大气浑浊度观测方法

QX/T××××—2005PAGEIIPAGE1中国气象局发布××××-××-××实施××××-××-中国气象局发布××××-××-××实施××××-××-××发布大气浑浊度观测方法MeasurementofAtmosphericTurbidity（征求意见稿）QX/T××××—2005QX中华人民共和国气象行业标准ICSN备案号：QX/T××××—2005PAGEI目次TOC\o"1-2"\h\z\u目次 I前言 1引言 21范围 32规范性引用文件 33术语和定义 34测量原理及测量仪器 45校准方法 6 67辅助观测 68数据处理 79资料存档 7附录参考文献PAGE10前言本标准由中国气象局提出。本标准由中国气象局政策法规司归口。本标准起草单位：中国气象局大气成分观测与服务中心，北京大学大气科学系、中国气象局大气探测技术中心本标准主要起草人：颜鹏、李成才、汤洁、王炳忠、贺晓雷本标准首次发布。引言本标准依据《中华人民共和国气象法》，在引用和参考相关国家标准和行业标准的基础上制定。大气浑浊度是除云滴、雨滴、冰晶之外大气悬浮物对太阳辐射消减强弱的一种量度。大气浑浊度不仅是大气污染程度的指标，也是气候变化研究的重要资料。大气浑浊度可用大气垂直气柱内的大气气溶胶光学厚度来表征，即用垂直气柱内气溶胶衰减系数的积分来表示。传统上描述大气浑浊度的参数有两种方式：一是表示为一定波长的光学厚度，如许埃普浑浊度因子(Schüeppturbidityfactor)，它代表波长为0.5μm的气溶胶光学厚度；再如埃斯特朗浑浊度系数（Ångströmturbiditycoefficient），它表示波长为1.0μm的气溶胶光学厚度；二是利用全波段大气总光学厚度与瑞利(Rayleigh)散射光学厚度的比值表达,如林克浑浊度因子(Linketurbidityfactor）（或大气浑浊度指标）。这里大气总光学厚度的主要部分一般还是气溶胶光学厚度。因此，观测大气浑浊度，实质上是与观测大气气溶胶光学厚度直接相关。测量大气气溶胶光学厚度及其随波长的分布可以利用多种仪器，如多波段太阳光度计、光谱仪、分光辐射表等。本标准仅涉及利用太阳光度计测量气溶胶光学厚度的方法。林克浑浊度因子（或大气浑浊度指标）由于是采用全波段太阳辐射观测，且在《气象辐射观测方法》已有规范，这里不再对其观测进行规范。

1范围本标准规范了利用太阳光度计测量大气浑浊度（大气气溶胶光学厚度）的技术指标、仪器安装、观测步骤、以及仪器校准、计算方法等。本标准适用于气象行业大气本底观测站及其他有关气象台站对大气浑浊度的观测。规范性引用文件下列文件中的条款通过本部分的引用而成为本部分的条款。凡是注明日期的引用文件，其随后所有的修改单（不包括勘误的内容）或修订版均不适用于本部分，然而，鼓励根据本部分达成协议的各方研究是否可使用这些文件的最新版本。凡是不注日期的引用文件，其最新版本适用于本部分。《光及有关电磁辐射的量和单位》，中华人民共和国国家标准GB3102.6-93，中国标准出版社，1993《太阳能热利用术语》,中华人民共和国国家标准GB12936.1-91，中国标准出版社，1991-5-22术语和定义本部分采用下列术语和定义。3.1辐[射能]通量radiantenergyflux；radiantflux；fluxofradiation以辐射形式发射、传播或接收的功率。测量单位为瓦[特]（W）。3.2irradiance照射到表面一点处的面元上的辐射能通量除以该面元的面积。单位为瓦特每平方米(W/m2)。3.3光谱spectralirradiance在给定波长附近的无穷小范围内，辐射照度与该波长间隔之商。单位为瓦特每平方米每微米(W/m2/μm)。3.4消光extinction；辐射在介质中传播时，与介质发生相互作用而造成的入射能量总衰减过程。3.5散射scattering;漫射diffusion辐射与物质（微粒）的一种相互作用，作用后辐射束分散为许多方向，空间分布也有变化，但总能量及其波长维持不变。3.6瑞利散射Rayleighscattering辐射穿过含有尺寸小于辐射波长的粒子介质时发生的漫射现象。3.7吸收absorption：辐射能由于与物质的相互作用，转换为其他能量形式的过程。3.8大气光学质量opticalairmass太阳在任何位置与在天顶时直射光通过大气到达观测点的路径之比。注1：大气光学质量随太阳高度角和当地气压的不同而不同。若太阳天顶角Z等于或小于62，且当地大气压为P，标准大气压为P0时，则airmass=P/（P0cosZ）。3.9光学厚度OpticalThickness辐射在介质中传输时两点之间路径上单位截面的消光（衰减）系数，为无量纲量。3.10气溶胶光学厚度AerosolOpticalDepth整层大气天顶垂直方向总路径上因气溶胶散射和吸收造成的总光学厚度。3.11大气浑浊度AtmosphericTurbidity大气浑浊度是除云滴、雨滴、冰晶之外大气悬浮物对太阳辐射消减强弱的一种量度，它是表征太阳辐射受到大气中气体、水汽、气溶胶等的吸收和散射后，其透射程度下降的指标。3.12埃斯特朗浑浊度系数Ångströmturbiditycoefficient一种表示大气混浊度的物理量，其数值等于波长为1μm处的大气气溶胶光学厚度。3.13许埃普浑浊度因子Schüeppturbidityfactor一种表示大气混浊度的物理量，是波长为0.5μm处的大气气溶胶光学厚度。3.14比尔-朗伯定律Beer-Lambertlaw吸收物质对电磁辐射的吸收量与电磁辐射强度、吸收物质质量吸收系数和吸收物质浓度以及吸收路径长度成正比，表现为电磁辐射在具有吸收物质的光学路径上的指数衰减。3.15日地平均距离meanearth-sundistance天文单位astronomicalunit地球在公转轨道上至太阳距离的周年平均值。注：日地平均距离约为1.496106测量原理及测量仪器4.1测量原理大气气溶胶通过散射、吸收对太阳辐射产生衰减。气溶胶衰减系数在大气路径垂直方向上的总积分构成大气气溶胶光学厚度（AOD），气溶胶光学厚度及其随波长的变化可以通过对太阳直接辐射的测量来确定。在给定波长处，从太阳光度计测到的在中心波长λ的光谱辐照度来计算气溶胶光学厚度，可直接根据比尔-朗伯定律计算。按照Beer-Lambert定律对整层大气积分可得：为地球大气上界波长处的太阳直接辐射光谱辐照度；为大气总光学厚度，包括分子散射和吸收光学厚度、气溶胶光学厚度。为大气质量（有关参数计算见附录B）测量仪器大气气溶胶光学厚度的观测可利用多种仪器进行。最常用的是太阳光度计（Sunphotometer），或者称滤光片式辐射表（Filterradiometers，FR），因为其波长可不限于可见光。WMO推荐的三个中心波长分别为368nm、500nm和862nm，并附带一个中心波长为412nm的可选通道，所有通道的带宽均为5nm，均采用干涉滤光片选择波长，并用硅光电二极管做检测器。该类仪器还应该配备精密的数字式数据采集系统和数据处理质量保证程序。按照仪器的操作方法，目前国际上使用的该类仪器分为自动跟踪型和手动型两种。自动跟踪型太阳光度计需具备自动精细跟踪太阳的装置，并配合程序计算太阳位置的被动系统，以防止在从多云天气进入晴天时无法跟踪或误跟踪的弊病。另外还需要具备雨滴感应器以防雨水进入仪器。仪器的技术性能包括：能够保证对准太阳；具有较高采样频率，便于数据质量控制，具有较好的稳定性。具体的指标包括几个方面的内容：仪器的中心波长、通道的带宽、灵敏度、仪器动态范围、视场角和环境温度要求等（参见附录A1推荐仪器的技术指标）。校准方法常用的校准方法有通常称之为长法（Langley法）和标准光源法两种。长法（Langley法）一般选择在特别晴好天气条件下的高海拔台站进行，并假定这里的气溶胶光学厚度无明显的日变化。根据关系式(4.3)，在不同的太阳天顶角下测得一系列Langley法）仪器校准过程。标准光源法是另外一种校准方法，就是在实验室内利用标准光源对特定波长下仪器的参数进行校准。除此之外，还可以应用一些高准确度的绝对校准法，诸如用低温辐射表做为基准检测器的方法。注：并非所有进行观测的测站均适合应用长法（Langley法）校准。因此，更为经常采用的是用一个通过长法(Langley法)校准过的传递标准仪器，定期地对测站的滤光片式辐射表逐个进行同步比对来实施校准。辅助观测数据处理和质量控制商用仪器一般含内置的数据处理程序或配备相应的计算机软件。该软件的结果应该与长法（Langley法）校准后，考虑分子散射、分子吸收订正的算法（见４，５部分）进行比较。通过检定的商用软件的处理结果才可供进一步存档、发布。质量控制主要应注意以下几个方面：标定:仪器的初次使用前应采用长法校准或与其他标准仪器对照观测校准；每年应该进行至少一次的定期检测，确保仪器常数的稳定性。太阳精细跟踪和云“污染”：一般从连续记录的稳定性上分析由于跟踪太阳不准或云污染带来的数据质量问题。对手动太阳光度计的连续5次记录，500nm气溶胶光学厚度的相对偏差小于10%或绝对误差±0.05。自动跟踪型太阳光度计，经过云检测程序的处理结果，也应该达到连续记录相对偏差小于10%或绝对误差±0.05这样的指标。观测设备应定期检查与维护发现状态异常应立即调整并记录在案。经常清洁镜头，确保测量时仪器镜头干净，以保证测量的准确性。观测过程应由经过培训的人员进行，专岗专人。资料存档资料存档文件含文件头和数据记录两部分。文件头中应该有：仪器型号、观测日期、地点（经纬度、海拔高度）、观测员和负责人姓名、仪器通道信息和校准参数、数据记录格式说明等；数据记录中应该包括：观测时间、地面气压、相对湿度、仪器原始感应电压、暗电流信号、分波段气溶胶光学厚度、水汽和臭氧总量等。附录A(资料性附录)推荐仪器性能A.1手持太阳光度计：20位以上A/D转换；动态范围：>300000；分辨率：0.1W/m²；精密度：1～2%；非线性度：≤0.002%量程(FS)视场角:2.5°；波段宽度：10nm以下；数据存储和传送：内置EPROM可存1000个数据记录，RS232或USB接口；软件界面友好,下载数据方便。环境温度：0～50℃A.2自动跟踪太阳光度计：跟踪方式：4象限测试主动跟踪与被动跟踪技术相结合，准确度高于0.1°;20位以上A/D转换；动态范围：>300000；分辨率：0.1W/m²；精密度：1～2%；视场角:≤1.5°；波段宽度：10nm以下；环境温度：-30℃～50℃。

附录B相关参数计算B.1大气光学质量:在太阳天顶角为（单位为度），并假设大气为平面平行分层时，大气光学质量与1／cos()成正比。对于实际球面大气，大气光学质量可通过经验公式确定：(Rayleighscattering埃斯特朗浑浊度系数（Ångströmturbiditycoefficient）：设波长大气气溶胶光学厚度可表示为：，其中为埃斯特朗浑浊度系数，表示整层大气气溶胶的数量；为波长指数，其数值与气溶胶平均半径有