地物光谱仪测算大气气溶胶光学厚度方法

引言

大气气溶胶是指悬浮在大气中的微小颗粒物构成的多分散体，其尺度范围约在0．001～10μm之间。大气气溶胶对全球气候有重要的影响：它通过对太阳辐射和红外辐射的吸收和散射，造成地一气系统辐射收支的改变，而通过改变云的微物理特性，影响全球的地表平均温度，并以吸收和散射方式与辐射发生作用，直接干扰了光学遥感器接收的信号。因此，精确测量分析气溶胶的光学厚度，对于了解气候变化。去除遥感数据中大气影响，提高遥感定量应用水平都具有重要意义。者利用地物光谱仪对太阳辐射进行测量，并反演出不同波段的气溶胶光学厚度。研究结果表明，通过测量太阳直射光辐射和天空光漫辐射进行大气气溶胶光学厚度的反演是有效和可靠的。

理论与方法

大气光学厚度是与波长有关的量，其与太阳直射光谱辐照度的关系为：

其中：E0λ是在日地平均距离上大气外界的太阳光谱辐照度，B为到达地面的太阳直射光谱辐照度，m为大气质量数，b为大气总光学厚度。c为测量时刻的日地距离，可由下式计算：

式中J为一年中第几天的数值。对方程(1)两端取对数得：

由于地物光谱仪测得的是水平参考板在垂直方向的反射，即太阳直射辐射在竖直方向的分量

θ为太阳直射光线与水平参考板法线的夹角，则方程(1)可写为

相应的方程(3)可写为：

由(5)式可以看出只要测得两个不同时刻的太阳直射辐射即可得到大气总光学厚度。但实际测量一般要求结果表示的是一个过程，即要避免大气瞬间变化的影响，特别是肉眼观察不到的高云变化。对遥感应用来说。观测至少是从大气质量6开始到观测地区所能达到的最小值附近，或反之。

地面观测实验

测量要求在大气比较稳定的时段内，每个测量过程分为两部分，包括用挡板挡掉太阳直射辐照的漫射辐照度和在无遮挡的情况下的总辐照度，后者与前者之差即太阳直射光谱辐照度。

图1实验观测示意图

先将仪器按图1左图架好，将参考板平放在地面上，探头固定在三角架上，调整探头方向使其垂直于参考板所在平面，自然光照射时测量一次太阳总辐照度，记为E；然后迅速用挡板遮住太阳直射光使阴影盖过参考板(图1右)，再测一次太阳漫射辐照度，记为Es；两者之差E—Es；即太阳直射光谱辐照度。

测量过程中应注意：

保持探头不动，以防改变光线进入探头的入射角；

每次测量记录三条光谱曲线(每隔0．1秒采集一条曲线)，计算时取三条曲线的平均值，以避免偶然误差对结果的影响；

测量人员应着深色衣服，并尽可能远离参考板；

测量地点应选择远离高层建筑物的空旷地。

将测量数据按式(5)进行Langley—Plot拟合，从而获得了大气总光学厚度，图2是440 nm处的Langley—Plot拟合曲线，其拟合偏差为0．005 6，直线斜率的绝对值0．5501即440 nm处大气总光学厚度。表2是大气总光学厚度及其拟合偏差。拟合偏差为残差平方与总离差平方和的比值，可用下式计算：

图2 440m出Langley-Plot拟合曲线

式中：ERR为拟合偏差；y为实际观测值

结果验证

利用6S(Second sjmulation of the Satellite Signal in theSolar Spectrum)辐射传输模型对当天的大气进行模拟，以对本实验方法的可行性进行验证。6s是由Tanre等人在假设均一地表的前提下，描述了非朗伯反射地表情况下的大气影响理论，合理地处理了大气散射、大气吸收等过程，具有广泛的应用。6s模型提供了七种大气模式和三种用户自定义大气模式，考虑到观测点的地理位置(南京)与观测时间(4月9日)，选择中纬度夏季大气模式。6s还提供了八种气溶胶模式和四种用户自定义气溶胶模式，选择大陆型气溶胶模式，最后得到各个波段的气溶胶光学厚度，并与由实测得到的结果进行比较．见表3。从表3可以看出由ASD FieldSpec—FR实测值反演得到的值与6S模拟值之间的最高偏差为6％。

图3 气溶胶光学厚度与波长关系曲线

表3 利用光谱仪测算气溶胶光学厚度与6S模拟气溶胶光学厚度比较

结论

通过实验研究与讨论。利用地物波谱仪进行气溶胶散射光学厚度的反演是切实可行的，可用于大气校正中气溶胶散射光学厚度的同步测量，但实验需要严格控制，以减少背景目标及参考板的非朗伯特性等因素对探测信号的不利影响。

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审核编辑黄宇