邊界層氣溶膠類型對中紅外光波傳輸?shù)挠绊?/h1>
2015-04-06 08:12:02劉丹丹黃印博嚴正權吳克躍魏相飛
激光與紅外 2015年2期
劉丹丹,黃印博,嚴正權,周 軍,吳克躍,魏相飛
(1.皖西學院,安徽 六安 237012;2.中國科學院安徽光學精密機械研究所大氣成分與光學重點實驗室,安徽 合肥 230031)
·光電技術與系統(tǒng)·
邊界層氣溶膠類型對中紅外光波傳輸?shù)挠绊?/p>
劉丹丹1,黃印博2,嚴正權1,周 軍1,吳克躍1,魏相飛1
(1.皖西學院,安徽 六安 237012;2.中國科學院安徽光學精密機械研究所大氣成分與光學重點實驗室,安徽 合肥 230031)
主要利用MODTRAN5.0分析了2～5 μm波段五種類型的邊界層氣溶膠對整層大氣透過率的影響及背景對流層氣溶膠對高空上行傳輸背景下透過率的影響。結果表明：對于2～5 μm波段的整層大氣,在2.0～2.5 μm及3.5～4.0 μm波段氣溶膠對大氣透過率的影響較大,且相同背景下大氣能見度越低,氣溶膠對大氣透過率的影響越大,因此,計算整層大氣透過率時不僅需要考慮氣溶膠類型對透過率的貢獻,同時需要考慮能見度對透過率的影響；對于高空上行傳輸背景下的大氣,絕大多數(shù)波段內(nèi)的透過率隨著初始高度的增加而增加,且兩種類型下的背景對流層氣溶膠下的最大透過率相對不考慮氣溶膠時分別降低了9.25%及8.97%,就其絕對偏差而言,計算高層大氣透過率時可以不考慮背景對流層氣溶膠類型的影響。因此對于地基測量系統(tǒng)需要考慮邊界層氣溶膠對其輻射的衰減,尤其是能見度較低的時候；對于機載光電系統(tǒng)氣溶膠對其能量衰減小,尤其在10 km以上傳輸高度,且適當?shù)靥岣叱跏紓鬏敻叨瓤梢詼p小大氣對其衰減。關鍵詞：大氣氣溶膠；大氣透過率；能見度；MODTRAN5.0
and Fine Mechanics,Chinese Academy of Sciences,Hefei 220031,China)
1 引 言
大氣氣溶膠是指氣體和重力場中具有一定穩(wěn)定性的、沉降速度小的粒子的混合系統(tǒng)[1-2]。按照不同的分類方式可以將氣溶膠分成多種類型,從污染模式、氣候模式以及光學特性將氣溶膠分為大陸、海洋、鄉(xiāng)村、城市(大陸)、海洋、背景和平流層氣溶膠[3-4]。常用的輻射傳輸軟件中一般依據(jù)空間高度將氣溶膠分為不同的類型,例如中等分辨率的Modtran軟件先將整個大氣層分為0～2 km、2～10 km、10～30 km及30～100 km四個高度,然后對每一層氣溶膠類型進行劃分：0～2 km高度氣溶膠分為鄉(xiāng)村型、城市型、海洋型及沙漠型；2～10 km高度范圍內(nèi)用對流層氣溶膠模型,10～30 km高度范圍內(nèi)使用平流層氣溶膠模型；30～100 km高度范圍內(nèi)使用流星塵埃模式[5-8]。作為地氣系統(tǒng)的重要組成之一的大氣氣溶膠,不僅引起輻射傳輸能量的衰減,且造成大氣傳輸中圖像的模糊及對比度的下降。而近、中紅外光譜區(qū)間(2～5 μm)是地面和大氣熱輻射的主要區(qū)間,也是眾多光電系統(tǒng)工程的應用范圍,該光譜范圍內(nèi)的大氣透過率特性尤為重要[9]。在此波段,由于大氣氣溶膠對其整個波段平均透過率的貢獻較小,研究人員常只考慮分子吸收對大氣透過率的貢獻而忽略大氣氣溶膠的影響,這種忽略對實際工程應用必將帶來一定的誤差,況且氣溶膠對大氣透過率的貢獻還受背景環(huán)境(能見度、溫度及濕度)的影響。
針對地基測量系統(tǒng),如果輻射傳輸路徑穿過整個大氣層,整層大氣(包括氣體分子及氣溶膠)對輻射的衰減比較嚴重；而對機載測量系統(tǒng),其輻射衰減受到其傳輸路徑上大氣成分的影響。因此,本文擬針對光電系統(tǒng)工程常用的2～5 μm波段,利用MODTRAN 5.0輻射傳輸軟件(開展五種類型邊界層氣溶膠(海洋型VIS=23 km、鄉(xiāng)村型VIS=23 km及5 km、城市型VIS=5 km、沙漠型VIS=5 km)對整層大氣透過率的影響及背景對流層氣溶膠對高空上行傳輸(初始高度10 km、11 km、12 km、13 km、14 km)背景下的透過率及其隨高度變化的規(guī)律。以期為地基測量及機載測量提供初步的大氣修正。
2 邊界層氣溶膠對整層大氣透過率的影響
利用Modtran 5.0及Hitran 08數(shù)據(jù)庫計算了2～5 μm波段、5種邊界層氣溶膠(Rural-VIS=23 km,Rural-VIS=5 km,Martime-VIS=23 km,Urban-VIS=5 km,Desert-VIS=5 km)對大氣透過率的影響。
圖1是考慮5種邊界層氣溶膠,利用Modtran 5.0及Hitran 08數(shù)據(jù)庫計算的整層大氣透過率?？紤]邊界層氣溶膠時的透過率均小于不考慮氣溶膠時的透過率,特別是在2.0～2.5 μm及3.5～4.0 μm波段；在相同波段范圍內(nèi),能見度23 km的鄉(xiāng)村型氣溶膠下的透過率最大,透過率依次減小對應的邊界層氣溶膠類型分別是：能見度23 km海洋型氣溶膠、能見度5 km鄉(xiāng)村型氣溶膠、能見度5 km城市型氣溶膠、能見度5 km風速4.1m/s的沙漠型氣溶膠。對于同為鄉(xiāng)村型氣溶膠,能見度為5 km時的透過率小于能見度為23 km時的結果,這說明能見度影響氣溶膠對大氣透過率的貢獻。
圖1 五種邊界層氣溶膠的大氣透過率
圖2 五種邊界層氣溶膠的大氣透過率相對無氣溶膠時的絕對偏差
圖2是5種邊界層氣溶膠透過率相對無氣溶膠時的絕對偏差。從圖可以看出：在2.5～3.0及4.25～4.5 μm波段五種邊界層氣溶膠對透過率的影響較小,其相對不考慮氣溶膠時的透過率基本相當,但 2.0～2.5、3.0～4.25及4.5～5.0 μm波段邊界層氣溶膠對大氣透過率的影響較大。能見度23 km鄉(xiāng)村型氣溶膠的最大絕對偏差為-0.04(2.3 μm左右)；能見度23 km海洋型氣溶膠的最大絕對偏差為-0.12(2.2 μm)；能見度5 km鄉(xiāng)村型氣溶膠的最大絕對偏差為-0.15；能見度5 km城市型氣溶膠為-0.20；能見度5 km風速4.1 m/s的沙漠型氣溶膠為-0.19；就最大絕對偏差而言,能見度為23 km的鄉(xiāng)村型氣溶膠對大氣透過率的影響較小,但其他類型氣溶膠在某些波長處對大氣透過率的影響較大。
3 背景對流層氣溶膠對高空傳輸大氣透過率的影響
以下主要分析不同初始高度上的大氣透過,并計算了初始高度每增加1 km其透過率的變化量；并比較背景對流層氣溶膠的大氣透過率。
圖3 是對流層氣溶膠在5種初始高度上(10 km、11 km、12 km、13 km、14 km)的透過率。當2～30 km高度上的氣溶膠選為背景對流層氣溶膠時,透過率隨著初始高度的增加而增大,但增大幅度隨著初始高度的增加而減小,如：當初始高度由10 km增加到14 km,每增加1 km其透過率最大值分別增加了0.34、0.26、0.16及0.09,如圖4所示。
圖3 背景對流層氣溶膠在5種初始高度上的透過率
圖4 背景對流層氣溶膠相鄰兩種初始高度上透過率之差
圖5是中等火山氣溶膠在5種初始高度上(10 km、11 km、12 km、13 km、14 km)的透過率。透過率隨著初始高度的增加而增大；與背景對流層氣溶膠時相同,其增大幅度隨著初始高度增加而減小,如：當初始高度由10 km增加到14 km,每增加1 km其透過率最大值分別增加了0.34、0.26、0.16及0.09(如圖6所示)。
圖5 中等火山氣溶膠在5種初始高度上的透過率
圖6 中等火山氣溶膠相鄰兩種初始高度上透過率之差
圖7是強火山氣溶膠在5種初始高度上(10 km、11 km、12 km、13 km、14 km)的透過率。透過率隨著初始高度的增加而增大；與前兩種氣溶膠相似,透過率的增大幅度隨著初始高度增加而減小(如圖8所示)。
圖9是中等強度火山爆發(fā)及大型強度火山爆發(fā)氣溶膠相對背景對流層氣溶膠的絕對偏差。在2～5 μm波段、5種初始高度上(10 km、11 km、12 km、13 km、14 km),中等強度火山爆發(fā)氣溶膠對大氣透過率的影響相對較小,而大型火山爆發(fā)氣溶膠對大氣透過率的影響較大；在10 km、11 km、12 km及13 km 初始高度上,中等火山爆發(fā)及大型火山爆發(fā)時透過率的絕對偏差均是負值,且在4種初始高度
圖7 強火山氣溶膠在5種初始高度上的透過率
圖8 強火山氣溶膠相鄰兩種初始高度上透過率之差
圖9 不同初始高度,中等強度火山及大型火山氣溶膠相對背景對流層氣溶膠的絕對偏差
上的最大絕對偏差均不超過-0.0036和-0.0129；在14 km初始高度,兩種火山爆發(fā)時透過率的絕對偏差絕大部分為正值,說明比背景對流層氣溶膠下的透過率大。兩種火山爆發(fā)下透過率的最大絕對偏差分別為0.0925及0.0897；就其絕對偏差而言,不同類型背景層氣溶膠在5種初始高度上的透過率基本相當；在誤差允許范圍內(nèi),計算高層大氣透過率時可以不考慮背景對流層氣溶膠的類型的影響。
4 小 結
本文主要考慮氣溶膠的影響,利用MODTRAN 5.0計算分析了幾種典型邊界層氣溶膠對整層大氣透過率的影響；并分析了背景對流層氣溶膠下的大氣透過率。結果表明：
(1)在相同波段范圍內(nèi),能見度23 km的鄉(xiāng)村型氣溶膠下的透過率最大,透過率依次減小對應的邊界層氣溶膠類型分別是：能見度23 km海洋型氣溶膠、能見度5 km鄉(xiāng)村型氣溶膠、能見度5 km 城市型氣溶膠、能見度5 km風速4.1m/s的沙漠型氣溶膠。與不考慮氣溶膠時相比較,其最大絕對偏差均較小,但氣溶膠對2.0～2.5 μm及3.5～4.0 μm波段內(nèi)的透過率貢獻較大。因此使用地基測量系統(tǒng)接受輻射信號時需要考慮邊界層氣溶膠對其能量的衰減,尤其是在能見度比較低時這種衰減更為嚴重。
(2)無論是背景對流層氣溶膠、中等火山爆發(fā)氣溶膠還是大型火山爆發(fā)氣溶膠,其透過率均是隨著初始高度的增加而增大,但增大幅度隨著初始高度的增加而減小,對于機載測量系統(tǒng)可以適當提高傳輸初始高度減小大氣對其輻射的衰減。
(3)在2～5 μm波段、5種初始高度上(10 km、11 km、12 km、13 km、14 km),中等強度火山爆發(fā)氣溶膠對大氣透過率的影響相對較小,而大型火山爆發(fā)氣溶膠對大氣透過率的影響較大;兩種火山爆發(fā)下透過率的最大絕對偏差分別為0.0925及0.0897；就其絕對偏差而言,不同類型背景層氣溶膠在5種初始高度上的透過率基本相當。
氣溶膠對整層大氣透過率的影響較大,不同邊界層氣溶膠對整層大氣透過率的貢獻不同,尤其是在能見度較低的時候?qū)ν高^率的影響較大,因此地基測量輻射信號時需要考慮氣溶膠對透過率的影響,尤其是低能見度時更需要考慮氣溶膠的影響；對于高空傳輸場景,其背景對流層氣溶膠對透過率的影響較小,適當?shù)奶岣邆鬏敻叨瓤梢蕴岣咄高^率,因此對于機載測量輻射信號時可以不考慮氣溶膠對其能量的衰減,且可以適當?shù)奶岣叱跏几叨葴p小大氣對其影響。
[1] R Z Rao.Modern atmospheric optics[M].Beijing:Science Press,2012.(in Chinese) 饒瑞中.現(xiàn)代大氣光學[M].北京：科學出版社,2012.
[2] HAN Yong.Measurments and statistical characteristices of atmospheric aerosol optic properties[D].Heifei:Anhui Institute of Optics & Fine Mechanics the Chinese Academy of Sciences，2006.(in Chinese) 韓永.大氣氣溶膠光學特性綜合測量及統(tǒng)計特征分析[D].合肥：中科院安徽光學精密機械研究所,2006.
[3] CHEN Xiuhong.Development of the combined atmospheric radative transfer software[D].Heifei:Anhui Institute of Optics & Fine Mechanics the Chinese Academy of Sciences，2010.(in Chinese) 陳秀紅.通用大氣輻射傳輸軟件CART研制[D].合肥：中科院安徽光學精密機械研究所,2010.
[4] CHEN Xiuhong,WEI Heli,et al.Comparison of infrared atmospheric transmittance calculated by CART software with measured values[J].Laser & Infrared,2009,39(4)：403-406.(in Chinese) 陳秀紅,魏合理,等.CART軟件計算的紅外大氣透過率和實測值比較[J].激光與紅外,2009,39(4)：403-406.
[5] Berk A,Anderson G P,Achsrya P K,et al.MODTRAN4 User’s manual [M].Hanscom AFB MA:Air Research Laboratory Space Vehicle Directorate Air Force Material Command,1997.
[6] CHEN Xiuhong,WEI Heli,LI Xuebin,et al.Calculating model for aerosol extinction from visible to far infrared wavelength[J].High Power Laser and Particle Beams,2009,21(2):0183-0189.(in Chinese) 陳秀紅,魏合理,李學彬,等.可見光到遠紅外波段氣溶膠衰減計算模式[J].強激光與粒子束,2009,12(2):0183-0189.
[7] WANG Di,LI Chengfang,XIONG Fei.The method of calculate the transmittance of infrared radiation through atmosphere and compared with MODTRAN[J].Optical Technique,2006,32(Sup):0293-0295.(in Chinese) 王迪,李承芳,熊飛.大氣紅外輻射傳輸?shù)暮啽闼惴ㄅcMODTRAN 的比較[J].光學技術,2006,32(增刊):0293-0295.
[8] CHEN Xiuhong,WEI Heli.Variation of Infrares atmospheric transmittance based on atmospheric models in tapical regions of China[J].Laser & Infrared,2008，38(11):1090-1093.(in Chinese) 陳秀紅,魏合理.基于中國典型地區(qū)大氣模式的紅外透過率變化特征[J].激光與紅外,2008，38(11):1090-1093.[9] K N Liou.An Introduction to atmospheric raditation[M].Beijing:China Meteorological Press,2004.(in Chinese) 廖國男.大氣輻射導論[M].北京:氣象出版社,2004.
Influence of the boundary layer aerosol model on the mid-infrared light-wave transmission
LIU Dan-dan1,HUANG Yin-bo2,YAN Zheng-quan1,ZHOU Jun1,WU Ke-yue1,WEI Xiang-fei1
(1.West Anhui University,Lu′an 237012,China;2.Key Laboratory of Atmospheric Composition and Optical Radiation,Anhui Institute of Optics
The influence of five types of the boundary layer aerosol on the atmospheric transmittance and the influence of background troposphere aerosol on the transmittance under uplink condition in 2～5 μm waveband were analyzed by using MODTRAN5.0 software. The results show that the effects of atmospheric aerosol on atmospheric transmittance in 2～2.5 μm and 3.5～4.0 μm spectral range are heavy. The aerosol has greater influence on the atmospheric transmittance with the reduction of atmospheric visibility,thus it needs to consider the influences of aerosol models and visibility on atmospheric transmittance when atmospheric transmittance is calculated. The maximum absolute deviations of the atmospheric transmittance of tropospheric aerosol for two kinds of background are 9.25% and 8.97% respectively. In terms of its absolute deviation,tropospheric aerosol can not be considered when the atmospheric transmittance of high-altitude transmission is calculated. The attenuation of the boundary layer aerosol on radiation is considered for ground based measurement system,especially when visibility is low. The attenuation of the aerosol on energy is small for airborne photoelectric system,especially when transmission altitude is above 10 km. So to decrease the attenuation of atmosphere,the initial transmission altitude should be increased.
atmospheric aerosol; atmospheric transmittance; visibility; MODTRAN 5.0
1001-5078(2015)02-0189-05
國家自然科學基金項目(No.40905009);安徽省自然科學基金項目(No. 1408085QA13); 安徽省2013年振興計劃新專業(yè)改造與建設-光源與照明項目(No.2013zytz056)資助。
劉丹丹(1986-)，女，碩士，主要從事激光大氣傳輸數(shù)值計算研究。E-mail:baobaoldd@126.com
2014-06-19;
2014-07-13
O432.1;P427.1
A
10.3969/j.issn.1001-5078.2015.02.016
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(1.皖西學院,安徽 六安 237012;2.中國科學院安徽光學精密機械研究所大氣成分與光學重點實驗室,安徽 合肥 230031)
·光電技術與系統(tǒng)·
邊界層氣溶膠類型對中紅外光波傳輸?shù)挠绊?/p>
劉丹丹1,黃印博2,嚴正權1,周 軍1,吳克躍1,魏相飛1
(1.皖西學院,安徽 六安 237012;2.中國科學院安徽光學精密機械研究所大氣成分與光學重點實驗室,安徽 合肥 230031)
主要利用MODTRAN5.0分析了2～5 μm波段五種類型的邊界層氣溶膠對整層大氣透過率的影響及背景對流層氣溶膠對高空上行傳輸背景下透過率的影響。結果表明：對于2～5 μm波段的整層大氣,在2.0～2.5 μm及3.5～4.0 μm波段氣溶膠對大氣透過率的影響較大,且相同背景下大氣能見度越低,氣溶膠對大氣透過率的影響越大,因此,計算整層大氣透過率時不僅需要考慮氣溶膠類型對透過率的貢獻,同時需要考慮能見度對透過率的影響；對于高空上行傳輸背景下的大氣,絕大多數(shù)波段內(nèi)的透過率隨著初始高度的增加而增加,且兩種類型下的背景對流層氣溶膠下的最大透過率相對不考慮氣溶膠時分別降低了9.25%及8.97%,就其絕對偏差而言,計算高層大氣透過率時可以不考慮背景對流層氣溶膠類型的影響。因此對于地基測量系統(tǒng)需要考慮邊界層氣溶膠對其輻射的衰減,尤其是能見度較低的時候；對于機載光電系統(tǒng)氣溶膠對其能量衰減小,尤其在10 km以上傳輸高度,且適當?shù)靥岣叱跏紓鬏敻叨瓤梢詼p小大氣對其衰減。關鍵詞：大氣氣溶膠；大氣透過率；能見度；MODTRAN5.0
and Fine Mechanics,Chinese Academy of Sciences,Hefei 220031,China)
1 引 言
大氣氣溶膠是指氣體和重力場中具有一定穩(wěn)定性的、沉降速度小的粒子的混合系統(tǒng)[1-2]。按照不同的分類方式可以將氣溶膠分成多種類型,從污染模式、氣候模式以及光學特性將氣溶膠分為大陸、海洋、鄉(xiāng)村、城市(大陸)、海洋、背景和平流層氣溶膠[3-4]。常用的輻射傳輸軟件中一般依據(jù)空間高度將氣溶膠分為不同的類型,例如中等分辨率的Modtran軟件先將整個大氣層分為0～2 km、2～10 km、10～30 km及30～100 km四個高度,然后對每一層氣溶膠類型進行劃分：0～2 km高度氣溶膠分為鄉(xiāng)村型、城市型、海洋型及沙漠型；2～10 km高度范圍內(nèi)用對流層氣溶膠模型,10～30 km高度范圍內(nèi)使用平流層氣溶膠模型；30～100 km高度范圍內(nèi)使用流星塵埃模式[5-8]。作為地氣系統(tǒng)的重要組成之一的大氣氣溶膠,不僅引起輻射傳輸能量的衰減,且造成大氣傳輸中圖像的模糊及對比度的下降。而近、中紅外光譜區(qū)間(2～5 μm)是地面和大氣熱輻射的主要區(qū)間,也是眾多光電系統(tǒng)工程的應用范圍,該光譜范圍內(nèi)的大氣透過率特性尤為重要[9]。在此波段,由于大氣氣溶膠對其整個波段平均透過率的貢獻較小,研究人員常只考慮分子吸收對大氣透過率的貢獻而忽略大氣氣溶膠的影響,這種忽略對實際工程應用必將帶來一定的誤差,況且氣溶膠對大氣透過率的貢獻還受背景環(huán)境(能見度、溫度及濕度)的影響。
針對地基測量系統(tǒng),如果輻射傳輸路徑穿過整個大氣層,整層大氣(包括氣體分子及氣溶膠)對輻射的衰減比較嚴重；而對機載測量系統(tǒng),其輻射衰減受到其傳輸路徑上大氣成分的影響。因此,本文擬針對光電系統(tǒng)工程常用的2～5 μm波段,利用MODTRAN 5.0輻射傳輸軟件(開展五種類型邊界層氣溶膠(海洋型VIS=23 km、鄉(xiāng)村型VIS=23 km及5 km、城市型VIS=5 km、沙漠型VIS=5 km)對整層大氣透過率的影響及背景對流層氣溶膠對高空上行傳輸(初始高度10 km、11 km、12 km、13 km、14 km)背景下的透過率及其隨高度變化的規(guī)律。以期為地基測量及機載測量提供初步的大氣修正。
2 邊界層氣溶膠對整層大氣透過率的影響
利用Modtran 5.0及Hitran 08數(shù)據(jù)庫計算了2～5 μm波段、5種邊界層氣溶膠(Rural-VIS=23 km,Rural-VIS=5 km,Martime-VIS=23 km,Urban-VIS=5 km,Desert-VIS=5 km)對大氣透過率的影響。
圖1是考慮5種邊界層氣溶膠,利用Modtran 5.0及Hitran 08數(shù)據(jù)庫計算的整層大氣透過率?？紤]邊界層氣溶膠時的透過率均小于不考慮氣溶膠時的透過率,特別是在2.0～2.5 μm及3.5～4.0 μm波段；在相同波段范圍內(nèi),能見度23 km的鄉(xiāng)村型氣溶膠下的透過率最大,透過率依次減小對應的邊界層氣溶膠類型分別是：能見度23 km海洋型氣溶膠、能見度5 km鄉(xiāng)村型氣溶膠、能見度5 km城市型氣溶膠、能見度5 km風速4.1m/s的沙漠型氣溶膠。對于同為鄉(xiāng)村型氣溶膠,能見度為5 km時的透過率小于能見度為23 km時的結果,這說明能見度影響氣溶膠對大氣透過率的貢獻。
圖1 五種邊界層氣溶膠的大氣透過率
圖2 五種邊界層氣溶膠的大氣透過率相對無氣溶膠時的絕對偏差
圖2是5種邊界層氣溶膠透過率相對無氣溶膠時的絕對偏差。從圖可以看出：在2.5～3.0及4.25～4.5 μm波段五種邊界層氣溶膠對透過率的影響較小,其相對不考慮氣溶膠時的透過率基本相當,但 2.0～2.5、3.0～4.25及4.5～5.0 μm波段邊界層氣溶膠對大氣透過率的影響較大。能見度23 km鄉(xiāng)村型氣溶膠的最大絕對偏差為-0.04(2.3 μm左右)；能見度23 km海洋型氣溶膠的最大絕對偏差為-0.12(2.2 μm)；能見度5 km鄉(xiāng)村型氣溶膠的最大絕對偏差為-0.15；能見度5 km城市型氣溶膠為-0.20；能見度5 km風速4.1 m/s的沙漠型氣溶膠為-0.19；就最大絕對偏差而言,能見度為23 km的鄉(xiāng)村型氣溶膠對大氣透過率的影響較小,但其他類型氣溶膠在某些波長處對大氣透過率的影響較大。
3 背景對流層氣溶膠對高空傳輸大氣透過率的影響
以下主要分析不同初始高度上的大氣透過,并計算了初始高度每增加1 km其透過率的變化量；并比較背景對流層氣溶膠的大氣透過率。
圖3 是對流層氣溶膠在5種初始高度上(10 km、11 km、12 km、13 km、14 km)的透過率。當2～30 km高度上的氣溶膠選為背景對流層氣溶膠時,透過率隨著初始高度的增加而增大,但增大幅度隨著初始高度的增加而減小,如：當初始高度由10 km增加到14 km,每增加1 km其透過率最大值分別增加了0.34、0.26、0.16及0.09,如圖4所示。
圖3 背景對流層氣溶膠在5種初始高度上的透過率
圖4 背景對流層氣溶膠相鄰兩種初始高度上透過率之差
圖5是中等火山氣溶膠在5種初始高度上(10 km、11 km、12 km、13 km、14 km)的透過率。透過率隨著初始高度的增加而增大；與背景對流層氣溶膠時相同,其增大幅度隨著初始高度增加而減小,如：當初始高度由10 km增加到14 km,每增加1 km其透過率最大值分別增加了0.34、0.26、0.16及0.09(如圖6所示)。
圖5 中等火山氣溶膠在5種初始高度上的透過率
圖6 中等火山氣溶膠相鄰兩種初始高度上透過率之差
圖7是強火山氣溶膠在5種初始高度上(10 km、11 km、12 km、13 km、14 km)的透過率。透過率隨著初始高度的增加而增大；與前兩種氣溶膠相似,透過率的增大幅度隨著初始高度增加而減小(如圖8所示)。
圖9是中等強度火山爆發(fā)及大型強度火山爆發(fā)氣溶膠相對背景對流層氣溶膠的絕對偏差。在2～5 μm波段、5種初始高度上(10 km、11 km、12 km、13 km、14 km),中等強度火山爆發(fā)氣溶膠對大氣透過率的影響相對較小,而大型火山爆發(fā)氣溶膠對大氣透過率的影響較大；在10 km、11 km、12 km及13 km 初始高度上,中等火山爆發(fā)及大型火山爆發(fā)時透過率的絕對偏差均是負值,且在4種初始高度
圖7 強火山氣溶膠在5種初始高度上的透過率
圖8 強火山氣溶膠相鄰兩種初始高度上透過率之差
圖9 不同初始高度,中等強度火山及大型火山氣溶膠相對背景對流層氣溶膠的絕對偏差
上的最大絕對偏差均不超過-0.0036和-0.0129；在14 km初始高度,兩種火山爆發(fā)時透過率的絕對偏差絕大部分為正值,說明比背景對流層氣溶膠下的透過率大。兩種火山爆發(fā)下透過率的最大絕對偏差分別為0.0925及0.0897；就其絕對偏差而言,不同類型背景層氣溶膠在5種初始高度上的透過率基本相當；在誤差允許范圍內(nèi),計算高層大氣透過率時可以不考慮背景對流層氣溶膠的類型的影響。
4 小 結
本文主要考慮氣溶膠的影響,利用MODTRAN 5.0計算分析了幾種典型邊界層氣溶膠對整層大氣透過率的影響；并分析了背景對流層氣溶膠下的大氣透過率。結果表明：
(1)在相同波段范圍內(nèi),能見度23 km的鄉(xiāng)村型氣溶膠下的透過率最大,透過率依次減小對應的邊界層氣溶膠類型分別是：能見度23 km海洋型氣溶膠、能見度5 km鄉(xiāng)村型氣溶膠、能見度5 km 城市型氣溶膠、能見度5 km風速4.1m/s的沙漠型氣溶膠。與不考慮氣溶膠時相比較,其最大絕對偏差均較小,但氣溶膠對2.0～2.5 μm及3.5～4.0 μm波段內(nèi)的透過率貢獻較大。因此使用地基測量系統(tǒng)接受輻射信號時需要考慮邊界層氣溶膠對其能量的衰減,尤其是在能見度比較低時這種衰減更為嚴重。
(2)無論是背景對流層氣溶膠、中等火山爆發(fā)氣溶膠還是大型火山爆發(fā)氣溶膠,其透過率均是隨著初始高度的增加而增大,但增大幅度隨著初始高度的增加而減小,對于機載測量系統(tǒng)可以適當提高傳輸初始高度減小大氣對其輻射的衰減。
(3)在2～5 μm波段、5種初始高度上(10 km、11 km、12 km、13 km、14 km),中等強度火山爆發(fā)氣溶膠對大氣透過率的影響相對較小,而大型火山爆發(fā)氣溶膠對大氣透過率的影響較大;兩種火山爆發(fā)下透過率的最大絕對偏差分別為0.0925及0.0897；就其絕對偏差而言,不同類型背景層氣溶膠在5種初始高度上的透過率基本相當。
氣溶膠對整層大氣透過率的影響較大,不同邊界層氣溶膠對整層大氣透過率的貢獻不同,尤其是在能見度較低的時候?qū)ν高^率的影響較大,因此地基測量輻射信號時需要考慮氣溶膠對透過率的影響,尤其是低能見度時更需要考慮氣溶膠的影響；對于高空傳輸場景,其背景對流層氣溶膠對透過率的影響較小,適當?shù)奶岣邆鬏敻叨瓤梢蕴岣咄高^率,因此對于機載測量輻射信號時可以不考慮氣溶膠對其能量的衰減,且可以適當?shù)奶岣叱跏几叨葴p小大氣對其影響。
[1] R Z Rao.Modern atmospheric optics[M].Beijing:Science Press,2012.(in Chinese) 饒瑞中.現(xiàn)代大氣光學[M].北京：科學出版社,2012.
[2] HAN Yong.Measurments and statistical characteristices of atmospheric aerosol optic properties[D].Heifei:Anhui Institute of Optics & Fine Mechanics the Chinese Academy of Sciences，2006.(in Chinese) 韓永.大氣氣溶膠光學特性綜合測量及統(tǒng)計特征分析[D].合肥：中科院安徽光學精密機械研究所,2006.
[3] CHEN Xiuhong.Development of the combined atmospheric radative transfer software[D].Heifei:Anhui Institute of Optics & Fine Mechanics the Chinese Academy of Sciences，2010.(in Chinese) 陳秀紅.通用大氣輻射傳輸軟件CART研制[D].合肥：中科院安徽光學精密機械研究所,2010.
[4] CHEN Xiuhong,WEI Heli,et al.Comparison of infrared atmospheric transmittance calculated by CART software with measured values[J].Laser & Infrared,2009,39(4)：403-406.(in Chinese) 陳秀紅,魏合理,等.CART軟件計算的紅外大氣透過率和實測值比較[J].激光與紅外,2009,39(4)：403-406.
[5] Berk A,Anderson G P,Achsrya P K,et al.MODTRAN4 User’s manual [M].Hanscom AFB MA:Air Research Laboratory Space Vehicle Directorate Air Force Material Command,1997.
[6] CHEN Xiuhong,WEI Heli,LI Xuebin,et al.Calculating model for aerosol extinction from visible to far infrared wavelength[J].High Power Laser and Particle Beams,2009,21(2):0183-0189.(in Chinese) 陳秀紅,魏合理,李學彬,等.可見光到遠紅外波段氣溶膠衰減計算模式[J].強激光與粒子束,2009,12(2):0183-0189.
[7] WANG Di,LI Chengfang,XIONG Fei.The method of calculate the transmittance of infrared radiation through atmosphere and compared with MODTRAN[J].Optical Technique,2006,32(Sup):0293-0295.(in Chinese) 王迪,李承芳,熊飛.大氣紅外輻射傳輸?shù)暮啽闼惴ㄅcMODTRAN 的比較[J].光學技術,2006,32(增刊):0293-0295.
[8] CHEN Xiuhong,WEI Heli.Variation of Infrares atmospheric transmittance based on atmospheric models in tapical regions of China[J].Laser & Infrared,2008，38(11):1090-1093.(in Chinese) 陳秀紅,魏合理.基于中國典型地區(qū)大氣模式的紅外透過率變化特征[J].激光與紅外,2008，38(11):1090-1093.[9] K N Liou.An Introduction to atmospheric raditation[M].Beijing:China Meteorological Press,2004.(in Chinese) 廖國男.大氣輻射導論[M].北京:氣象出版社,2004.
Influence of the boundary layer aerosol model on the mid-infrared light-wave transmission
LIU Dan-dan1,HUANG Yin-bo2,YAN Zheng-quan1,ZHOU Jun1,WU Ke-yue1,WEI Xiang-fei1
(1.West Anhui University,Lu′an 237012,China;2.Key Laboratory of Atmospheric Composition and Optical Radiation,Anhui Institute of Optics
The influence of five types of the boundary layer aerosol on the atmospheric transmittance and the influence of background troposphere aerosol on the transmittance under uplink condition in 2～5 μm waveband were analyzed by using MODTRAN5.0 software. The results show that the effects of atmospheric aerosol on atmospheric transmittance in 2～2.5 μm and 3.5～4.0 μm spectral range are heavy. The aerosol has greater influence on the atmospheric transmittance with the reduction of atmospheric visibility,thus it needs to consider the influences of aerosol models and visibility on atmospheric transmittance when atmospheric transmittance is calculated. The maximum absolute deviations of the atmospheric transmittance of tropospheric aerosol for two kinds of background are 9.25% and 8.97% respectively. In terms of its absolute deviation,tropospheric aerosol can not be considered when the atmospheric transmittance of high-altitude transmission is calculated. The attenuation of the boundary layer aerosol on radiation is considered for ground based measurement system,especially when visibility is low. The attenuation of the aerosol on energy is small for airborne photoelectric system,especially when transmission altitude is above 10 km. So to decrease the attenuation of atmosphere,the initial transmission altitude should be increased.
atmospheric aerosol; atmospheric transmittance; visibility; MODTRAN 5.0
1001-5078(2015)02-0189-05
國家自然科學基金項目(No.40905009);安徽省自然科學基金項目(No. 1408085QA13); 安徽省2013年振興計劃新專業(yè)改造與建設-光源與照明項目(No.2013zytz056)資助。
劉丹丹(1986-)，女，碩士，主要從事激光大氣傳輸數(shù)值計算研究。E-mail:baobaoldd@126.com
2014-06-19;
2014-07-13
O432.1;P427.1
A
10.3969/j.issn.1001-5078.2015.02.016
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