大气气溶胶光学特性的观测研究

杨鹏 曹江山 郝富跃

（石家庄市气象局，石家庄 050081）

大气气溶胶光学特性的观测研究

杨鹏1曹江山 郝富跃

（石家庄市气象局，石家庄 050081）

介绍了太阳辐射计对实验区气溶胶光学厚度的测量和分析原理，对测量数据进行处理研究。结果显示研究区大气洁净，气溶胶光学厚度的日间变化不大，日内变化具有以下典型特点：早晨高，从中午到傍晚有下降趋势；早晨低，从中午到傍晚有上升趋势；日变化比较平缓。550nm处气溶胶光学厚度一般为0.0896。Junge参数 值一般为3.1135，与6S常用气溶胶模式中的大陆型比较接近；Junge参数 值一般为0.0448。

大气光学；气溶胶光学厚度；Junge参数；太阳辐射计

1、引言

大气气溶胶是指大气中悬浮的半径小于几十微米的固态或液态微粒，气溶胶以吸收和散射方式与辐射发生作用，因此直接干扰了光学遥感仪器接收到的信号，精确测量和分析气溶胶的光学特性，对于了解气候变化，掌握地面的平均温度，去除遥感数据中的大气影响，提高遥感定量应用水平都具有重要意义。利用太阳辐射计测量太阳直接辐射和天空漫辐射[1]来研究气溶胶的光学特性被普遍认为是有效和可靠的。2009年12月18日至2010年1月27日在云南祥云地区进行了一次野外遥感试验，对该地区气溶胶的光学特性进行观测研究。

2、试验概况

我们利用法国CIMEL公司研制的多波段手动跟踪太阳辐射计CE317进行大气消光测量，其波段设置如表1所示，936nm和940nm两个波段位于水汽吸收带上，用于反演大气水汽总含量[2]，其余四个波段（1020nm、870nm、670nm、440nm）位于大气窗区，带宽为10nm（除940nm外，其带宽为50nm）。我们主要采用这四个通道对大气光学厚度进行反演。大气观测点位于云南省祥云地区（25.45506N，100.73716，海拔1952m），测量时间为2009年12月18日至2010年1月27日，共获得13天的数据。测量期间大气状况如表2所示。

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3、测量原理

3.1 langley法介绍

根据Bouguer定律[3]，在地面直接测得太阳辐射能

和波长的关系为

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假定气溶胶粒子谱遵循Junge分布[7]，则在Junge气溶胶谱类型和气溶胶复折射指数与波长无关时，气溶胶光学厚度与波长的关系为

工程地基液化处理采用振冲挤密碎石桩，振冲碎石桩处理范围确定为闸室基础向外各扩大5.0 m。碎石桩桩径采用0.8 m，桩距2.5 m，等边三角形布孔，桩端伸至液化土层底部，桩长15 m。桩顶和闸室基础之间铺设300 mm厚的级配碎石垫层和0.1 m厚C 15混凝土垫层。

4、数据处理

4.1 定标常数

本次试验利用Langley方法进行定标，利用12月23日测得的数据分别对每个通道的测量值进行曲线拟合，结果如表4所示，标定的曲线如图1所示，斜率的绝对值是各波段的当天的平均光学厚度。

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4.2 气溶胶光学厚度

我们利用CE317在2009年12月18日、19日、20日、23日、25日以及2010年1月4日、5日、6日、8日、9日、10日、21日、和24日所测得的数据进行反演分析，根据原理我们选用870nm、440nm的两个通道得到的光学厚度利用（7）式计算出相应时间上的平均Jungle参数和，再由和反过来计算其它波长上的气溶胶光学厚度，计算结果如表4所示，550nm气溶胶光学厚度为0.0896，Junge参数为 3.1135，为0.0448。

4.3 气溶胶光学厚度测量误差

试验中从现场测量到数据处理主要有以下几个方面的误差来源：1）大气状况不稳定；2）测量时操作误差；3）仪器自身误差；4）处理系统误差。其中大气状况不稳定带来的误差影响最大，本次试验大气测量基本在目视无云，大气状况稳定的时间段内进行，Langley拟合的相关系数都在99%以上，利用CE317手动测量保证每点测量都对准太阳。因此气溶胶光学厚度测量误差主要来源于仪器本身，CE317的误差是0.01，所以本次试验气溶胶光学厚度的误差也是0.01。

5、大气气溶胶光学特性分析

5.1 气溶胶光学厚度日内变化

由于客观原因我们只在2009年12月18日、20日、23日以及2010年1月6日进行整天长时间观测，我们就选择这四天的数据作分析，图2显示了气溶胶光学厚度在一天内不同时刻的变化。气溶胶光学厚度随波长的变化如图3所示。

从整体上看，该地区大气清洁，污染较少。气溶胶光学厚度主要有三种典型的日变化：早晨高，从中午到傍晚有下降趋势；早晨低，从中午到傍晚有上升趋势；图（a）、图（b）显示午后出现小高峰，根据当天现场试验记录，从中午开始四周天空有云生成，其它观测日数据短时间都比较平直，由此得出云南祥云地区气溶胶变化的又一特征是短时间内变化小，日变化比较平缓。

5.2 气溶胶光学厚度日间变化

在这里我们利用550nm处气溶胶光学厚度来进行分析，图4显示了气溶胶光学厚度的日间变化，由图可见2010年1月4日的气溶胶光学厚度最低，从整体来说，云南祥云地区气溶胶光学厚度日间变化不大，550nm处气溶胶平均光学厚度为0.0896。胡秀清等计算出作为中国遥感卫星辐射校正场的敦煌和青海湖区550nm处气溶胶光学厚度分别为0.12和0.18[8]，与之相比可见该地区大气清洁，大气透明度好。

5.3 气溶胶Junge参数的变化

图5显示了Junge参数 的逐日变化情况， 值大小反映了气溶胶粒子谱分布情况， 值越大表示气溶胶小粒子数密度越高， 值越小表示气溶胶大粒子数密度越高；云南祥云地区Junge参数 在3.1135附近。表5给出了6S常用的几种典型的气溶胶模式的值，比较发现云南祥云地区气溶胶模式与6S中的大陆型比较接近。图6显示了Junge参数 的逐日变化情况， 值大表示气溶胶浓度高，进而气溶胶光学厚度就大。云南祥云地区Junge参数 在0.0448附近。比较图3和图5发现Junge参数 和气溶胶光学厚度变化规律大体相似。

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6、结语

通过对这次野外试验的数据处理分析，我们对云南祥云地区气溶胶光学特性有了初步了解。该地区大气洁净，大气透明度好，气溶胶光学厚度的日间变化不大，日内变化具有以下典型特点：早晨高，从中午到傍晚有下降趋势；早晨低，从中午到傍晚有上升趋势；日变化比较平缓。550nm处气溶胶光学厚度平均为0.0896，Junge参数 值一般为3.1135，与6S常用气溶胶模式中的大陆型比较接近，Junge参数 值一般为0.0448。

[1]Holben B N, Eck T F, et al. A federated instrument network and data archive for aerosol char-acterization[J]. Remote Sens. Environ. 1998, 68∶ 1-16.

[2]Thome K J,Herman BM,Reagan J A.Determination of pricipitable water from solar transm-Ission[J].J.Apple.Meteorol.1992,31∶ 157-165.

[3]Biggar S F,Gellman D I,et al.Improved evaluation of optical depth components from Langl-ey plot data[J].Remote Sens. Environ. 1990, 32∶ 91-101.

[4]Duffie J A,Beckman W A.Solar Engineering of the Thermal Processes[M].New York∶wiley,1980.

[5]Hansen J E,Travis L D.Light scattering in planetary atmospheres[J].Space Science Rev.,1974,16∶ 527-610.

[6]Nicolet M.The solar spectral irradiance and its action in the atmospheric photodissociation p-Rocesses[J].Planet. Space Sci.,1981, 29∶ 951-974.

[7]Junge C E.The size distribution and aging of natural aerosols as determined from electrical and optical data on the atmosphere[J]. J M eteorol. 1995, 12∶13-25.

[8]Hu Xiuqing,Zhang Yuxiang.Measurements and study of aerosol optical characteristics in China radiometric calibration sites[J]. Quarterly Journal of Applied Meteorology. 2001, 12(3)∶2-57-266.

[9]胡秀清，张玉香.中国遥感卫星辐射校正场气溶胶光学特性观测研究[J].应用气象学报，2001，12(3):257-266.