太阳光度计测量气溶胶光学厚度课件

太阳光度计测量气溶胶

光学厚度刘莹莹2008202434太阳光度计测量气溶胶

光学厚度刘莹莹1

主要内容：一、太阳光度计简介二、利用太阳光度计反演气溶胶的光学厚度三、利用最小二乘法计算大气浑浊度系数(β)和Angstrom波长指数(α)主要内容：2一、太阳光度计1.太阳光度计测量气溶胶的原理2.数据格式一、太阳光度计31.1太阳光度计测量气溶胶的原理太阳光度计是目前探测大气气溶胶的一个常用且有效的监测仪器,利用它不仅能够研究气溶胶的光学特性、进行卫星遥感反演的气溶胶产品校验,而且可以获取实时、长期的观测数据。CE318型自动跟踪扫描太阳光度计,它是法国CIMEL公司制造的一种自动跟踪扫描太阳光度计。1.1太阳光度计测量气溶胶的原理太阳光度计是目前探测大气气4CE318型自动跟踪扫描太阳光度计CE318型自动跟踪扫描太阳光度计5该仪器在可见光和近红外波段共有八个观测通道，它不仅能自动跟踪太阳做太阳辐射测量，而且可以进行太阳高度角天空扫描、太阳主平面扫描和极化通道天空扫描;它能自动存储测量数据，并在测量完成后传输到计算机保存，它还可以通过DCP平台远程传输数据，实现了无人管理自动采集测量数据和远程数据传输。该仪器在可见光和近红外波段共有八个观测通道，它不仅能自动跟踪6

它的总视场角天空瞄准光筒为1.2度，太阳瞄准光筒为1.2度，其滤光片的光谱宽度和半波宽度见表2.1

法国CIMEL公司为太阳光度计专门开发研制了一套应用软件———ASTPWin,主要用于光度计安装地点参数的设置、数据的获取、传输和一些简单数据图像的处理、显示。它的总视场角天空瞄准光筒为1.2度，太阳瞄准光筒为1.27

CE318将采集数据自动存入机器内部存储单元,并通过ASTPWin软件定时传输到PC机内。CE318从早晨大气质量数为6(太阳高度角约为9°)自动开始工作,到下午大气质量数为6(日落)结束观测,并自动回到原点位置。湿度传感器控制仪器在有降水时停止工作。仪器安装、调试并开机后,仪器自动进行数据采集。数据传输间隔设置为1h,即每小时将测量数据传输到PC机内,生成一个“.K7”文件。CE318将采集数据自动存入机器内部存储单元,81.2数据格式该光度计的测量数据可直接用个人计算机直接读取，太阳和天空的测量方式可以编程，在进行资料处理时还需将仪器生成的原始文件(K7文件)用ASTPWin软件转换成ASCll文件。文件类型和表1第一列相同。1.2数据格式该光度计的测量数据可直接用个人计算机直接读9ASTPWin操作界面ASTPWin操作界面10二、利用太阳光度计反演气溶胶的

光学厚度1.反演光学厚度原理2.大气气溶胶光学厚度的日变化特征二、利用太阳光度计反演气溶胶的

光学厚度112.1反演光学厚度原理根据Beer-Lambert-Bouguer定律,在地面直接测得的太阳辐射E(W/m2)在给定波长上的表达式为:Eλ=E0λR-2exp(-mτλ)Tgλ(1)其中E0为大气外界太阳辐照度(太阳常数),R为测量时刻日地距离(天文单位,约等于1),m为大气光学质量(约为天顶角θ的正割:secθ),τλ为大气垂直总光学厚度,Tgλ为吸收气体透过率。2.1反演光学厚度原理根据Beer-Lambert-Boug12若用仪器输出电压Vλ代表E,公式(1)为:Vλ=V0λR-2exp(-mτλ)Tgλ(2)式中V0λ是定标常数。在8个通道的值分别为：823118596229091004822184130151954017139若用仪器输出电压Vλ代表E,公式(1)为:13对于无水汽吸收的波段,大气垂直总光学厚度τλ可表示为:τλ=τrλ+τaλ+τO3λ+τNO2λ

(3)

其中τrλ为分子散射(Rayleigh)光学厚度,τaλ为气溶胶光学厚度,τO3λ、τNO2λ分别为吸收气体O3、NO2的光学厚度对于无水汽吸收的波段,大气垂直总光学厚度τλ可表示为:14Rayleigh散射光学厚度可以通过地面气压值计算:τrλ=p/p0×0.0088λ-4.05(4)式中p0为标准大气压(1013.25hPa),p为实际大气压,λ单位为μm。Rayleigh散射光学厚度可以通过地面气压值计算:15

在可见光、近红外波段,大气中主要存在臭氧和水汽的吸收。选择没有水汽吸收的通道440nm、870nm、1020nm,且这3个通道只有气溶胶消光和Rayleigh散射,则式(3)中τO3λ、τNO2λ都为“0”。将式(2)和(3)结合,同时公式两边取对数,则为:

lnVλ+lnR2=lnV0λ-m(τrλ+τaλ)(5)在可见光、近红外波段,大气中主要存在臭氧和水汽的吸收16一旦获得了比较精确的仪器定标常数V0λ,对观测数据的处理可以采用“瞬态”法,即利用某时刻获得的太阳辐射测值Vλ和预先标定好的定标常数(V0λ)以及公式(5),就可得到该时刻大气柱总的消光光学厚度。“瞬态”法也称之为“截距法”,这种方法的精度依赖于仪器的定标常数(V0λ)（6）一旦获得了比较精确的仪器定标常数V0λ,对观测数据的处理17计算出大气垂直总光学厚度和瑞利散射消光，就得到大气气溶胶的光学厚度τaλ

=τλ-τrλ

计算出大气垂直总光学厚度和瑞利散射消光，就得到大气气溶胶的光182.2大气气溶胶光学厚度的日变化特征2.2大气气溶胶光学厚度的日变化特征19太阳光度计测量气溶胶光学厚度课件20太阳光度计测量气溶胶光学厚度课件21

22

三.利用最小二乘法计算大气浑浊度系数(β)和Angstrom波长指数(α)

1.大气浑浊度系数(β)、Angstrom波长指数(α)定义2.最小二乘法线性拟合

三.利用最小二乘法计算大气浑浊度系数(β)和Angstro23

3.1大气浑浊度系数(β)、Angstrom波长指数(α)定义

安斯川姆（Angstrom,1964)提出下式计算整层大气米散射的光学厚度（1）β

称为浑浊度系数，随大气中气溶胶总量而变α

称为波长指数

3.1大气浑浊度系数(β)、Angstrom波长指数(α)24通常波长指数α反映气溶胶粒子谱分布情况，它与气溶胶的平均半径有关，平均半径越小，气溶胶的散射特性越趋近于分子散射,α越趋近于4。混浊度系数β，主要反映的是气溶胶浓度的大小,β值越大气溶胶浓度越大。使用多个波段测量得到的气溶胶光学厚度，对式(1)进行最小二乘法拟合，可得到α和β，在此基础上，又可以求出其它波长处的气溶胶光学厚度。通常波长指数α反映气溶胶粒子谱分布情况，它与气溶胶的平均半径253.2最小二乘法线性拟合设直线方程的表达式为：

(2-6-1)

对满足线性关系的一组等精度测量数据（xi，yi），假定自变量xi的误差可以忽略（实际实验中总有一个变量的误差相对较小，可以忽略，作为X分量），则在同一xi下，测量点yi和直线上的对应点a+bxi的偏差di如图（2-6-2）所示：3.2最小二乘法线性拟合设直线方程的表达式为：26太阳光度计测量气溶胶光学厚度课件27d1＝y1－a－bx1

d2＝y2－a－bx2

┇dn＝yn－a－bxn显然最好测量点都在直线上（即d1=d2=……=dn=0），求出的a和b是最理想的，但测量点不可能都在直线上，这样只有考虑d1、d2、……、dn为最小，也就是考虑d1+d2+……+dn为最小，但因d1、d2、……、dn有正有负，加起来可能相互抵消，因此不可取；而|d1|+|d2|+……+|dn|又不好解方程，因而不可行。现在采取一种等效方法：当d12+d22+……+dn2对a和b为最小时，d1、d2、……、dn也为最小。取（d12+d22+……+dn2）为最小值，求a和b的方法叫最小二乘法。d1＝y1－a－bx1283.2最小二乘法线性拟合3.2最小二乘法线性拟合293.2波长指数α和混浊度系数β的日变化特征3.2波长指数α和混浊度系数β的日变化特征30太阳光度计测量气溶胶光学厚度课件31参考文献任宜勇，李霞，CE318太阳光度计观测资料应用前景及其解读刘玉杰，利用新型全自动太阳光度计研究气溶胶光学和物理特性参考文献32Thankyou！Thankyou！33思考：

波长指数α反映气溶胶粒子谱分布情况，它与气溶胶的平均半径有关，平均半径越小，气溶胶的散射特性越趋近于分子散射,α越趋近于＿？思考：34太阳光度计测量气溶胶光学厚度课件35太阳光度计测量气溶胶光学厚度课件36太阳光度计测量气溶胶

光学厚度刘莹莹2008202434太阳光度计测量气溶胶

光学厚度刘莹莹37

主要内容：一、太阳光度计简介二、利用太阳光度计反演气溶胶的光学厚度三、利用最小二乘法计算大气浑浊度系数(β)和Angstrom波长指数(α)主要内容：38一、太阳光度计1.太阳光度计测量气溶胶的原理2.数据格式一、太阳光度计391.1太阳光度计测量气溶胶的原理太阳光度计是目前探测大气气溶胶的一个常用且有效的监测仪器,利用它不仅能够研究气溶胶的光学特性、进行卫星遥感反演的气溶胶产品校验,而且可以获取实时、长期的观测数据。CE318型自动跟踪扫描太阳光度计,它是法国CIMEL公司制造的一种自动跟踪扫描太阳光度计。1.1太阳光度计测量气溶胶的原理太阳光度计是目前探测大气气40CE318型自动跟踪扫描太阳光度计CE318型自动跟踪扫描太阳光度计41该仪器在可见光和近红外波段共有八个观测通道，它不仅能自动跟踪太阳做太阳辐射测量，而且可以进行太阳高度角天空扫描、太阳主平面扫描和极化通道天空扫描;它能自动存储测量数据，并在测量完成后传输到计算机保存，它还可以通过DCP平台远程传输数据，实现了无人管理自动采集测量数据和远程数据传输。该仪器在可见光和近红外波段共有八个观测通道，它不仅能自动跟踪42

它的总视场角天空瞄准光筒为1.2度，太阳瞄准光筒为1.2度，其滤光片的光谱宽度和半波宽度见表2.1

法国CIMEL公司为太阳光度计专门开发研制了一套应用软件———ASTPWin,主要用于光度计安装地点参数的设置、数据的获取、传输和一些简单数据图像的处理、显示。它的总视场角天空瞄准光筒为1.2度，太阳瞄准光筒为1.243

CE318将采集数据自动存入机器内部存储单元,并通过ASTPWin软件定时传输到PC机内。CE318从早晨大气质量数为6(太阳高度角约为9°)自动开始工作,到下午大气质量数为6(日落)结束观测,并自动回到原点位置。湿度传感器控制仪器在有降水时停止工作。仪器安装、调试并开机后,仪器自动进行数据采集。数据传输间隔设置为1h,即每小时将测量数据传输到PC机内,生成一个“.K7”文件。CE318将采集数据自动存入机器内部存储单元,441.2数据格式该光度计的测量数据可直接用个人计算机直接读取，太阳和天空的测量方式可以编程，在进行资料处理时还需将仪器生成的原始文件(K7文件)用ASTPWin软件转换成ASCll文件。文件类型和表1第一列相同。1.2数据格式该光度计的测量数据可直接用个人计算机直接读45ASTPWin操作界面ASTPWin操作界面46二、利用太阳光度计反演气溶胶的

光学厚度1.反演光学厚度原理2.大气气溶胶光学厚度的日变化特征二、利用太阳光度计反演气溶胶的

光学厚度472.1反演光学厚度原理根据Beer-Lambert-Bouguer定律,在地面直接测得的太阳辐射E(W/m2)在给定波长上的表达式为:Eλ=E0λR-2exp(-mτλ)Tgλ(1)其中E0为大气外界太阳辐照度(太阳常数),R为测量时刻日地距离(天文单位,约等于1),m为大气光学质量(约为天顶角θ的正割:secθ),τλ为大气垂直总光学厚度,Tgλ为吸收气体透过率。2.1反演光学厚度原理根据Beer-Lambert-Boug48若用仪器输出电压Vλ代表E,公式(1)为:Vλ=V0λR-2exp(-mτλ)Tgλ(2)式中V0λ是定标常数。在8个通道的值分别为：823118596229091004822184130151954017139若用仪器输出电压Vλ代表E,公式(1)为:49对于无水汽吸收的波段,大气垂直总光学厚度τλ可表示为:τλ=τrλ+τaλ+τO3λ+τNO2λ

(3)

其中τrλ为分子散射(Rayleigh)光学厚度,τaλ为气溶胶光学厚度,τO3λ、τNO2λ分别为吸收气体O3、NO2的光学厚度对于无水汽吸收的波段,大气垂直总光学厚度τλ可表示为:50Rayleigh散射光学厚度可以通过地面气压值计算:τrλ=p/p0×0.0088λ-4.05(4)式中p0为标准大气压(1013.25hPa),p为实际大气压,λ单位为μm。Rayleigh散射光学厚度可以通过地面气压值计算:51

在可见光、近红外波段,大气中主要存在臭氧和水汽的吸收。选择没有水汽吸收的通道440nm、870nm、1020nm,且这3个通道只有气溶胶消光和Rayleigh散射,则式(3)中τO3λ、τNO2λ都为“0”。将式(2)和(3)结合,同时公式两边取对数,则为:

lnVλ+lnR2=lnV0λ-m(τrλ+τaλ)(5)在可见光、近红外波段,大气中主要存在臭氧和水汽的吸收52一旦获得了比较精确的仪器定标常数V0λ,对观测数据的处理可以采用“瞬态”法,即利用某时刻获得的太阳辐射测值Vλ和预先标定好的定标常数(V0λ)以及公式(5),就可得到该时刻大气柱总的消光光学厚度。“瞬态”法也称之为“截距法”,这种方法的精度依赖于仪器的定标常数(V0λ)（6）一旦获得了比较精确的仪器定标常数V0λ,对观测数据的处理53计算出大气垂直总光学厚度和瑞利散射消光，就得到大气气溶胶的光学厚度τaλ

=τλ-τrλ

计算出大气垂直总光学厚度和瑞利散射消光，就得到大气气溶胶的光542.2大气气溶胶光学厚度的日变化特征2.2大气气溶胶光学厚度的日变化特征55太阳光度计测量气溶胶光学厚度课件56太阳光度计测量气溶胶光学厚度课件57

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三.利用最小二乘法计算大气浑浊度系数(β)和Angstrom波长指数(α)

1.大气浑浊度系数(β)、Angstrom波长指数(α)定义2.最小二乘法线性拟合

三.利用最小二乘法计算大气浑浊度系数(β)和Angstro59

3.1大气浑浊度系数(β)、Angstrom波长指数(α)定义

安斯川姆（Angstrom,1964)提出下式计算整层大气米散射的光学厚度（1）β

称为浑浊度系数，随大气中气溶胶总量而变α

称为波长指数

3.1大气浑浊度系数(β)、Angstrom波长指数(α)60通常波长指数α反映气溶胶粒子谱分布情况，它与气溶胶的平均半径有关，平均半径越小，气溶胶的散射特性越趋近于分子散射,α越趋近于4。混浊度系数β，主要反映的是气溶胶浓度的大小,β值越大气溶胶浓度越大。使用多个波段测量得到的气溶胶光学厚度，对式(1)进行最小二乘法拟合，可得到α和β，在此基础上，又可以求出其它波长处的气溶胶光学厚度。通常波长指数α反映气溶胶粒子谱分布情况，它与气溶胶的平均半径613.2最小二乘法线性拟合设直线方程的表达式为：

(2-6-1)

对满足线性关系的一组等精度测量数据（xi，yi