)散射光學(xué)厚度,τaλ為氣溶膠光學(xué)厚度,τgλ為吸收氣體(如O3和NO2)光學(xué)厚度。Rayleigh散射光學(xué)厚度可通過以下經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算:

其中:P為當(dāng)天的氣壓值,單位毫巴(mbar),P0=1013.25mbar,λ為波長(zhǎng),單位:μm。吸收氣體光學(xué)厚度τgλ在無氣體吸收波段(如440nm,870nm,1020nm)上可忽略不計(jì),即式(6)中τgλ=0,大氣總光學(xué)厚度τλ與Rayleigh散射光學(xué)厚度τrλ之差即氣溶膠光學(xué)厚度τaλ。如果假定氣溶膠粒子譜分布n(r)滿足容格(Junge)分布,即:

式中,r為粒子半徑,c、r為Junge參數(shù),c與氣溶膠濃度有關(guān),υ的變化范圍在2.0和4.0之間。在Junge氣溶膠譜類型和氣溶膠復(fù)折射指數(shù)與波長(zhǎng)無關(guān)條件下,氣溶膠光學(xué)厚度與波長(zhǎng)的關(guān)系滿足下式,

式中,k為Angstrom大氣渾濁度系數(shù),是波長(zhǎng)1μm處大氣氣溶膠光學(xué)厚度。由式(9)可知,通過測(cè)量獲得的氣溶膠光學(xué)厚度τaλ的對(duì)數(shù)(lnτaλ)相對(duì)于lnλ進(jìn)行線性擬合,可以求出υ、k值,繼而可推算出任意波長(zhǎng)上的氣溶膠光學(xué)厚度。

2地面觀測(cè)實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)利用便攜式地物光譜儀進(jìn)行試驗(yàn)。儀器探頭視場(chǎng)角有25°和5°,本次實(shí)驗(yàn)采用5°探頭,以防止探測(cè)范圍超出參考板而對(duì)結(jié)果造成影響,實(shí)驗(yàn)狀況如圖1所示。測(cè)量要求在大氣比較穩(wěn)定的時(shí)段內(nèi),每個(gè)測(cè)量過程分為兩部分,包括用擋板擋掉太陽直射輻照的漫射輻照度和在無遮擋的情況下的總輻照度,后者與前者之差即太陽直射光譜輻照度。

圖1實(shí)驗(yàn)觀測(cè)示意圖

測(cè)量時(shí)間選擇2004年4月9日12:00～17:00,每隔6分鐘完成一個(gè)測(cè)量過程,共收集了438條光譜曲線,測(cè)量地點(diǎn)位于南京大學(xué)一空曠地,118.77°N,32.05°E,當(dāng)天大氣穩(wěn)定,晴朗無云,能見度約20km,風(fēng)力2～3級(jí)。先將儀器按圖1左圖架好,將參考板平放在地面上,探頭固定在三角架上,調(diào)整探頭方向使其垂直于參考板所在平面,自然光照射時(shí)測(cè)量一次太陽總輻照度,記為E;然后迅速用擋板遮住太陽直射光使陰影蓋過參考板(圖1右),再測(cè)一次太陽漫射輻照度,記為Es;兩者之差E-Es即太陽直射光譜輻照度。測(cè)量過程中應(yīng)注意:(1)保持探頭不動(dòng),以防改變光線進(jìn)入探頭的入射角;(2)每次測(cè)量記錄三條光譜曲線(每隔0.1秒采集一條曲線),計(jì)算時(shí)取三條曲線的平均值,以避免偶然誤差對(duì)結(jié)果的影響;(3)測(cè)量人員應(yīng)著深色衣服,并盡可能遠(yuǎn)離參考板;(4)測(cè)量地點(diǎn)應(yīng)選擇遠(yuǎn)離高層建筑物的空曠地。將測(cè)量數(shù)據(jù)按式(5)進(jìn)行Langley-Plot擬合,從而獲得了大氣總光學(xué)厚度,圖2是440nm處的Langley-Plot擬合曲線,其擬合偏差為0.0056,直線斜率的絕對(duì)值0.5501即440nm處大氣總光學(xué)厚度。表1是大氣總光學(xué)厚度及其擬合偏差。擬合偏差為殘差平方與總離差平方和的比值,可用下式計(jì)算:

圖2440nm處Langley-Plot擬合曲線

式中:ERR為擬合偏差;y為實(shí)際觀測(cè)值,即lnE′λ+lnsecθ-lnc;y為實(shí)際觀測(cè)值的樣本均值;y為因變量（大氣質(zhì)量m）的理論回歸值（或稱預(yù)測(cè)值）。

表1幾種波長(zhǎng)處的大氣總光學(xué)厚度及擬合偏差

利用從南京氣象局獲得當(dāng)天的氣壓值,由式(7)計(jì)算Rayleigh散射光學(xué)厚度,大氣總光學(xué)厚度與Rayleigh散射光學(xué)厚度之差即氣溶膠光學(xué)厚度,由式(9)推算出任意波長(zhǎng)的氣溶膠光學(xué)厚度。圖3為氣溶膠光學(xué)厚度與波長(zhǎng)的關(guān)系曲線。

3結(jié)果驗(yàn)證利用6S(SecondSimulationoftheSatelliteSignalintheSolarSpectrum)輻射傳輸模型對(duì)當(dāng)天的大氣進(jìn)行模擬,以對(duì)本實(shí)驗(yàn)方法的可行性進(jìn)行驗(yàn)證。6S是由Tanre等人在假設(shè)均一地表的前提下,描述了非朗伯反射地表情況下的大氣影響理論,合理地處理了大氣散射、大氣吸收等過程,具有廣泛的應(yīng)用。6S模型提供了七種大氣模式和三種用戶自定義大氣模式,考慮到觀測(cè)點(diǎn)的地理位置（南京）與觀測(cè)時(shí)間（4月9日）,選擇中緯度夏季大氣模式。6S還提供了八種氣溶膠模式和四種用戶自定義氣溶膠模式,選擇大陸型氣溶膠模式,最后得到各個(gè)波段的氣溶膠光學(xué)厚度,并與由實(shí)測(cè)得到的結(jié)果進(jìn)行比較,見表2。從表2可以看出由便攜式地物光譜儀實(shí)測(cè)值反演得到的值與6S模擬值之間的最高偏差為6%。

圖3氣溶膠光學(xué)厚度與波長(zhǎng)關(guān)系曲線

表2利用光譜儀測(cè)算氣溶膠光學(xué)厚度與6S模擬氣溶膠光學(xué)厚度比較

4誤差分析

（1）用便攜式地物光譜儀難以從一次測(cè)量中獲得太陽直射光譜輻照度,而是先測(cè)一次總輻照度,然后用擋板遮住入射到參考板上的直射光測(cè)得漫射輻射度,兩次測(cè)值之差即太陽直射光譜輻照度。在實(shí)驗(yàn)中,背景目標(biāo)對(duì)探測(cè)信號(hào)有一定影響。Kimesetal.(1983)利用輻射傳輸模型計(jì)算了在不同的太陽天頂角、實(shí)驗(yàn)人員分別著白色和黑色服裝時(shí)的誤差。他們發(fā)現(xiàn)當(dāng)實(shí)驗(yàn)人員著黑色服裝、距離目標(biāo)0.5m時(shí),反射率測(cè)量誤差在所有太陽天頂角均小于2%;而若觀測(cè)者著白色服裝,太陽天頂角為75°時(shí),該誤差在近紅外和紅外波段分別高達(dá)15%和18%。當(dāng)觀測(cè)者遠(yuǎn)離被測(cè)目標(biāo)時(shí),該誤差將會(huì)很快減小。鑒于以上考慮,在測(cè)量時(shí)將三角架腿用黑布包住,所有的測(cè)量人員均著黑色服裝,并且離參考板的距離大于1m,因此,此項(xiàng)誤差可以忽略。

（2）6S輻射傳輸模型實(shí)際上是對(duì)大氣狀況的一種模擬,其內(nèi)部設(shè)定了大量的參數(shù)供用戶選擇,在具體大氣參數(shù)未知的情況下給用戶提供了很大方便,比如當(dāng)選定中緯度夏季氣溶膠模式時(shí),其內(nèi)部就提供了不同高度的壓力、溫度、水汽和臭氧含量,但這些參數(shù)都是通過多次統(tǒng)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)方法得到的,必然與實(shí)際的大氣參數(shù)之間存在誤差,這也是造成實(shí)測(cè)值與6S模擬值相對(duì)偏差較大的原因之一。（3）還應(yīng)注意的是在計(jì)算任意波長(zhǎng)的氣溶膠光學(xué)厚度時(shí),假定大氣氣溶膠粒子譜分布符合容格分布,容格譜分布是在對(duì)相對(duì)干凈的對(duì)流層大氣氣溶膠和平流層氣溶膠進(jìn)行大量觀測(cè)的基礎(chǔ)上總結(jié)出來的,它只適用于半徑大約為0.1～2μm范圍的干凈大氣氣溶膠。對(duì)城市污染大氣,特別是以燃煤為主要能源的城市污染大氣,容格譜是不適用的,尤其是不能用于整個(gè)氣溶膠粒子尺度范圍。

5結(jié)論

通過實(shí)驗(yàn)研究與討論,利用地物波譜儀進(jìn)行氣溶膠散射光學(xué)厚度的反演是切實(shí)可行的,可用于大氣校正中氣溶膠散射光學(xué)厚度的同步測(cè)量,但實(shí)驗(yàn)需要嚴(yán)格控制,以減少背景目標(biāo)及參考板的非朗伯特性等因素對(duì)探測(cè)信號(hào)的不利影響。

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審核編輯 黃昊宇