可见光到远红外波段气溶胶衰减计算模式

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强
激
光
与
粒
子
束
第２ １卷
式中 ： 表示任意波长λ 和任意高度犺 上的气溶胶衰减系数 ， 它近似地由两部分组成 犺） λ， β（ ） 犺）≈β（ ０ 犖（ 犺） λ， λ， β（ 式中 ： ） 表示近地面气溶胶衰减系数随波长分布 ； 表示随高度分布 。 ０ 犖（ 犺） λ， β（ １． １ 近地面气溶胶消光系数光谱分布 ］ １ ０ ） 谱分布 ［ Ｊ ｕ ｎ ｅ 众多的实际观测表明近地面气溶胶尺度谱分布可近似为容格 （ ｇ ｄ 犖 （ν ） １ － （ ） 狉－ ３ ＝ 犖０ ｄ 狉 ［ １ １］ 式中 ： 犖０ 表示气溶胶 粒 子数密度 ； ｕ ｎ ｅ指 数 ， ν表示Ｊ ν 一般 处于 ２～４ 之 间 。 给定气溶 胶复 折 射率 犿 及 其 ｇ 随波长变化 ， 用Ｍ 得到地面上 （ 归一化到 ０． ｉ ｅ程序计算气溶胶衰减效率因子 犙ｅ， ０ｋ ｍ） ５ ５μ ｍ 波 长气溶 胶的 相
（ ） ６
式中 ： 括号中的 ０ 表示近地面 ； 在海平面一般近似取 ０． ０ ０ １１ ５ ９ｋ ｍ－１ 。 其它波 长上 的 ｍ 表示近地面分子衰减 ， β
１ ）＝σ ） ） （ ） ０ ０ ０． ５ ５， ０ ７ λ， λ， ｅ（ β（ β（ 地面能见度可由能见度仪或激光雷达测量得到 ， 气溶胶 Ｊ ｕ ｎ ｅ指 数可 由 在上述近地面气溶胶计算模式中 ， ｇ １ ２］ 光学粒子计数器测得 ［ ， 对于气溶胶复折射率 ， 本气溶胶模式中采用一种经验公式结合已有的典型气溶胶成
中的近地面气溶胶衰减模式 （ 指随光谱变化的衰减系数 ） 仅有 ８ 种模式供选择 ， 分别是乡村型 （ 能见 度 ２ 、 ３ｋ ｍ） 乡村型 （ 能见度 ５ｋ 、 城市型 、 海洋型 、 海军海洋型 、 沙漠 型 、 平 流 雾 型 和 辐 射 雾 型， 由于气溶胶衰减系数是由 ｍ） 因此 ， 气溶胶尺度谱分布和气溶胶折射率计算而来的 ， ＭＯ Ｄ Ｔ Ｒ ＡＮ 近地面 气溶 胶衰减 模式 中 只 有 ８ 种 固 定 的 尺度谱分布和折射率分布 。０～２ｋ ｍ 高度区间有能见度为 ２， ５， １ ０， ２ ３和５ ０ｋ ｍ 时的 ５ 个 高度分 布 ， ２～１ ０ｋ ｍ 高 度区间也只有４ 种 ： 春夏季２ 春夏季５ 秋冬季５ ３ｋ ｍ、 ０ｋ ｍ 和秋冬季２ ３ｋ ｍ、 ０ｋ ｍ。 然而实际的气溶胶尺度谱
如红外制导系统 、 热红外成像系统 、 跟踪系统和搜索系统等 ， 必然受到大气的影 工作在大气中的光学系统 ， ［ １ ２］ ３］ 响 ， 大气能使到达接收系统的光辐射能量减弱 。 获得 大 气 衰 减 程 度 即 大 气 透 过 率 ， 可 以 采 用 仪 器 观 测［ 或 模式计算 。 仪器所能测量的波段范围有限 ， 并且只能测量水平 某一距离或整 层的 大 气 透 过 率 。 对 于 空 间 某 两
分的折射率计算得到 。 常用 等效的均 匀 球 形 粒 子 的 折 射 指 数 湿气溶胶粒子的折射指数是由干粒子和凝结的液态水 共同决 定的 ， ［ １ ３］ 总结出了气溶胶折射指数和相对湿度之间的函数 犿ｅ＝犿ｒ ｉ 犿ｉ ａ ｎ ｅ ｌ 经过大量的实验和理 论 验 证 ， ｅ－ ｅ表示 。 Ｈ 关系为
］ ７ 分布和高度分布与该模式中的尺度谱分布和高度分布肯定会有差异 。 吴北婴 等 ［ 曾经 检验 ＭＯ Ｄ Ｔ Ｒ ＡＮ 气 溶 胶模式的地域适用性 ， 指出 ＭＯ 在 Ｄ Ｔ Ｒ ＡＮ 中的气溶胶模式在低能见度下过高估计了气溶胶光学厚度约 ４ ０％ ，
高能见度下过低估计了气溶胶光学 厚 度 约 ３ ５％ 。 其 主 要 原 因 是 Ｌ ＯＷＴ Ｒ ＡＮ 的 气 溶 胶 模 式 对 于 某 种 类 型 气 与实际气溶胶模式有差异 。 溶胶采用固定不变的尺度谱分布和高度分布 ， 这 种实 测 尺 度 谱 分 布 仅 用 Ｊ 、 气 ｕ ｎ ｅ指 数 表 达 ） 本文建立了一种可以根据实际测量的气溶胶尺 度谱 分布 （ ｇ 可以是激光雷达廓线 ， 也可以是拟合的指数分布廓线仅用一个标高来表达 ） 、 地面能见度和相对 溶胶高度分布 （ 湿度计算气溶胶衰减的模式 ， 该模式中另外还提供了几种 污 染型气 溶胶复 折射 率 分 布 供 选 择 。 利 用 建 立 的 气 溶胶模式 ， 分析了气溶胶消光随气溶胶参数的变化规律 。 将 该模式嵌入到我 们研制 的 通 用 大 气 辐 射 传 输 软 件
３ － ［ ／ 犿ｒ 犿ｒ 狉（ 犎ｒ） 狉 ｅ ＝犿 ｒ ｗ＋（ ０ －犿 ｒ ｗ） ０］
（ ） ８
犿ｉ 犿ｉ 狉（ 犎ｒ） 犿ｉ 犿ｉ ０ ｗ ｅ ｗ （ ） ９ － ２ ＝ ２ ＋ ２ 狉 犿 ２ 犿 ２ 犿２ ２ 犿 ２ ＋ ＋ ０ ｒ ０ ｒ ｗ ｒ ｅ＋ ｒ ｗ＋ 式中 ： 下标 ｗ 和 ０ 分别表示水和干气溶胶粒子 ； ／ 狉（ 犎ｒ） 狉 ０ 表示湿气溶胶粒子半径与干气溶胶粒子半径之比
４］ 特定波段上的大气透过率 ， 根据实际测量的大气参数 ， 采 用理论 模 式 的 计 算 是 一 种 非 常 有 效 的 手 段 ［ 。气 点、
溶胶是大气中的重要组成部分 ， 气溶胶衰减的准确的模式计 算是从 事光 学系统研究 人员 所 关 注 的 一 项 重 要 内 容。
［］ 中的气溶胶模式是一种 广泛 使用 、 比较成 功的模式 。 其 Ｌ ＯＷＴ Ｒ ＡＮ ５ ） 低分辨率大气辐射传输计算软件 （ ［ ］ ６ 升级版本中分辨率辐射 传 输 计 算 软 件 （ 完全引用了 Ｌ ＭＯ Ｄ Ｔ Ｒ ＡＮ ） ＯＷＴ Ｒ ＡＮ 的 气 溶 胶 模 块 。 ＭＯ Ｄ Ｔ Ｒ ＡＮ
（
）［
］
３ －
狉（ 犎ｒ） （ ／ ／ １ 犱） １ 犱） －（ －（ （ ） １－６ ０％ ） ０ １ ０ ＝ １－ 犎ｒ） －（ ＋１． 狉 ０ 式（ ） 适用范围为 ６ 常数 犱 取 ３． 当相对湿度小于 ６ 我们研制的这种气 １ ０ ０％ ≤犎ｒ≤９ ５％ ， ５。 在此模式中 ， ０％ 时 ， 溶胶模式将不考虑相对湿度的影响 ， 而相对湿度大于 ９ 就取 ９ ５％ 时 ， ５％ 的极限值 。
１ 根据实测参数计算气溶胶衰减原理
任意波长地面到某个高度 犎 上的气溶胶衰减计算公式为
犜ａ 犎 ）＝ ｅ ｘ λ， ｐ－ ｅ ｒ ＝ （
２ ０ ０ ８ ０ ５ ０ ８； ２ ０ ０ ８ １ ０ １ ４ 收稿日期 ： 修订日期 ：
Hale Waihona Puke 犺） ｄ 犺］ λ， ［∫β（
０
犎
（ ） １
［ １ ４ １ ５］ 型和火山灰污染型 ８ 种类型的折射率 。 每 种 类 型 的 干 气 溶 胶 粒 子 化 学 成 分 及 混 合 比 见 表 １ ， 其折射率分
布取自文献 ［ ］ 。 另外 ， 还提供一种自定义气溶胶折射率类型 ， 由用户根据实际情况 输入当 时的 气溶 胶 １ ４， １ ６ １ ９ 复折射率 。 我们以沙漠 按照上面介绍的计算气溶胶粒子等效折射率的方法及 各种气 溶胶 类型干粒 子成分 的 混 合 比 ， 海洋型和大陆型 ３ 种类型 气 溶 胶 为 例 ， 计 算 了 在 不 同 相 对 湿 度 下 的 折 射 率， 相对湿度分别取６ 型、 ０％ ， ７ ０％ ， 结果如图 １ 所示 。８ 种污染型的气溶胶折 射率 分 布则由 于 篇 幅 有 限 ， 只把干粒子的折射率 ８ ０％ ， ９ ０％ 和 ９ ５％ ， 显示在图 ２ 中 ， 图上的数字代表表 １ 中对应的折射率类型 。 因为粒子的折射率实部代表了粒子的散射特性 ， 而 折射率虚部代表了粒子的吸收特性 。 从图 １ 和图 ２ 可以看出不同的粒子和在不同的相对湿度情况下会有完全 不同的散射和吸收特性 。
可见光到远红外波段气溶胶衰减计算模式
陈秀红 ， 魏合理 ， 李学彬 ， 徐赤东 ， 徐青山
（ 中国科学院 安徽光学精密机械研究所 大气光学中心 ，合肥 ２ ） ３ ０ ０ ３ １

、 地 面 能 见 度、 相对湿度和气溶胶衰减 Ｊ ｕ ｎ ｅ指 数 ） 摘 要 ： 建立了一种根据实测的气 溶 胶 尺 度 谱 分 布 （ ｇ 廓线计算空间任意两点的气溶胶衰减 计 算 模 式 ， 光谱波段范围覆盖了从可见光到远红外（ 。 １～２ ５０ ０ ０ｃ ｍ－１ ） 利用该气溶胶模式及国际上流行软件 ＭＯ 实测气溶 Ｄ Ｔ Ｒ ＡＮ 中的气溶胶模 式 同 时 和 光 栅 太 阳 辐 射 计 （ ｓ １ ０ ０） ｐ ｇ 胶衰减 进 行 了 对 比 ， 这 种 模 式 与 ＭＯ 因考虑了气溶胶的实际尺度谱分布和高度分布， 计算结果 Ｄ Ｔ Ｒ ＡＮ 相 比 ， 结果表明 ： 气溶胶衰减受 各 参 更接近实测值 。 利用所建立的气溶胶模式还分析了气溶胶衰减受各参数的影响 ， 数影响较大 ， 说明实测气溶胶参数在计算气溶胶衰减 中 起 重 要 作 用 。 将 此 气 溶 胶 模 式 嵌 入 到 我 们 自 己 研 制 的 通用大气辐射传输软件 Ｃ 有助于提高计算精度和增强功能 。 Ａ Ｒ Ｔ 中进行大气透过率和大气辐射传输的计算 ， ｕ ｎ ｅ指数 ； 关键词 ： 气溶胶衰减模式 ； Ｊ 地面能见度 ； 相对湿度 ； 气溶胶衰减廓线 ｇ Ｐ ４ １； ２ １ 文献标志码 ： 中图分类号 ： Ｔ ＴＮ Ａ
［ ］ ８ ９ （ ， 当 中 进 行 大 气 透 过 率 和 大 气 辐 射 的 计 算， 有助于提高 ｃ ｏ ｍ ｂ ｉ ｎ ｅ ｄａ ｔ ｍ ｏ ｓ ｈ ｅ ｒ ｅｒ ａ ｄ ｉ ａ ｔ ｉ ｖ ｅ ｔ ｒ ａ ｎ ｓ ｆ ｅ ｒ Ｃ Ａ Ｒ Ｔ） ｐ Ｃ ＡＲ Ｔ 软件的计算精度和扩展其功能 。
第２期
陈秀红等 ： 可见光到远红外波段气溶胶衰减计算模式
表 １ 各气溶胶成分及混合比 犜 犪 犫 犾 犲１ 犆 狅 犿 狅 狀 犲 狀 狋 狊犪 狀 犱狋 犺 犲 犻 狉 狉 犪 狋 犻 狅 狊狅 犳 犲 犪 犮 犺犽 犻 狀 犱狅 犳 犪 犲 狉 狅 狊 狅 犾 狊 狆
１ 卷第 ２ 期 第２ ０ ０ ９年２月 ２