MicrotopsⅡ型太陽光度計測量氣溶膠光學(xué)厚度的原理和方法

王素俠 楊彬云 相 云 彭相瑜

1河北省氣象技術(shù)裝備中心 石家莊 050021； 2河北省氣象科學(xué)研究所 石家莊 050021 3河北省氣象災(zāi)害防御中心 石家莊 050021

0 引言

大氣氣溶膠是懸浮在大氣介質(zhì)中的固態(tài)和液態(tài)顆粒物的總稱,粒子的空氣動力學(xué)直徑很小足以懸浮于空氣之中。由于大氣氣溶膠是氣候變化和環(huán)境變化的一個重要因素，氣溶膠光學(xué)特性的研究受到普遍關(guān)注。其中氣溶膠光學(xué)厚度,英文名稱為AOD（Aerosol Optical Depth）是氣溶膠中最重要的參數(shù)之一，其定義為介質(zhì)的消光系數(shù)在垂直方向上的積分，反映氣溶膠對光的衰減作用，是表征大氣渾濁程度的關(guān)鍵的物理量。使用太陽光度計來獲得氣溶膠光學(xué)厚度是目前主要測試要手段。

本文主要介紹利用Microtops Ⅱ5通道手持式太陽光度計計算大氣光學(xué)厚度和水汽的原理及方法。并通過試驗(yàn)驗(yàn)證其測量結(jié)果的可靠性。

1 太陽光度計基本參數(shù)的設(shè)定

利用儀器面板上的菜單鍵逐項(xiàng)設(shè)置儀器的定標(biāo)參數(shù)，包括有輻射通量密度定標(biāo)參數(shù)、大氣氣溶膠光學(xué)厚度的定標(biāo)參數(shù)、水汽總量的定標(biāo)參數(shù)、氣壓的定標(biāo)參數(shù)。以上各參數(shù)均為儀器出廠前標(biāo)定好的，如果這些參數(shù)設(shè)定錯誤將直接導(dǎo)致計算結(jié)果的錯誤。各參數(shù)的意義見表1。

表1 Microtops Ⅱ型太陽光度計各參數(shù)的意義

2 大氣氣溶膠光學(xué)厚度測量原理及計算方法

氣溶膠光學(xué)厚度隨自身波長的變化可以通過對太陽直接輻射的觀測測量來計算獲得。利用比爾-朗伯定律，可實(shí)現(xiàn)太陽光度計在中心波長λ的光譜輻照度對氣溶膠光學(xué)厚度的計算。

根據(jù)比爾-朗伯定律，通過大氣到達(dá)地面測站的太陽直接輻射通量密度為：

對公式（1）兩邊取自然對數(shù)后，得到如下計算公式：

如果已知 ，整層大氣的光學(xué)厚度可以由下式求出：

大氣總光學(xué)厚度是由分子散射（Rayleigh）,氣體吸收消光（如臭氧、水汽）和氣溶膠散射三部分組成。用方程表示為：

從總的光學(xué)厚度 減去瑞麗散射光學(xué)厚度 就等于氣溶膠光學(xué)厚度 ，可簡化成下式：

3 MicrotopsⅡ型太陽光度計觀測試驗(yàn)

3.1 AOD的計算

利用專業(yè)軟件將觀測數(shù)據(jù)導(dǎo)入到計算機(jī)文件,打開數(shù)據(jù)文件讀取儀器的各項(xiàng)參數(shù)和觀測數(shù)據(jù),利用上述公式計算不同波段的大氣氣溶膠光學(xué)厚度。

3.2 觀測試驗(yàn)及結(jié)果分析

河北省氣象技術(shù)裝備中心在氣象大廈樓頂利用Microtops Ⅱ型太陽光度計進(jìn)行了為時一天的采樣觀測，觀測時間間隔為1小時。通過計算得出了逐小時不同波段的大氣光學(xué)厚度（見表2）。

由表2可知，氣溶膠光學(xué)厚度的日變化為逐漸增加到午后5-6時（世界時）出現(xiàn)最高值，而后逐漸減小。該變化與氣壓的日變化一致，與太陽天頂角的變化相反。說明利用上述公式可以較好計算晴天條件下的大氣氣溶膠光學(xué)厚度（AOD）。MicrotopsⅡ型5通道手持式太陽光度計正是利用這一原理合理實(shí)現(xiàn)了對大氣氣溶膠光學(xué)厚度的觀測。

表2 各通道逐時氣溶膠大氣光學(xué)厚度

4 結(jié)束語

本文主要介紹了利用Microtops Ⅱ型5通道手持式太陽光度計監(jiān)測計算大氣氣溶膠光學(xué)厚度的原理和方法，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證該儀器作為AOD觀測的可靠性和合理性，為儀器的使用提供支持和依據(jù)。需要注意的是在進(jìn)行觀測時一定要準(zhǔn)確地獲取儀器的各項(xiàng)參數(shù)，并記錄當(dāng)時的相關(guān)氣象要素。儀器的使用和數(shù)據(jù)采集應(yīng)嚴(yán)格按照其技術(shù)規(guī)定進(jìn)行。

[1]節(jié)泰,李成才.氣溶膠輻射特性的觀測研究[J].氣象學(xué)報，2005,63(5)：622-635.