太阳光度计天空辐射亮度观测

太阳光度计天空辐射亮度观测的浅析

【摘要】目前ce-318太阳光度计被各广泛应用于气象观测中，为了使人们了解ce-318太阳光度计工作原理、数据存储格式及解读方法，使观测数据更好地发挥作用，本文介绍了太阳光度计在天空观测（主要在大气气溶胶的观测）方面的应用，并将根据观测资料讨论太阳光度计的后续研究方向。

【关键词】太阳光度计；天空亮度；气溶胶

1.引言

全自动太阳光度计ce-318，是一种自动跟踪扫描太阳辐射计。测得的直射太阳辐射数据和天空扫描数据，主要用来计算大气通透率，反演气溶胶光学和其他特性，如粒度谱、相函数等。

大气气溶胶是由固态或液态的质粒分散到空气中形成的分散体系。悬浮在大气中的大气气溶胶颗粒的直径通常小于10，它们对大气辐射传输和水循环均有重要的影响[1]。近年来先后出现的臭氧层的破坏、酸雨的形成、北极霾、烟雾事件[2]等现象都与大气气溶胶密切相关。

由于气溶胶对天空的亮度存在很大的影响，因而，我们可以利用ce-318 获得的太阳直接辐射数据来反演南京地区的大气气溶胶光学厚度，并对反演所得的结果进行分析，从而判断南京地区天空亮度的日变化和随季节的不同或天气状况的不同而产生的变化。2.测量仪器和测量原理

2.1 ce-318型太阳光度计

图1 ce-318太阳光度计结构示意图[3]

本文采用的是测量仪器是全自动太阳分光光度计ce-318，待测的天空亮度能直接从测量仪器中读出。

ce-318由一个光学头、一个控制箱和一个双轴步进马达系统组成，光学头带有两个瞄准筒：一个用于测量太阳直射辐射不带聚光透镜，另一个用于天空辐射测量带有聚光透镜。在光学头上还装有四象限探测器用于太阳自动跟踪时的微调。控制箱内装有2个微处理器，分别用于数据获取和步进马达系统的控制。在全自动测量状态，如附设的“湿度传感器”探测到降雨，控制箱将置光度计于停机状态，以保护仪器的光学系统。步进马达系统具有方位和测量高度角两个自由度，由时间方程来控制太阳的初步跟踪，用四象限探测器系统作精密跟踪。

ce-318型太阳光度计测得的太阳直接辐射数据可用来反演计算大气透过率、气溶胶光学厚度、大气水汽柱总量和臭氧总量等。天空扫描数据可以反演大气气溶胶粒子尺度谱分布及气溶胶相函数，表1给出了极化式太阳光度计各特征波段的中心值、带宽及对应的主要途径。该仪器不仅是一种大气气溶胶环境监测仪器，还可以用于卫星遥感产品真实性检验和气溶胶气候研究。

表1 ce-318型太阳光度计光谱通道[4]

通道号 ce-318标准主要用途

中心波长带宽/nm

1 1020nm 10

2 870p1 10 光的偏振

3 670nm 10 大气臭氧含量

4 440nm 10

5 870p2 10 光的偏振

6 870nm 10

7 936nm 10 大气柱水汽含量

8 870p3 10 光的偏振

注：p1、p2、p3为极化通道

2.2 ce-318型太阳光度计基本观测原理

地面测得的直接太阳辐射e在给定波长上根据bouguer定律[5]，=r-2exp（- m）

（1）

式（1）中，是在一个天文单位距离上的大气外界的太阳辐照度，r是测量时的日地距离因子，m是大气质量数，是大气总光学厚度，为吸收气体透过率。若仪器输出电压v代表e，式（1）可以写成

v=vr-2exp（- m）

（2）

式（2）中，v是仪器的标定常数。

3.太阳光度计资料解读方案

3.1太阳光度计应用软件

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。ce-318 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。ce-318 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。

3.2太阳光度计遥测数据格式

根据需求可以应用astpwin软件将每个“.k7”文件转换为8个asc ⅱ码文件，文件类型和表2第一列相同，应用ssk类型文件可计算大气气溶胶光学厚度和大气可降水量。

表2 ce-318太阳光度计asc ⅱ码文件类型[6]

文件类型作用说明

ssk 表示8个通道3次sun测量数据和7个通道3次sky测量sta 表示仪器状态数据

blk 表示暗电流测量数据

all 表示等高度角扫描向左扫描半圈的数据

alr 表示等高度角扫描向右扫描半圈的数据

ppp 表示主平面极化通道扫描数据

ppl 表示主平面扫描数据

nsu 表示8个通道3次sun测量数据

而我们将用的文件类型为：all（表示等高度角扫描向左扫描半

圈的数据）、alr（表示等高度角扫描向右扫描半圈的数据）、ppl（表示主平面扫描数据）。

4.后续研究方向

4.1资料的采用

ce-318 可以自动跟踪太阳进行测量，当太阳被云遮蔽或大气中沙尘含量较大以及云多不能分辨时都没有读数，因此只有在一定范围内无云条件下才能进行太阳直接辐射的测量。因而，我们可以对一天中记录完整的数据进行统计，每月各有多少天，全年共有多少天，这些资料可以分别代表春、夏、秋、冬四季的不同气候条件下的太阳直接辐射强度。采用这些太阳直接辐射数据计算出它们所对应的大气气溶胶光学厚度，然后分析气溶胶光学厚度的时间分布特征及其随时间的变化规律，为人们更好地了解南京地区大气气溶胶状况及对大气污染情况的监测提供参考依据。需要指出的是，由于受到无云条件的制约，观测时间可能不连续，并且分析的结果仅代表晴好少云天气条件下的大气气溶胶光学厚度的变化规律。

4.2研究：大气气溶胶光学厚度特征及其变化规律；气溶胶对天空辐射亮度观测的影响

由于在可见光和近红外范围内某一给定的波长上，气溶胶光学厚度的特征和变化规律具有多样性，不同的大气条件、地理位置以及大气气溶胶在实际大气中的扩散、凝结、碰并、沉降等物理过程都很有可能导致气溶胶光学厚度具有完全不同的变化规律，因