利用太阳光度计反演大气气溶胶光学厚度课件

利用太阳光度计研究气溶胶光学厚度付烨20131202130

大气辐射学专题实践题目：16、分光光度计测量气溶胶 (数据处理和程序编写)2014年3月6日利用太阳光度计研究气溶胶光学厚度付烨11大气气溶胶及其光学厚度1.1大气气溶胶的效应1.2气溶胶光学厚度2CE318太阳光度计应用简介2.1太阳光度计应用现状

2.2CE318型太阳光度计观测原理3应用个例——利用太阳光度计反演大气气溶胶光学厚度3.1数据转换与处理

3.2气溶胶厚度反演方法（包括程序编写）

3.3结果与分析4参考文献目录1大气气溶胶及其光学厚度1.1大气气溶胶2

1大气气溶胶及其光学厚度

1.1大气气溶胶的效应

1.2气溶胶光学厚度

1大气气溶胶及其光学厚度

1.131-1

大气气溶胶是大气与悬浮在其中的固态或液态颗粒的共同组成的多相体系。通常颗粒的大小在0.01μm至10μm之间，能在大气中驻留至少几个小时。大气气溶胶的效应4/3201大气气溶胶定义1-1大气气溶胶的效应4/3201大气气溶胶定义41-102

大气气溶胶的效应大气气溶胶涉及大气环境、大气辐射、气象、气候、激光大气传输等众多研究领域。近年来大气气溶胶对全球气候的影响已引起科学家们的广泛

关注。测量大气气溶胶物理参数和气溶胶物理参数变化特征对研究气溶胶的气候效应、环境效应具有重要价值。大气气溶胶的效应5/321-102大气气溶胶的效应大气气溶胶的效应5/51-2大气气溶胶光学厚度是表征大气浑浊度的一个重要物理量。它对评价大气环境污染、研究气溶胶的辐射气候效应等具有重要意义。大气气溶胶的浓度、化学成分、粒子粒径等物理化学特性的变化可直接反应在气溶胶光学厚度的变化上。气溶胶光学厚度6/321-2气溶胶光学厚度6/326

2CE318太阳光度计应用简介

2.1太阳光度计应用现状

2.2CE318型太阳光度计观测原理

2CE318太阳光度计应用简介

2.72

目前，求解气溶胶光学厚度还是通过对太阳短波辐射的实际分光观测获得的。30多年以来，太阳分光光度计作为一种简单而又经济的技术来遥感气溶胶的光学特性和水汽含量，它是气溶胶光度学观测的一种常用方法。CE318太阳光度计应用简介8/322.1太阳光度计应用现状

2CE318太阳光度计应用简介8/322.182

美国NASA利用法国CIMEL公司生产的CE318型窄波段太阳光度计在全球布设了AERONET(AerosolRoboticNETwork)气溶胶监测网。

太阳光度计功能研究气溶胶光学特性进行卫星遥感反演的气溶胶产品校验获取实时、长期的观测数据CE318太阳光度计应用简介9/322美国NASA利用法国CIMEL公司生产的CE318型92国内配备的太阳光度计同样是CE318型自动跟踪扫描太阳光度计。该仪器在可见光至近红外设有8个观测通道。优点：能自动跟踪太阳做太阳辐射测量；可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；实现了无人管理自动采集测量数据和远程数据传输。CE318太阳光度计应用简介10/322.2CE318型太阳光度计观测原理2国内配备的太阳光度计同样是CE318型自动跟踪扫描太阳光度102CE318太阳光度计应用简介11/322.2CE318型太阳光度计观测原理法国CIMEL公司为太阳光度计专门研制的应用软件——ASTPWin用途：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。CE318将采集的数据通过ASTPWin软件定时传输到PC机内。CE318从早晨(太阳高度角约为9°)自动开始工作,到下午日落结束观

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。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。2CE318太阳光度计应用简介11/322.2112CE318太阳光度计应用简介12/322.2CE318型太阳光度计观测原理——资料解读该光度计的测量数据可直接用个人计算机读取；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。ASCll文件类型和表1第一列相同（如表所示）。2CE318太阳光度计应用简介12/322.2122CE318太阳光度计应用简介13/322CE318太阳光度计应用简介13/3213

3

个例应用——利用太阳光度计反演

大气气溶胶光学厚度

3.1数据转换与处理

3.2气溶胶厚度反演方法（包括程序编写）

3.3结果与分析

3个例应用——利用太阳光度计反演

大143

个例应用——利用太阳光度计反演大气气溶胶光学厚度

15/323.1数据转换与处理资料来源：时间：2008年4月25日——27日地点：NUIST文件格式：“.k7”315/323.1数据转换与处理153

个例应用——利用太阳光度计反演大气气溶胶光学厚度

16/32数据转换（ASTPWin软件）：ASTPWin操作界面316/32数据转换（ASTPWin软件）：ASTPW163

个例应用——利用太阳光度计反演大气气溶胶光学厚度

17/32ASTPWin操作界面NSU：8个通道3次SUN测量数据一次数据有25个，其中一个是温度8个通道，分别是：1020nm,870nm,670nm,440nm,500nm,940nm,380nm，340nm。317/32ASTPWin操作界面173

个例应用——利用太阳光度计反演大气气溶胶光学厚度

18/323.2气溶胶厚度反演方法原理：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: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。318/323.2气溶胶厚度反演方法原理：183

个例应用——利用太阳光度计反演大气气溶胶光学厚度

19/32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。定标常数在8个通道的值分别为：

8231

18596229091004822184130151954017139319/32193

个例应用——利用太阳光度计反演大气气溶胶光学厚度

20/32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为吸收气体O3的光学厚度

τNO2λ为吸收气体NO2的光学厚度320/32203

个例应用——利用太阳光度计反演大气气溶胶光学厚度

21/32Rayleigh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μm321/32213

个例应用——利用太阳光度计反演大气气溶胶光学厚度

22/32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（只有气溶胶消光和Rayleigh散射）：440nm、870nm、1020nm

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)322/32lnVλ+lnR2=lnV223

个例应用——利用太阳光度计反演大气气溶胶光学厚度

23/32一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。（6）

323/32233

个例应用——利用太阳光度计反演大气气溶胶光学厚度

24/32k表示通道（波长）324/32k表示通道（波长）243

个例应用——利用太阳光度计反演大气气溶胶光学厚度

25/32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

325/32253

个例应用——利用太阳光度计反演大气气溶胶光学厚度

26/32326/32263

个例应用——利用太阳光度计反演大气气溶胶光学厚度

27/123.3结果与分析327/123.3结果与分析273

个例应用——利用太阳光度计反演大气气溶胶光学厚度

28/32328/32283

个例应用——利用太阳光度计反演大气气溶胶光学厚度

29/12329/1229

4参考文献

4参考文献304参考文献31/32

[1] 韩永.范伟.饶瑞中等.连续光谱大气气溶胶光学厚度的 实验测量.过程工程学报.2006,6(增刊2):32—35[2] 任宜勇.李霞.吕鸣等.CE318太阳光度计观测资料应用

前景及其解读.气象科技.2006，34(3):349-352[3] 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.(硕士学位论文)[4] 杨志峰.张小曳.车慧正等.CE318型太阳光度计标定方 法初探. 应用气象学报.2008,19(3):297-306[5]4参考文献31/32[1] 韩永.范伟.饶瑞中31THEENDTHANKYOU！利用太阳光度计反演大气气溶胶光学厚度课件32利用太阳光度计研究气溶胶光学厚度付烨20131202130

大气辐射学专题实践题目：16、分光光度计测量气溶胶 (数据处理和程序编写)2014年3月6日利用太阳光度计研究气溶胶光学厚度付烨331大气气溶胶及其光学厚度1.1大气气溶胶的效应1.2气溶胶光学厚度2CE318太阳光度计应用简介2.1太阳光度计应用现状

2.2CE318型太阳光度计观测原理3应用个例——利用太阳光度计反演大气气溶胶光学厚度3.1数据转换与处理

3.2气溶胶厚度反演方法（包括程序编写）

3.3结果与分析4参考文献目录1大气气溶胶及其光学厚度1.1大气气溶胶34

1大气气溶胶及其光学厚度

1.1大气气溶胶的效应

1.2气溶胶光学厚度

1大气气溶胶及其光学厚度

1.1351-1

大气气溶胶是大气与悬浮在其中的固态或液态颗粒的共同组成的多相体系。通常颗粒的大小在0.01μm至10μm之间，能在大气中驻留至少几个小时。大气气溶胶的效应36/3201大气气溶胶定义1-1大气气溶胶的效应4/3201大气气溶胶定义361-102

大气气溶胶的效应大气气溶胶涉及大气环境、大气辐射、气象、气候、激光大气传输等众多研究领域。近年来大气气溶胶对全球气候的影响已引起科学家们的广泛

关注。测量大气气溶胶物理参数和气溶胶物理参数变化特征对研究气溶胶的气候效应、环境效应具有重要价值。大气气溶胶的效应37/321-102大气气溶胶的效应大气气溶胶的效应5/371-2大气气溶胶光学厚度是表征大气浑浊度的一个重要物理量。它对评价大气环境污染、研究气溶胶的辐射气候效应等具有重要意义。大气气溶胶的浓度、化学成分、粒子粒径等物理化学特性的变化可直接反应在气溶胶光学厚度的变化上。气溶胶光学厚度38/321-2气溶胶光学厚度6/3238

2CE318太阳光度计应用简介

2.1太阳光度计应用现状

2.2CE318型太阳光度计观测原理

2CE318太阳光度计应用简介

2.392

目前，求解气溶胶光学厚度还是通过对太阳短波辐射的实际分光观测获得的。30多年以来，太阳分光光度计作为一种简单而又经济的技术来遥感气溶胶的光学特性和水汽含量，它是气溶胶光度学观测的一种常用方法。CE318太阳光度计应用简介40/322.1太阳光度计应用现状

2CE318太阳光度计应用简介8/322.1402

美国NASA利用法国CIMEL公司生产的CE318型窄波段太阳光度计在全球布设了AERONET(AerosolRoboticNETwork)气溶胶监测网。

太阳光度计功能研究气溶胶光学特性进行卫星遥感反演的气溶胶产品校验获取实时、长期的观测数据CE318太阳光度计应用简介41/322美国NASA利用法国CIMEL公司生产的CE318型412国内配备的太阳光度计同样是CE318型自动跟踪扫描太阳光度计。该仪器在可见光至近红外设有8个观测通道。优点：能自动跟踪太阳做太阳辐射测量；可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；实现了无人管理自动采集测量数据和远程数据传输。CE318太阳光度计应用简介42/322.2CE318型太阳光度计观测原理2国内配备的太阳光度计同样是CE318型自动跟踪扫描太阳光度422CE318太阳光度计应用简介43/322.2CE318型太阳光度计观测原理法国CIMEL公司为太阳光度计专门研制的应用软件——ASTPWin用途：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。CE318将采集的数据通过ASTPWin软件定时传输到PC机内。CE318从早晨(太阳高度角约为9°)自动开始工作,到下午日落结束观

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。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。2CE318太阳光度计应用简介11/322.2432CE318太阳光度计应用简介44/322.2CE318型太阳光度计观测原理——资料解读该光度计的测量数据可直接用个人计算机读取；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。ASCll文件类型和表1第一列相同（如表所示）。2CE318太阳光度计应用简介12/322.2442CE318太阳光度计应用简介45/322CE318太阳光度计应用简介13/3245

3

个例应用——利用太阳光度计反演

大气气溶胶光学厚度

3.1数据转换与处理

3.2气溶胶厚度反演方法（包括程序编写）

3.3结果与分析

3个例应用——利用太阳光度计反演

大463

个例应用——利用太阳光度计反演大气气溶胶光学厚度

47/323.1数据转换与处理资料来源：时间：2008年4月25日——27日地点：NUIST文件格式：“.k7”315/323.1数据转换与处理473

个例应用——利用太阳光度计反演大气气溶胶光学厚度

48/32数据转换（ASTPWin软件）：ASTPWin操作界面316/32数据转换（ASTPWin软件）：ASTPW483

个例应用——利用太阳光度计反演大气气溶胶光学厚度

49/32ASTPWin操作界面NSU：8个通道3次SUN测量数据一次数据有25个，其中一个是温度8个通道，分别是：1020nm,870nm,670nm,440nm,500nm,940nm,380nm，340nm。317/32ASTPWin操作界面493

个例应用——利用太阳光度计反演大气气溶胶光学厚度

50/323.2气溶胶厚度反演方法原理：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: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。318/323.2气溶胶厚度反演方法原理：503

个例应用——利用太阳光度计反演大气气溶胶光学厚度

51/32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。定标常数在8个通道的值分别为：

8231

18596229091004822184130151954017139319/32513

个例应用——利用太阳光度计反演大气气溶胶光学厚度

52/32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为吸收气体O3的光学厚度

τNO2λ为吸收气体NO2的光学厚度320/32523

个例应用——利用太阳光度计反演大气气溶胶光学厚度

53/32Rayleigh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μm321/32533

个例应用——利用太阳光度计反演大气气溶胶光学厚度

54/32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（只有气溶胶消光和Rayleigh散射）：440nm、870nm、1020nm

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)322/32lnVλ+lnR2=lnV543

个例应用——利用太阳光度计反演大气气溶胶光学厚度

55/32一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