16 CE318太阳光度计技术手册介绍

CE318太阳光度计技术手册中国气象局监测网络司编写说明为了满足中国气象局区域本底站业务化运行的需求，同时，为观测人员了解测量原理、对仪器进行操作和维护提供指导，为研究人员开展科研工作提供参考，有关专家和有经验的业务技术人员共同编写了本材料。

本材料由中国气象科学研究院中国气象局大气成分观测与服务中心、北京市气象局和国家卫星气象中心共同组织编写。

目 录录1 概述 (1)2 系统结构及原理 (1)2.1 仪器工作原理 (1)2.1.1 大气光学厚度 (1)2.1.2 气溶胶参数 (2)2.1.3 改进Langley法 (2)2.2 仪器结构 (3)2.3 技术指标 (5)3 系统安装及操作方法 (5)3.1 系统安装 (5)3.2 操作方法 (6)3.2.1 太阳光度计的启动和关闭 (6)3.2.2 重要操作指令列表 (8)3.2.3 天空扫描测量 (12)3.2.4 自动模式测量 (13)3.3 日常检查 (14)4 系统维护与校准 (14)4.1 系统维护 (14)4.1.1 检查系统的完整性 (14)4.1.2 检测电池电压 (14)4.1.3 检测仪器的时钟 (15)4.1.4 检测机器人臂和光学头是否水平 (15)4.1.5 检测仪器的跟踪和对准器 (15)4.2 系统定标 (15)5 数据及格式 (16)6 安全及注意事项 (16)7 附录 (18)7.1 日检查表 (18)7.2 周检查表 (19)1 1 概述概述概述大气气溶胶光学厚度的测量可反映气溶胶粒子对太阳辐射的消光作用。

世界气象组织的全球大气观测网（WMO-GAW ）将大气气溶胶光学厚度的观测作为基本观测项目，目的是对全球大气本底气溶胶的变化趋势进行长期观测，进而研究其对全球和局地气候变化的影响。

同时气溶胶光学厚度的地基观测结果，也是对卫星光学遥感校准的一种重要的手段。

WMO-GAW 推荐了两种通过直接测量太阳分光辐射求出气溶胶光学厚度的方法，一种方法是采用一组短波截止滤光片和直接日射表相配合进行测量，另外一种是使用太阳光度计的测量方法。

我国区域大气本底监测站所使用的CE318型太阳光度计，是法国CIMEL 公司制造的一种自动跟踪扫描的太阳光度计。

该仪器在可见近红外波段有8个光谱通道，它不仅能自动跟踪太阳作太阳直射辐射测量，而且可以进行太阳等高度角天空扫描、太阳主平面扫描和极化通道天空扫描。

CE318能自动存储测量数据，并在测量完成后传输到计算机保存，它还可以通过卫星DCP 平台远程传输数据，实现无人管理自动测量、采集和远程数据传输。

CE318测得的直射太阳辐射数据和天空扫描数据，主要用来计算大气透过率，反演气溶胶光学和其它特性，如粒度谱、相函数等。

CE318太阳光度计不仅是一种大气气溶胶环境监测仪器，也可在遥感卫星传感器辐射定标时进行大气光学参数的测量。

2 2 系统结构及原理系统结构及原理系统结构及原理2.1 2.1 仪器工作原理仪器工作原理仪器工作原理2.1.1 2.1.1 大气光学厚度大气光学厚度大气光学厚度地面测得的直射太阳辐射E （W/m 2）在特定波长上根据Bouguer 定律，有：g T m R E E )exp(20τ−⋅=− （1）其中E 0是在一个天文单位（AU ）距离上的大气外界的太阳辐照度，R 是测量时刻的日地距离（AU ），m 是大气质量数，τ 为大气总的垂直光学厚度，T g 为吸收气体透过率。

若仪器输出电压V 与E 成正比，则公式（1）可写成：g T m R V V )exp(20τ−⋅=− （2）其中V 0是定标常数，在大气相对稳定条件下，进行不同太阳天顶角情况下的太阳直射辐射测量，仪器输出电压V 是m 的函数，V 0是从一系列观测值外插到m 为0时的电压值V 。

由lnV+lnR 2与m 画直线，直线的斜率就是垂直光学厚度-τ，截距就是太阳光度计在大气外界测得的电压信号V 0，这就是常说的Langley 法。

大气总的消光光学厚度τ由分子散射（Rayleigh ）、气体吸收消光（如臭氧，水汽）和气溶胶散射三部分组成，g a r ττττ++= （3）其中Rayleigh 光学厚度r τ由地面气压测值计算出来，在可见近红外波段气体吸收主要是臭氧和水汽的吸收。

在没有气体吸收的通道，式（3）右边的第三项可以忽略，那么从总的光学厚度减去Rayleigh 光学厚度，气溶胶的光学厚度就计算出来。

2.1.2 2.1.2 气溶胶参数气溶胶参数气溶胶参数对于气溶胶光学厚度，假定气溶胶粒子谱分布遵循容格（Junge ）分布，垂直大气柱气溶胶粒子尺度谱分布如式（4）：)1()()()(+−⋅==νr z c dr r dN r n （4）其中r 是球形粒子的半径，N(r)为单位面积上气溶胶粒子总数，ν是Junge 参数，因子C(z)与高度z 有关，正比于气溶胶的浓度。

在Junge 气溶胶谱类型和气溶胶复折射指数与波长无关条件下，气溶胶光学厚度与波长的关系满足公式（5）：2)(+−⋅=νλλτk a （5）式（5）中k 为Angstrom 大气浑浊度系数，是波长1µm 处大气气溶胶光学厚度。

由式（5）可知，我们可以通过测量气溶胶光学厚度的谱分布就能求出ν和k ，利用k 和ν继而可以求出其它波长上的气溶胶光学厚度。

2.1.3 2.1.3 改进改进Langley 法在地面测得的直射太阳辐射信号在940nm 附近水汽吸收带不符合Bouguer 定律，Bouguer 指数消光定律是对单色辐射而言。

依照Bruegge 和Halthore 在1992年的研究成果，水汽透过率这时用两个参数表达式来模拟：)exp(b w aw T −= （6）其中Tw 是通道上的水汽吸收透过率，w 是大气路径水汽总量，a 和b 是常数，在给定的大气条件下，它们与太阳光度计940nm 通道滤光片的波长位置、宽度和形状有关，还与大气中的温压递减率和水汽的垂直分布有关。

a 和b 由辐射传输方程模拟来确定。

为了在各种大气条件下能有效利用太阳光度计反演水汽量，有必要研究a 和b 对这些条件的灵敏度。

在940nm 水汽吸收带，太阳光度计对太阳直射辐照度的响应可表示为：w T m R V V ⋅−⋅=−)exp(20τ （7）其中τ 是Rayleigh 散射和气溶胶散射光学厚度，它们相互独立，气溶胶光学厚度通过其它通道（如870nm 和1020nm ）内插得到。

斜程水汽量w=m*PW ，PW 为垂直水汽柱总量。

将（6）式代入并两边取对数，得b b PW am R V Ln m LnV ⋅−=+−)(20τ （8）在稳定和无云大气条件下，以mb 值为X 轴，以上式左边为Y 轴画直线，直线的斜率为-a PW b ，Y 截距为Ln(V 0R -2)。

这就是通常所说的改进的Langley 法。

2.2 2.2 仪器结构仪器结构仪器结构CE318型太阳光度计主要由以下部分组成：（1）仪器主体：传感器头部、扫描步进马达和机械臂；（2）控制箱：提供软件控制预定的扫描和采样指令，获取数据，内置电池；图1为已架设好的CE318。

图1 CE318太阳光度计如图2所示，仪器主体的主要部件包括：安装在机械臂顶部的方位步进马达，机械臂的一侧是天顶角步进马达，另一侧是传感器头部。

对准器安装在传感器头部，在传感器内部有两个硅探测器，分别对应于两个对准器。

两个对准器具有同样的视场角（1.2°），但是具有不同的孔径。

它们结构上是一整体，并用一个长的螺钉向下紧固，以阻止光和水浸入。

较大的孔径对准器十倍于太阳对准器，提供必要的动态范围来观测天空。

滤光片轮安装在传感器内，它安装在对准器窗口和探测器之间。

滤光片轮由八个窄波段干涉滤光片组成，其光谱通道参数见表1。

表1CE318自动跟踪扫描太阳光度计光谱通道通道号CE318标准AERONET仪器通道中心波长nm 带宽nm 中心波长nm 带宽（nm）1 1020 10 340 102 870P1 10 380 103 670 10 440 104 440 10 500 105 870P2 10 670 106 870 10 870 107 936 10 940 108 870P3 10 1020 10注：P1、P2、P3为极化通道三根电缆（一根粗电缆连接传感器头部和控制箱，另两根电源电缆分别对应于两个马达）。

仪器主体连接在一个基盘上以便仪器安装在一个水平面上。

控制箱由一个控制模块组成。

控制模块是一个四方形白色的箱子，它准确控制扫描和CE318测量程序。

它内部有一电池，仅服务于仪器的软件部分。

控制箱也储存数据并能够被查询。

外部湿度传感器连接到控制箱上，控制传感器头在下雨时中止测量，并自动将光学头部置于PARK（停止工作）状态，并使对准器向下指向基座。

以上部件与所有电缆的连接采用防雨硅树脂密封在各自的箱子内。

图2 CE318太阳光度计结构示意图2.3 2.3 技术指标技术指标技术指标（1） 由直射太阳辐照度观测推出大气透过率。

（2） 垂直气溶胶光学厚度在大气质量数为2时的精度是±0.01-0.02。

（3） 由天空辐射测量可推出的气溶胶在0.1-3 µm 范围内的尺度谱分布，它用于辐射传输计算。

（4） 从尺度谱分布可推出气溶胶相函数。

3 3 系统安装及系统安装及系统安装及操作方法操作方法操作方法3.1 3.1 系统安装系统安装系统安装（1） 电缆连接：是各部件之间的电子连接，连接电缆线到控制箱，主要包括跟踪底座两根步进电机电缆（AZ 和ZN ）、外部电池电缆、传感器头部电缆、湿度传感器电缆等；（2） 配置控制测量单元：即输入日期时间和测点的经纬度见参数设置（3） 系统定位放置三脚架使太阳能板在北半球朝南，南半球朝北；架好三脚架后，调整三腿使太阳光度计底盘水平，调至水平后固定腿部； 将跟踪底座固定在一个稳定水平面上，但传感器头不要放上； 用螺丝刀将底座调平； 启动PARK 指令（指令的详细说明见下面章节）；底座到达PARK 位置，按如下方法固定传感器头：瞄准器朝下（天底） 传感器头连接器靠近轴用一塑料圈或金属弹簧固定传感器头的电缆； 启动GOSUN 指令，并调整传感器头电缆的位置转动底座使瞄准器对准太阳（通过沿着垂直轴转动整个系统）再次启动PARK 指令重复GOSUN 指令，确认是否对准太阳注：在P A R K 位置，高度角旋转轴朝向地理的东西方向，传感器头在西。

头部旋转面在子午面上。

方位角定位启动PARK 指令； 把步进马达系统放到架子上，并调节使其底座水平； 导引天顶马达控制轴朝西（垂直运动）； 启动GOSUN 指令； 用手水平转动马达系统底座，使对准器瞄准太阳。

当太阳的像尽可能接近对准孔，表明操作正确；使马达系统底座水平，如果必要，检查配置和修正平台的位置； 调整底座的螺钉，再次控制水平； 当所有螺丝固定之后，再检查所有前面的操作。