可见到近红外波段整层大气光谱透过率的测量研究资料下载.pdf

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第35卷第3期2006年3月光子学报ACTAPH0T0NlCASINICAV0135No3March2006可见到近红外波段整层大气光谱透过率的测量研究范伟王毅饶瑞中（1中国科学院安徽光学精密机械研究所国家863计划大气光学重点实验室，合肥230031）（2南京大学大气科学系，南京210093）摘要利用太阳光谱辐射计进行了可见到近红外波段整层大气连续光谱透过率的测量研究在对太阳辐射计可靠定标的条件下，通过测量太阳直射光谱，运用Langley方法推算到达大气层顶的太阳辐射，最终获得了该波段范围内的连续大气光谱透过率及特殊波长上的透过率的实际变化情况通过分析晴天无云大气条件下不同时间、不同气溶胶含量、不同季节、不同气溶胶模式下的大气透过率特征，初步获得了其变化规律，为大气层外目标探测提供了一些基础关键词太阳辐射计；@#@大气透过率；@#@太阳光谱连续光谱中圈分类号0436文献标识码A0引言整层大气光谱透过率是反映大气辐射传输性质的重要参量，在大气辐射、地球资源遥感、空气质量监测等领域，都需要对透过率进行详细地研究1太阳辐射计可用于同时测量不同波长的太阳直接辐射和天空散射辐射，由测量的太阳直接辐射结果可计算得到各个波长的大气光学厚度或透过率；@#@而通过测得的太阳直接辐射和天空散射光谱特性，可以了解大气中气溶胶粒子的光学特性，计算出水汽、臭氧以及氮氧化物等污染气体分子在整个大气层中的总含量，因此太阳辐射计被广泛运用于大气光学、气象研究和空气污染监测、探测等领域【但是通常所用的太阳辐射计测量得到的透过率谱特征都是分波长的，采用于涉滤光片不能反映光谱特征，结果仅仅局限于几个分立波长上的细节由于空间目标亮度的准确测量受到大气的影响，大气层外目标反射的太阳辐射构成了目标亮度主要来源7空间目标亮度传播到地面时由于受到大气的衰减，一般明显小于目标固有亮度根据利用光谱特征选择波段进行大气外目标探测的研究需要_7，需要对透过率的光学特性进行详细地了解，才能获得准确的空间目标辐射亮度为此利用连续波长的太阳辐射计对整层大气光谱透过率进行了测量研究通过太阳辐射计的测量结果，在可靠定标的基础上，推算出实际大气模式下的大气透过率光谱特征，分析了透过率的实际变化规律1太阳辐射计的定标结果及透过率的计算使用的光谱太阳辐射计是日本PREDE公司制造的自动跟踪太阳辐射计PGS-100，视场角是lo，波Tell05512290316Email：

@#@warrenfw126com收稿日期：

@#@2005Ol06长范围3501050tim光谱分辨率是36tim，探测器使用的是SiCCD，它具有线性范围宽、响应速度快和噪音小等特点，适用于辐射强度探测口从3501050tim的所有波长均用Langley方法_8进行定标，相关系数高于099实际标定在一个晴天无云，且地面水平能见度较高（约有20km）的一天进行（2003年l1月25日），通过定标得到的到达天顶的太阳辐射对应的仪器测量值随波长的变化如图I，定标因子C如图21614121O060402薹童_重舀04Q5O，6n7n80910Wavelengthum图2仪器定标因子随波长的变化Fig2Therelationbetweentheinstrumentcalibrationfactorandwavelength维普资讯http:

@#@/3期范伟等可见到近红外波段整层大气光谱透过率的测量研究403由太阳辐射计测量得到的大气斜程透过率（）为）=

（1）式中PGD是地面实测太阳辐射，Po（）是通过langley方法得到的天顶太阳辐射而f（）一exp（一rm），其中r是大气垂直光学厚度，m是大气质量r=一ln（t）m

（2）定义TGD是大气垂直透过率，也就是从地面垂直到天顶的大气透过率，其计算表达式为T=exp（-r）（3）Q4O5Q6Q7O809l_0Wavelength，2um2整层大气连续光谱透过率计算结果与分析21不同时刻对应于太阳方向的大气斜程透过率分析选择冬季定标实验日，早晨7；@#@10，中午12；@#@O0及下午16t30对应于太阳方向的大气透过率如图3由于这种能够得到连续波长的太阳光谱仪器很少在文献中出现，将得到的斜程大气透过率结果04Q5Q6Q7O8Q91OWavelength2lJm04Q5Q6Q7Q8O91OWavelength，2m图3早晨、中午和下午大气斜程透过率变化Fig3Therelationbetweenwavelengthandtransmittanceatmorning，noonandafternoon和普遍认可的MODTRAN模拟计算得到的大气透过率结果进行比较，来验证结果的可靠性同时选择中纬度冬季大气模式，在早晨、中午和下午这三个时间段利用MODTRAN计算相应的斜程透过率，将它们与实验测量结果相比较从图中可以看出，实测的大气斜程透过率和MODTRAN计算结果有着非常相似的光谱特征，从而证明了实验得到的透过率光谱的正确性二者绝对值的差别主要在于MODTRAN的参量选择大气斜程透过率的光谱特征是：

@#@在可见光的短波区域，变化平缓，随着波长的增加呈缓慢增大趋势在近红外波段，有若干吸收峰在整个波段内，早上和下午与中午相比，当太阳高度很低时，总的太阳光谱能量会降低，整个透过率光谱分布会朝红区漂移由此可见，早上和下午的短波太阳辐射被大气散射的部分更多，使得在接收到的太阳辐射中，长波辐射比例增加所以一天中当太阳天顶角相差较大时，可以从透过率光谱图中定性验证瑞利散射理论在可见光波段范围内，由于透过率光谱变化比较平缓，说明在此波段大气对太阳辐射基本上是透明的，没有强吸收可见光波段的0685tm至o705tm，073tm至0755m，红外波段的083m至089m，099m至105m，大气斜程透过率数值出现极大值，是比较理想的大气窗口在可见到近红外波段，主要吸收气体是氧气和水汽水汽主要集中在对流层下部，其含量与气温及天气形势有密切关系，随时问、地点有非常大的变化所以涉及到水汽吸收时，应考虑当时具体条件图3中，在083tm和094m附近的吸收峰主要是由水汽造成的；@#@而均匀混合气体在可见光波段的吸收主要是氧气造成的，在068tm、073tm和076tm附近就是氧气的吸收峰需特别指出的是，在中午时分，氧气的吸收峰（076m）的数值大约是大气窗口最大峰值的四分之三，水汽的吸收峰（O94m）大约是大气窗口最大峰值的二分之一；@#@在早上和下午时分，这两处的吸收峰值基本上都已经到了极小值，其它的吸收峰的数值相比也显著地减少了也就是说，早晨和下午的吸收比中午更加强烈因此，当太阳天顶角逐渐增大时，越来越多的吸收峰附近的太阳光谱能量被主要是氧气和水汽等气体分子吸收在进行大气外目标探测时，需要对观测路径上整层的连续光谱透过率进行详细地研究，才能选择理想的波段对目标进行探测通过以上对不同时间段的从3501050nm连续透过率光谱地分析，可知从0685tm至0705tm，073tm至0755tm，083tm至089tm以及从099tm至105tm这四个波段内，大气透过率起伏较小，变化平缓，平均数值较大，是比较理想的大气窗口选择以上波段作为目标探测的参考窗口，可以做到提高接收目标辐射强度以及增大探测器对目标的探测距离的效果，大大增加对目标的探测概率22大陆型和海洋型天气系统下不同纬度）相对于太阳方向的大气斜程透过率比较分析21节给出的透过率光谱是选择在沿海地区进行测量所得到的结果又选择在内陆进行实验实柏加=兮0QmnnnnnOnn螗，l甚墨I【II管rBI呻叮叭O8日譬ll&@#@咖咖哪0lIl兽；@#@5w雹维普资讯http:

@#@/404光子学报35卷验当天冷空气刚过，天气干燥，万里无云选择中午和下午的实验结果与21节中同一测量时间的实验结果进行比较（中午和下午），如图4，横坐标是波长，单位是m，纵坐标是大气斜程透过率0,40,506o7080,9l,OWavelength2pm0A050,607n8n91OWavelengthm图4大陆和沿海地区斜程透过率比较分析Fig4Thecomparisonbetweenthetransmittanceofoceanicareaandcontinentalarea可见，在不同测量地区，即使测量时间很相近（仅相隔3周），但是由于纬度相差较大（沿海实验靠近热带地区，内地实验接近中纬度地区），从光谱的连续性可以看到两者的幅值相差明显，沿海地区得到的大气斜程透过率数值超过了内地得到的大气斜程透过率数值而且还可以看到，在沿海地区，整层连续大气透过率的水汽吸收峰（O94m）明显地比在内陆测量的要强主要原因是由沿海地区大气中相对较高的水汽含量造成的1。

@#@两地不同测量日期（日期相距很近），同一测量时间（中午和下午时刻），得到的最大峰值所在的波长均保持不变1。

@#@，=1020nm，说明在天气晴朗、气溶胶含量很少的情况下，大陆性气溶胶模式和海洋性气溶胶模式对太阳光谱最大值对应的波长影响不大23睛天不同气溶胶含量下实测的透过率比较以上是选择天气条件非常好的定标的日子进行分析所得到的透过率结果，而对于气溶胶含量较多的晴天无云天气系统，还需要进行进一步地分析因此选择冬季沿海地区进行实测，结果如图5在图5（a）中，曲线1是天气系统很好的实验定标日上午8zO0时分对应于太阳方向的大气透过率，曲线2是天气系统较差的次日同一时间对应于太阳方向的大气透过率，当天天空灰蒙蒙的，能见度较低图5（b）中的曲线1和曲线2，分别是这两天中午12。

@#@o0时分相