引言

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(guò)對(duì)太陽(yáng)輻射和紅外輻射的吸收和散射，造成地一氣系統(tǒng)輻射收支的改變，而通過(guò)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。者利用地物光譜儀對(duì)太陽(yáng)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(guò)測(cè)量太陽(yáng)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。

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(yáng)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(yáng)光譜輻照度，B為到達(dá)地面的太陽(yáng)直射光譜輻照度，m為大氣質(zhì)量數(shù)，b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(yáng)直射輻射在豎直方向的分量

θ為太陽(yáng)直射光線(xiàn)與水平參考板法線(xiàn)的夾角，則方程(1)可寫(xiě)為

相應(yīng)的方程(3)可寫(xiě)為：

由(5)式可以看出只要測(cè)得兩個(gè)不同時(shí)刻的太陽(yáng)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(guò)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(lái)說(shuō)。觀測(cè)至少是從大氣質(zhì)量6開(kāi)始到觀測(cè)地區(qū)所能達(dá)到的最小值附近，或反之。

地面觀測(cè)實(shí)驗(yàn)

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(guò)程分為兩部分，包括用擋板擋掉太陽(yáng)直射輻照的漫射輻照度和在無(wú)遮擋的情況下的總輻照度，后者與前者之差即太陽(yáng)直射光譜輻照度。

圖1實(shí)驗(yàn)觀測(cè)示意圖

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(yáng)總輻照度，記為E；然后迅速用擋板遮住太陽(yáng)直射光使陰影蓋過(guò)參考板(圖1右)，再測(cè)一次太陽(yáng)漫射輻照度，記為Es；兩者之差E—Es；即太陽(yáng)直射光譜輻照度。

測(cè)量過(guò)程中應(yīng)注意：

保持探頭不動(dòng)，以防改變光線(xiàn)進(jìn)入探頭的入射角；

每次測(cè)量記錄三條光譜曲線(xiàn)(每隔0．1秒采集一條曲線(xiàn))，計(jì)算時(shí)取三條曲線(xiàn)的平均值，以避免偶然誤差對(duì)結(jié)果的影響；

測(cè)量人員應(yīng)著深色衣服，并盡可能遠(yuǎn)離參考板；

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440 nm處的Langley—Plot擬合曲線(xiàn)，其擬合偏差為0．005 6，直線(xiàn)斜率的絕對(duì)值0．5501即440 nm處大氣總光學(xué)厚度。表2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2 440m出Langley-Plot擬合曲線(xiàn)

式中：ERR為擬合偏差；y為實(shí)際觀測(cè)值

結(jié)果驗(yàn)證

利用6S(Second sjmulation of the Satellite Signal in theSolar Spectrum)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(guò)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(hù)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(hù)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(jiàn)表3。從表3可以看出由ASD FieldSpec—FR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(xiàn)

表3 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

結(jié)論

通過(guò)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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審核編輯黃宇