1997 年6 月R E M O T E SEN S I N G T ECHN O L O GY A N D A P P L IC A T I O N J u n. 1997 大气光谱光学厚度测量方法研究王喜世闵祥军吴荣王先华何积泰 朱永豪Ξ
(中国科学院安徽光学精密机械研究所合肥230031)
摘要为满足辐射校正场同步观测的需要, 寻求一种能以简便的操作、较高的精
度测量大气光谱光学厚度的观测方法是必要的。在合肥用地物光谱辐射计V F 9212
256 和太阳辐射计 D T F 21 进行了为期几天的同步测量, 经分析比较, 发现V F 9212
256 与D T F 21 的测量结果之间存在1%～4% 的相对偏差。这一偏差不但取决于光谱辐射计的测量误差, 而且与太阳辐射计的标定误差也有一定关系。从V F 9212256 数据的L an g l ey P l o t 拟合结果来看, 其标准偏差小于0103。因此, 应用光谱辐射计
测量大气光谱光学厚度的辐照度基法, 可以用于辐射校正中对大气光谱光学厚度
的同步测量。此外, 我们利用光学厚度信息反演了气溶胶谱分布、臭氧和水汽的柱
总量。
引言
1
自从E lte rm an (1964) 提出并发展了一种基于分子和气溶胶散射以及O 3 吸收的大气消光模型以来, 大气衰减测量的方法和仪器都得到了不断的完善和改进。大气光谱光学厚度被认为是大气特性中唯一一个不依赖于大气精细结构的参数, 因而得到了人们的普遍重视和应用。此外, 随着遥感数据的定量化以及卫星传感器辐射定标技术的不断发展, 要求不断改进大气光谱光学厚度的测量仪器和完善其测量方法, 因为大气光谱光学厚度是辐射校正算法中必不可少的输入参量(如图1 所示)。因此, 寻求一种能以简便的操作、较高的精度测量大气光谱光学厚度等光学参量的观测方法, 以满足辐射校正同步观测的需要, 具有十分重要的意义。
许多大气衰减测量的出发点是对大气光谱光学厚度的测量, 因为它可以提供以下几种应用: ①有助于研究气溶胶的变化及其对气候的影响; ②反演气溶胶谱分布; ③获取水汽和臭氧的柱总量; ④配合处理在轨卫星传感器数据, 以获取地面反射率和其它地学参数; ⑤应用辐射传输码对在轨传感器进行飞行后校正; ⑥进行数据验证。
采矿与安全工程学报
实际上, 太阳辐射计作为测量大气光谱光学厚度的一种常规仪器, 无论从仪器本身还是第一作者简介: 王喜世, 男, 1969 年出生, 硕士, 攻读方向为光学遥感。activex控件是什么
Ξ
收稿日期: 1996212225 收修改稿: 1997202207
第 2 期 王喜世等: 大气光谱光学厚度测量方法研究 9
从算法实现, 都已得到了较好的发展和完善。用地物光谱辐射计 (辐射照度法) 测量大气光谱 光学厚度, 也有人作过这方面的研究工作。为了进一步探讨辐射照度法在辐射校正同步测量 方面的可行性及其测量精度, 我们在安徽合肥 ( 31°18′36″N , 117°10′12″E ) 对地物光谱辐射计
V F 9212256 和太阳辐射计D T F 21 进行了
“同步”观测研究, 获取了各天的大气整体光学厚度 和各光谱光学厚度值, 并反演了气溶胶谱分布、臭氧和水汽柱总量等参量, 同时对辐射照度 基法和太阳辐射计法的测量结果进行了初步的比较和分析。
图 1 大气辐射校正算法流程图
2 野外测量和数据处理
211 测量条件描述
我们共进行了为期 3 个整天和 2 个半天的野外测量, 收集了 418 条光谱曲线, 测量时的
表 1 VF921- 256 和 D TF - 1 同步测量实验记录 测量日期
实测时间
光谱条数
天 气 状 况
大气稳定、晴朗无云、能见度< 15 km 、 风力 2～ 3 级 大气不太稳定、有薄
云出现、能见度 < 10 km 、风力 3 级左右 晴朗、无云、无风、能见度< 20 km 、16∶00 后有薄云出现 晴空无云、大气稳定、能见度< 15 km 、 微风
晴朗、无云、能见度< 10 km 、风力 2～ 3 级, 下午时有薄云出现
96. 4. 23 7∶13～ 11∶30, 13∶39～ 17∶00
122 7∶00～ 11∶40 96. 4. 24 74 14∶00～ 16∶00
96. 10. 28
62 96. 11. 18 9∶30～ 11∶50, 13∶20～ 16∶00 80 96. 11. 20 9∶00～
11∶30, 13∶30～ 16∶20 130
遥感技术与应用第12 卷
10
天气状况见表1。太阳辐射计D T F 21 因考虑到微机等辅助设备移动的不便, 是安放在中国科学院安徽光学精密机械所三层实验室窗台上工作的, 而地物光谱辐射计V F 9212256 是
安放在中国科学院安徽光学精密机械所七层楼顶进行工作的, 因而两台仪器的测量数据基本
满足我们“同时、同地”同步比较的要求。图2 给出了V F 9212256 的测量示意图。
V F 9212256 型便携式地物光谱辐射计是由安徽光学精密机械研究所自行研制的高智能型野外光谱测量仪器, 具有较高的光谱分辨率和等效噪声辐射度, 采样速度快、重量轻、功耗低、操作简单、存储容量大等特点。该仪器主要由多仪部分和控制部分组成, 多仪部分主要包括光学器件、CCD 器件和
前置放大器。控制部分主要包括C PU 、A /D 转换、液晶显示、充电器和便携式计算机等附件。其主要技术指标见表2。
D T F 21 型太阳辐射计也是安光所研
制的适用于一般条件下的野外测量仪
器, 基本部分为跟踪台、控制机箱和电源
刘怀元
箱。主要技术指标: ( 1) 四象限自动跟踪
太阳, 跟踪精度可达±115′角; ( 2) 分光系
统采用8 块干涉滤光片, 分光测量的周农业生产资料管理办法
期约8 s, 接收视场角为1°, 接收光谱范
围为0. 3～1. 1 Λm ;( 3) 辐射探测元件采
用加热式温度控制, 温控误差为±1℃,
且温度可调; ( 4) 放大器增益自动调节分
于2% ; (5) 采用12 b i t A /D 转换板, 非线图2VF921- 256 测量示意图
性误差小于1% , 最小转换时间为30 Λs。
表2VF921- 256 的主要技术指标
项目技术指标
光谱分辨率光谱范围视场角2. 74 nm
0. 4～1. 0 Λm
7. 5°
12 b it
50 m s< 测1 条光谱曲线时间< 1s RAM 256 k b，可容纳496 条曲线12 V 、6 W 、一次充电可使用5 h
多仪部分0175 k g, 控制部分6 k g 多仪部分55×100×140 m m 3
控制部分200×310×240 m m 3
精度测量速度
内功存耗
仪器重量
尺寸
212 基本原理
若假定测量期间大气稳定且路径均一, 则由L am b e r t定律可知, 到达地面的波长为Κ的太阳辐射强度I (Κ) 为:
I 0 (Κ) e- Σt (Κ)m
I (Κ) = (1)
第2 期王喜世等: 大气光谱光学厚度测量方法研究11
式中m 为大气光学质量, 可由经验公式(2) 式求得。I0( Κ) 是大气层顶处的太阳入射强度, I (Κ) 为到达地面的太阳辐射值, 可由辐射计探测获取。
2
1. 002432 c o s Η+ 0. 148386 c o sΗ+ 0. 0096467
m (Η) = (2) co s3 Η+ 0. 149864 co s2 Η+ 0. 0102963 co sΗ+ 0. 000303978
式中Η为太阳天顶角。于是, 应用L an g l ey2P l o t 法可得大气总体光谱光学厚度值。L an g ley2
P l o t 法拟合公式为: l n V (Κ) + l n secΗ= l n V
0 (Κ) - Σt (Κ)m
上式中ln secΗ项为对V F 9212256 测量数据的余弦校正项。
213 测量结果
(3)
我们对各天的测量数据进行了L an g l ey2P l o t 拟合, 从而获得了各天的总体光谱光学厚度值。从处理结果看, 除4 月24 日上午和11 月20 日下午的数据离散度比较大外(标准偏差大于0108; 线性相关系数为0160～0180) , 其它各天数据的拟合误差都较小( 标准偏差小于0103; 线性相关系数大于0196)。表3
给出了1996 年4 月23 日上午的测量值。
表3 1996 年4 月23 日上午合肥地区大气光谱光学厚度测量结果
波长(nm )
测量仪器S OD
440 519 610 779 870
早晨下午0. 5501
0. 6036
论文下载0. 4119
0. 4264
0. 3405
0. 4000
0. 1928
0. 2398
0. 1553
0. 1971
可吸入颗粒物D T F 21
早晨下午0. 6093
0. 6108
0. 3609
0. 3723
0. 3250
0. 3703
0. 2044
0. 2758
0. 1921
0. 2499
V F 921
早晨下午0. 06
0. 01
- 0. 05
- 0. 05
- 0. 02
- 0. 03
0. 01
0. 04
0. 04
0. 05
相对误差
图3 给出了两个不同波长处的L an g l ey2P l o t 法拟合曲线, 图中曲线拟合的标准偏差小于0103, 相关系数大于0197。
总体光学厚度信息只能反映出大气总的消光特性, 许多理论和实验都表明, 大气不同成分和不同物理过程造成的消光效应具有线性叠加的特性〔1〕。如果选择波长位于大气窗口区以及天空无云, 则大气光学厚度主要由大气气溶胶光学厚度Σ
a
(Κ)、大气气体分子光学厚度Σr (Κ)、臭氧(或二氧化碳) 等吸收气体的光学厚度Σabs (Κ) 所组成, 即:
Σto ta l (Κ) = Σr (Κ) + Σa (Κ) + Σabs (Κ)(4)于是, 我们应用( 4) 式, 按照S. F. B i gga r e t a l1 ( 1990)〔2〕以及C a ro l J. B ru e gge e t a l1 ( 1992)〔3〕的方法对大气总体光学厚度进行分离, 从而获取气溶胶、瑞利、臭氧等的分谱光学厚度, 分离结果见表4。图4 给出了总体和各分谱光学厚度与波长的关系曲线。
3 大气光学厚度的反演应用
311 大气气溶胶粒子谱分布反演
众所周知, 气溶胶光学厚度Σ
a
(Κ) 依赖于整层大气内气溶胶的总量、尺度分布以及光折射率, 可表示为:
遥 感 技 术 与 应 用
第 12 卷
12
∞
r m
Σa (Κ
) = ∫0
d z
∫
Πr n ( r ) k ( r , Κ, m ) d r 2
(5)
r 0
图 3 L a n g l ey - P l o t 法拟合曲线 图 4 光学厚度与波长的关系曲线
表 4 VF921- 256 测大气光谱光学厚度分离结果
波长 ( Λm ) 总 体
瑞 利
气溶胶
臭 氧
0. 4860 0. 4581 0. 1872 0. 2490 0. 0219 0. 5190 0. 3609 0. 1422 0. 2187 0. 0000 0. 5600 0. 3551 0. 1034 0. 2265 0. 0216 0. 6090 0. 3250 0. 0727 0. 2141 0. 0382 0. 6610 0. 2395 0. 0514 0. 1881 0. 0000 0. 7780 0. 2044 0. 0247 0. 1697 0. 0000 0. 8320
0. 8700
0. 2052
0. 1921
0. 0193
0. 0160
0. 1737
0. 1686
0. 0121
0. 0075
式中 k 为气溶胶削弱因子, r 为粒子半径, r 0、r m 分别为粒子半径的下限和上限, n ( r ) 即为待 求的气溶胶粒子谱分布函数。
为简化计算, 在研究散射问题的气溶胶模式中, D e irm en d ji an ( 1963、1964、1969) 提出了 气溶胶谱的 Gamm a 分布函数, J u n ge (1958、1960、1963) 提出了气溶胶谱的 J u n ge 分布和对
数正态分布。W h itb y (1978)〔4〕
研究指出, 城市气溶胶可能具有三峰结构。从我们的谱分布反 演结果来看, 4 月 23 日合肥地区的气溶胶谱近似为 J u n g e 谱, 反演结果如图 5 所示。 312 大气臭氧和水汽含量反演
在已知臭氧光学厚度的情况下, 利用臭氧吸收系数, 按照 K i n g ( 1976)〔5〕的方法即可反 演得大气臭氧的柱总量, 其反演公式为:
Σo 3 (Κ, Γ) = ΓΑ
(Κ) (6)
式中 Γ、Α(Κ) 分别为臭氧柱总量和臭氧吸收系数 (可由文献查得)。气溶胶光学厚度在 612 nm
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