邊界層氣溶膠類(lèi)型對(duì)中紅外光波傳輸?shù)挠绊?/h1>
2015-04-06 08:12:02劉丹丹黃印博嚴(yán)正權(quán)吳克躍魏相飛
激光與紅外 2015年2期
劉丹丹,黃印博,嚴(yán)正權(quán),周 軍,吳克躍,魏相飛
(1.皖西學(xué)院,安徽 六安 237012;2.中國(guó)科學(xué)院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所大氣成分與光學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,安徽 合肥 230031)
·光電技術(shù)與系統(tǒng)·
邊界層氣溶膠類(lèi)型對(duì)中紅外光波傳輸?shù)挠绊?/p>
劉丹丹1,黃印博2,嚴(yán)正權(quán)1,周 軍1,吳克躍1,魏相飛1
(1.皖西學(xué)院,安徽 六安 237012;2.中國(guó)科學(xué)院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所大氣成分與光學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,安徽 合肥 230031)
主要利用MODTRAN5.0分析了2～5 μm波段五種類(lèi)型的邊界層氣溶膠對(duì)整層大氣透過(guò)率的影響及背景對(duì)流層氣溶膠對(duì)高空上行傳輸背景下透過(guò)率的影響。結(jié)果表明：對(duì)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(duì)大氣透過(guò)率的影響較大,且相同背景下大氣能見(jiàn)度越低,氣溶膠對(duì)大氣透過(guò)率的影響越大,因此,計(jì)算整層大氣透過(guò)率時(shí)不僅需要考慮氣溶膠類(lèi)型對(duì)透過(guò)率的貢獻(xiàn),同時(shí)需要考慮能見(jiàn)度對(duì)透過(guò)率的影響；對(duì)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(guò)率隨著初始高度的增加而增加,且兩種類(lèi)型下的背景對(duì)流層氣溶膠下的最大透過(guò)率相對(duì)不考慮氣溶膠時(shí)分別降低了9.25%及8.97%,就其絕對(duì)偏差而言,計(jì)算高層大氣透過(guò)率時(shí)可以不考慮背景對(duì)流層氣溶膠類(lèi)型的影響。因此對(duì)于地基測(cè)量系統(tǒng)需要考慮邊界層氣溶膠對(duì)其輻射的衰減,尤其是能見(jiàn)度較低的時(shí)候；對(duì)于機(jī)載光電系統(tǒng)氣溶膠對(duì)其能量衰減小,尤其在10 km以上傳輸高度,且適當(dāng)?shù)靥岣叱跏紓鬏敻叨瓤梢詼p小大氣對(duì)其衰減。關(guān)鍵詞：大氣氣溶膠；大氣透過(guò)率；能見(jiàn)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(chǎng)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(lèi)方式可以將氣溶膠分成多種類(lèi)型,從污染模式、氣候模式以及光學(xué)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(lèi)型,例如中等分辨率的Modtran軟件先將整個(gè)大氣層分為0～2 km、2～10 km、10～30 km及30～100 km四個(gè)高度,然后對(duì)每一層氣溶膠類(lèi)型進(jìn)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(duì)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(duì)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(yīng)用范圍,該光譜范圍內(nèi)的大氣透過(guò)率特性尤為重要[9]。在此波段,由于大氣氣溶膠對(duì)其整個(gè)波段平均透過(guò)率的貢獻(xiàn)較小,研究人員常只考慮分子吸收對(duì)大氣透過(guò)率的貢獻(xiàn)而忽略大氣氣溶膠的影響,這種忽略對(duì)實(shí)際工程應(yīng)用必將帶來(lái)一定的誤差,況且氣溶膠對(duì)大氣透過(guò)率的貢獻(xiàn)還受背景環(huán)境(能見(jiàn)度、溫度及濕度)的影響。
針對(duì)地基測(cè)量系統(tǒng),如果輻射傳輸路徑穿過(guò)整個(gè)大氣層,整層大氣(包括氣體分子及氣溶膠)對(duì)輻射的衰減比較嚴(yán)重；而對(duì)機(jī)載測(cè)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(duì)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(kāi)展五種類(lèi)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(duì)整層大氣透過(guò)率的影響及背景對(duì)流層氣溶膠對(duì)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(guò)率及其隨高度變化的規(guī)律。以期為地基測(cè)量及機(jī)載測(cè)量提供初步的大氣修正。
2 邊界層氣溶膠對(duì)整層大氣透過(guò)率的影響
利用Modtran 5.0及Hitran 08數(shù)據(jù)庫(kù)計(jì)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(duì)大氣透過(guò)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(kù)計(jì)算的整層大氣透過(guò)率?？紤]邊界層氣溶膠時(shí)的透過(guò)率均小于不考慮氣溶膠時(shí)的透過(guò)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(jiàn)度23 km的鄉(xiāng)村型氣溶膠下的透過(guò)率最大,透過(guò)率依次減小對(duì)應(yīng)的邊界層氣溶膠類(lèi)型分別是：能見(jiàn)度23 km海洋型氣溶膠、能見(jiàn)度5 km鄉(xiāng)村型氣溶膠、能見(jiàn)度5 km城市型氣溶膠、能見(jiàn)度5 km風(fēng)速4.1m/s的沙漠型氣溶膠。對(duì)于同為鄉(xiāng)村型氣溶膠,能見(jiàn)度為5 km時(shí)的透過(guò)率小于能見(jiàn)度為23 km時(shí)的結(jié)果,這說(shuō)明能見(jiàn)度影響氣溶膠對(duì)大氣透過(guò)率的貢獻(xiàn)。
圖1 五種邊界層氣溶膠的大氣透過(guò)率
圖2 五種邊界層氣溶膠的大氣透過(guò)率相對(duì)無(wú)氣溶膠時(shí)的絕對(duì)偏差
圖2是5種邊界層氣溶膠透過(guò)率相對(duì)無(wú)氣溶膠時(shí)的絕對(duì)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(duì)透過(guò)率的影響較小,其相對(duì)不考慮氣溶膠時(shí)的透過(guò)率基本相當(dāng),但 2.0～2.5、3.0～4.25及4.5～5.0 μm波段邊界層氣溶膠對(duì)大氣透過(guò)率的影響較大。能見(jiàn)度23 km鄉(xiāng)村型氣溶膠的最大絕對(duì)偏差為-0.04(2.3 μm左右)；能見(jiàn)度23 km海洋型氣溶膠的最大絕對(duì)偏差為-0.12(2.2 μm)；能見(jiàn)度5 km鄉(xiāng)村型氣溶膠的最大絕對(duì)偏差為-0.15；能見(jiàn)度5 km城市型氣溶膠為-0.20；能見(jiàn)度5 km風(fēng)速4.1 m/s的沙漠型氣溶膠為-0.19；就最大絕對(duì)偏差而言,能見(jiàn)度為23 km的鄉(xiāng)村型氣溶膠對(duì)大氣透過(guò)率的影響較小,但其他類(lèi)型氣溶膠在某些波長(zhǎng)處對(duì)大氣透過(guò)率的影響較大。
3 背景對(duì)流層氣溶膠對(duì)高空傳輸大氣透過(guò)率的影響
以下主要分析不同初始高度上的大氣透過(guò),并計(jì)算了初始高度每增加1 km其透過(guò)率的變化量；并比較背景對(duì)流層氣溶膠的大氣透過(guò)率。
圖3 是對(duì)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(guò)率。當(dāng)2～30 km高度上的氣溶膠選為背景對(duì)流層氣溶膠時(shí),透過(guò)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(dāng)初始高度由10 km增加到14 km,每增加1 km其透過(guò)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(duì)流層氣溶膠在5種初始高度上的透過(guò)率
圖4 背景對(duì)流層氣溶膠相鄰兩種初始高度上透過(guò)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(guò)率。透過(guò)率隨著初始高度的增加而增大；與背景對(duì)流層氣溶膠時(shí)相同,其增大幅度隨著初始高度增加而減小,如：當(dāng)初始高度由10 km增加到14 km,每增加1 km其透過(guò)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(guò)率
圖6 中等火山氣溶膠相鄰兩種初始高度上透過(guò)率之差
圖7是強(qiáng)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(guò)率。透過(guò)率隨著初始高度的增加而增大；與前兩種氣溶膠相似,透過(guò)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(qiáng)度火山爆發(fā)及大型強(qiáng)度火山爆發(fā)氣溶膠相對(duì)背景對(duì)流層氣溶膠的絕對(duì)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(qiáng)度火山爆發(fā)氣溶膠對(duì)大氣透過(guò)率的影響相對(duì)較小,而大型火山爆發(fā)氣溶膠對(duì)大氣透過(guò)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(shí)透過(guò)率的絕對(duì)偏差均是負(fù)值,且在4種初始高度
圖7 強(qiáng)火山氣溶膠在5種初始高度上的透過(guò)率
圖8 強(qiáng)火山氣溶膠相鄰兩種初始高度上透過(guò)率之差
圖9 不同初始高度,中等強(qiáng)度火山及大型火山氣溶膠相對(duì)背景對(duì)流層氣溶膠的絕對(duì)偏差
上的最大絕對(duì)偏差均不超過(guò)-0.0036和-0.0129；在14 km初始高度,兩種火山爆發(fā)時(shí)透過(guò)率的絕對(duì)偏差絕大部分為正值,說(shuō)明比背景對(duì)流層氣溶膠下的透過(guò)率大。兩種火山爆發(fā)下透過(guò)率的最大絕對(duì)偏差分別為0.0925及0.0897；就其絕對(duì)偏差而言,不同類(lèi)型背景層氣溶膠在5種初始高度上的透過(guò)率基本相當(dāng)；在誤差允許范圍內(nèi),計(jì)算高層大氣透過(guò)率時(shí)可以不考慮背景對(duì)流層氣溶膠的類(lèi)型的影響。
4 小 結(jié)
本文主要考慮氣溶膠的影響,利用MODTRAN 5.0計(jì)算分析了幾種典型邊界層氣溶膠對(duì)整層大氣透過(guò)率的影響；并分析了背景對(duì)流層氣溶膠下的大氣透過(guò)率。結(jié)果表明：
(1)在相同波段范圍內(nèi),能見(jiàn)度23 km的鄉(xiāng)村型氣溶膠下的透過(guò)率最大,透過(guò)率依次減小對(duì)應(yīng)的邊界層氣溶膠類(lèi)型分別是：能見(jiàn)度23 km海洋型氣溶膠、能見(jiàn)度5 km鄉(xiāng)村型氣溶膠、能見(jiàn)度5 km 城市型氣溶膠、能見(jiàn)度5 km風(fēng)速4.1m/s的沙漠型氣溶膠。與不考慮氣溶膠時(shí)相比較,其最大絕對(duì)偏差均較小,但氣溶膠對(duì)2.0～2.5 μm及3.5～4.0 μm波段內(nèi)的透過(guò)率貢獻(xiàn)較大。因此使用地基測(cè)量系統(tǒng)接受輻射信號(hào)時(shí)需要考慮邊界層氣溶膠對(duì)其能量的衰減,尤其是在能見(jiàn)度比較低時(shí)這種衰減更為嚴(yán)重。
(2)無(wú)論是背景對(duì)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(guò)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(duì)于機(jī)載測(cè)量系統(tǒng)可以適當(dāng)提高傳輸初始高度減小大氣對(duì)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(qiáng)度火山爆發(fā)氣溶膠對(duì)大氣透過(guò)率的影響相對(duì)較小,而大型火山爆發(fā)氣溶膠對(duì)大氣透過(guò)率的影響較大;兩種火山爆發(fā)下透過(guò)率的最大絕對(duì)偏差分別為0.0925及0.0897；就其絕對(duì)偏差而言,不同類(lèi)型背景層氣溶膠在5種初始高度上的透過(guò)率基本相當(dāng)。
氣溶膠對(duì)整層大氣透過(guò)率的影響較大,不同邊界層氣溶膠對(duì)整層大氣透過(guò)率的貢獻(xiàn)不同,尤其是在能見(jiàn)度較低的時(shí)候?qū)ν高^(guò)率的影響較大,因此地基測(cè)量輻射信號(hào)時(shí)需要考慮氣溶膠對(duì)透過(guò)率的影響,尤其是低能見(jiàn)度時(shí)更需要考慮氣溶膠的影響；對(duì)于高空傳輸場(chǎng)景,其背景對(duì)流層氣溶膠對(duì)透過(guò)率的影響較小,適當(dāng)?shù)奶岣邆鬏敻叨瓤梢蕴岣咄高^(guò)率,因此對(duì)于機(jī)載測(cè)量輻射信號(hào)時(shí)可以不考慮氣溶膠對(duì)其能量的衰減,且可以適當(dāng)?shù)奶岣叱跏几叨葴p小大氣對(duì)其影響。
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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(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(No.40905009);安徽省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(No. 1408085QA13); 安徽省2013年振興計(jì)劃新專(zhuān)業(yè)改造與建設(shè)-光源與照明項(xiàng)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(jì)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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劉丹丹,黃印博,嚴(yán)正權(quán),周 軍,吳克躍,魏相飛
(1.皖西學(xué)院,安徽 六安 237012;2.中國(guó)科學(xué)院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所大氣成分與光學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,安徽 合肥 230031)
·光電技術(shù)與系統(tǒng)·
邊界層氣溶膠類(lèi)型對(duì)中紅外光波傳輸?shù)挠绊?/p>
劉丹丹1,黃印博2,嚴(yán)正權(quán)1,周 軍1,吳克躍1,魏相飛1
(1.皖西學(xué)院,安徽 六安 237012;2.中國(guó)科學(xué)院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所大氣成分與光學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,安徽 合肥 230031)
主要利用MODTRAN5.0分析了2～5 μm波段五種類(lèi)型的邊界層氣溶膠對(duì)整層大氣透過(guò)率的影響及背景對(duì)流層氣溶膠對(duì)高空上行傳輸背景下透過(guò)率的影響。結(jié)果表明：對(duì)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(duì)大氣透過(guò)率的影響較大,且相同背景下大氣能見(jiàn)度越低,氣溶膠對(duì)大氣透過(guò)率的影響越大,因此,計(jì)算整層大氣透過(guò)率時(shí)不僅需要考慮氣溶膠類(lèi)型對(duì)透過(guò)率的貢獻(xiàn),同時(shí)需要考慮能見(jiàn)度對(duì)透過(guò)率的影響；對(duì)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(guò)率隨著初始高度的增加而增加,且兩種類(lèi)型下的背景對(duì)流層氣溶膠下的最大透過(guò)率相對(duì)不考慮氣溶膠時(shí)分別降低了9.25%及8.97%,就其絕對(duì)偏差而言,計(jì)算高層大氣透過(guò)率時(shí)可以不考慮背景對(duì)流層氣溶膠類(lèi)型的影響。因此對(duì)于地基測(cè)量系統(tǒng)需要考慮邊界層氣溶膠對(duì)其輻射的衰減,尤其是能見(jiàn)度較低的時(shí)候；對(duì)于機(jī)載光電系統(tǒng)氣溶膠對(duì)其能量衰減小,尤其在10 km以上傳輸高度,且適當(dāng)?shù)靥岣叱跏紓鬏敻叨瓤梢詼p小大氣對(duì)其衰減。關(guān)鍵詞：大氣氣溶膠；大氣透過(guò)率；能見(jiàn)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(chǎng)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(lèi)方式可以將氣溶膠分成多種類(lèi)型,從污染模式、氣候模式以及光學(xué)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(lèi)型,例如中等分辨率的Modtran軟件先將整個(gè)大氣層分為0～2 km、2～10 km、10～30 km及30～100 km四個(gè)高度,然后對(duì)每一層氣溶膠類(lèi)型進(jìn)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(duì)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(duì)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(yīng)用范圍,該光譜范圍內(nèi)的大氣透過(guò)率特性尤為重要[9]。在此波段,由于大氣氣溶膠對(duì)其整個(gè)波段平均透過(guò)率的貢獻(xiàn)較小,研究人員常只考慮分子吸收對(duì)大氣透過(guò)率的貢獻(xiàn)而忽略大氣氣溶膠的影響,這種忽略對(duì)實(shí)際工程應(yīng)用必將帶來(lái)一定的誤差,況且氣溶膠對(duì)大氣透過(guò)率的貢獻(xiàn)還受背景環(huán)境(能見(jiàn)度、溫度及濕度)的影響。
針對(duì)地基測(cè)量系統(tǒng),如果輻射傳輸路徑穿過(guò)整個(gè)大氣層,整層大氣(包括氣體分子及氣溶膠)對(duì)輻射的衰減比較嚴(yán)重；而對(duì)機(jī)載測(cè)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(duì)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(kāi)展五種類(lèi)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(duì)整層大氣透過(guò)率的影響及背景對(duì)流層氣溶膠對(duì)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(guò)率及其隨高度變化的規(guī)律。以期為地基測(cè)量及機(jī)載測(cè)量提供初步的大氣修正。
2 邊界層氣溶膠對(duì)整層大氣透過(guò)率的影響
利用Modtran 5.0及Hitran 08數(shù)據(jù)庫(kù)計(jì)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(duì)大氣透過(guò)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(kù)計(jì)算的整層大氣透過(guò)率?？紤]邊界層氣溶膠時(shí)的透過(guò)率均小于不考慮氣溶膠時(shí)的透過(guò)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(jiàn)度23 km的鄉(xiāng)村型氣溶膠下的透過(guò)率最大,透過(guò)率依次減小對(duì)應(yīng)的邊界層氣溶膠類(lèi)型分別是：能見(jiàn)度23 km海洋型氣溶膠、能見(jiàn)度5 km鄉(xiāng)村型氣溶膠、能見(jiàn)度5 km城市型氣溶膠、能見(jiàn)度5 km風(fēng)速4.1m/s的沙漠型氣溶膠。對(duì)于同為鄉(xiāng)村型氣溶膠,能見(jiàn)度為5 km時(shí)的透過(guò)率小于能見(jiàn)度為23 km時(shí)的結(jié)果,這說(shuō)明能見(jiàn)度影響氣溶膠對(duì)大氣透過(guò)率的貢獻(xiàn)。
圖1 五種邊界層氣溶膠的大氣透過(guò)率
圖2 五種邊界層氣溶膠的大氣透過(guò)率相對(duì)無(wú)氣溶膠時(shí)的絕對(duì)偏差
圖2是5種邊界層氣溶膠透過(guò)率相對(duì)無(wú)氣溶膠時(shí)的絕對(duì)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(duì)透過(guò)率的影響較小,其相對(duì)不考慮氣溶膠時(shí)的透過(guò)率基本相當(dāng),但 2.0～2.5、3.0～4.25及4.5～5.0 μm波段邊界層氣溶膠對(duì)大氣透過(guò)率的影響較大。能見(jiàn)度23 km鄉(xiāng)村型氣溶膠的最大絕對(duì)偏差為-0.04(2.3 μm左右)；能見(jiàn)度23 km海洋型氣溶膠的最大絕對(duì)偏差為-0.12(2.2 μm)；能見(jiàn)度5 km鄉(xiāng)村型氣溶膠的最大絕對(duì)偏差為-0.15；能見(jiàn)度5 km城市型氣溶膠為-0.20；能見(jiàn)度5 km風(fēng)速4.1 m/s的沙漠型氣溶膠為-0.19；就最大絕對(duì)偏差而言,能見(jiàn)度為23 km的鄉(xiāng)村型氣溶膠對(duì)大氣透過(guò)率的影響較小,但其他類(lèi)型氣溶膠在某些波長(zhǎng)處對(duì)大氣透過(guò)率的影響較大。
3 背景對(duì)流層氣溶膠對(duì)高空傳輸大氣透過(guò)率的影響
以下主要分析不同初始高度上的大氣透過(guò),并計(jì)算了初始高度每增加1 km其透過(guò)率的變化量；并比較背景對(duì)流層氣溶膠的大氣透過(guò)率。
圖3 是對(duì)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(guò)率。當(dāng)2～30 km高度上的氣溶膠選為背景對(duì)流層氣溶膠時(shí),透過(guò)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(dāng)初始高度由10 km增加到14 km,每增加1 km其透過(guò)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(duì)流層氣溶膠在5種初始高度上的透過(guò)率
圖4 背景對(duì)流層氣溶膠相鄰兩種初始高度上透過(guò)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(guò)率。透過(guò)率隨著初始高度的增加而增大；與背景對(duì)流層氣溶膠時(shí)相同,其增大幅度隨著初始高度增加而減小,如：當(dāng)初始高度由10 km增加到14 km,每增加1 km其透過(guò)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(guò)率
圖6 中等火山氣溶膠相鄰兩種初始高度上透過(guò)率之差
圖7是強(qiáng)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(guò)率。透過(guò)率隨著初始高度的增加而增大；與前兩種氣溶膠相似,透過(guò)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(qiáng)度火山爆發(fā)及大型強(qiáng)度火山爆發(fā)氣溶膠相對(duì)背景對(duì)流層氣溶膠的絕對(duì)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(qiáng)度火山爆發(fā)氣溶膠對(duì)大氣透過(guò)率的影響相對(duì)較小,而大型火山爆發(fā)氣溶膠對(duì)大氣透過(guò)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(shí)透過(guò)率的絕對(duì)偏差均是負(fù)值,且在4種初始高度
圖7 強(qiáng)火山氣溶膠在5種初始高度上的透過(guò)率
圖8 強(qiáng)火山氣溶膠相鄰兩種初始高度上透過(guò)率之差
圖9 不同初始高度,中等強(qiáng)度火山及大型火山氣溶膠相對(duì)背景對(duì)流層氣溶膠的絕對(duì)偏差
上的最大絕對(duì)偏差均不超過(guò)-0.0036和-0.0129；在14 km初始高度,兩種火山爆發(fā)時(shí)透過(guò)率的絕對(duì)偏差絕大部分為正值,說(shuō)明比背景對(duì)流層氣溶膠下的透過(guò)率大。兩種火山爆發(fā)下透過(guò)率的最大絕對(duì)偏差分別為0.0925及0.0897；就其絕對(duì)偏差而言,不同類(lèi)型背景層氣溶膠在5種初始高度上的透過(guò)率基本相當(dāng)；在誤差允許范圍內(nèi),計(jì)算高層大氣透過(guò)率時(shí)可以不考慮背景對(duì)流層氣溶膠的類(lèi)型的影響。
4 小 結(jié)
本文主要考慮氣溶膠的影響,利用MODTRAN 5.0計(jì)算分析了幾種典型邊界層氣溶膠對(duì)整層大氣透過(guò)率的影響；并分析了背景對(duì)流層氣溶膠下的大氣透過(guò)率。結(jié)果表明：
(1)在相同波段范圍內(nèi),能見(jiàn)度23 km的鄉(xiāng)村型氣溶膠下的透過(guò)率最大,透過(guò)率依次減小對(duì)應(yīng)的邊界層氣溶膠類(lèi)型分別是：能見(jiàn)度23 km海洋型氣溶膠、能見(jiàn)度5 km鄉(xiāng)村型氣溶膠、能見(jiàn)度5 km 城市型氣溶膠、能見(jiàn)度5 km風(fēng)速4.1m/s的沙漠型氣溶膠。與不考慮氣溶膠時(shí)相比較,其最大絕對(duì)偏差均較小,但氣溶膠對(duì)2.0～2.5 μm及3.5～4.0 μm波段內(nèi)的透過(guò)率貢獻(xiàn)較大。因此使用地基測(cè)量系統(tǒng)接受輻射信號(hào)時(shí)需要考慮邊界層氣溶膠對(duì)其能量的衰減,尤其是在能見(jiàn)度比較低時(shí)這種衰減更為嚴(yán)重。
(2)無(wú)論是背景對(duì)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(guò)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(duì)于機(jī)載測(cè)量系統(tǒng)可以適當(dāng)提高傳輸初始高度減小大氣對(duì)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(qiáng)度火山爆發(fā)氣溶膠對(duì)大氣透過(guò)率的影響相對(duì)較小,而大型火山爆發(fā)氣溶膠對(duì)大氣透過(guò)率的影響較大;兩種火山爆發(fā)下透過(guò)率的最大絕對(duì)偏差分別為0.0925及0.0897；就其絕對(duì)偏差而言,不同類(lèi)型背景層氣溶膠在5種初始高度上的透過(guò)率基本相當(dāng)。
氣溶膠對(duì)整層大氣透過(guò)率的影響較大,不同邊界層氣溶膠對(duì)整層大氣透過(guò)率的貢獻(xiàn)不同,尤其是在能見(jiàn)度較低的時(shí)候?qū)ν高^(guò)率的影響較大,因此地基測(cè)量輻射信號(hào)時(shí)需要考慮氣溶膠對(duì)透過(guò)率的影響,尤其是低能見(jiàn)度時(shí)更需要考慮氣溶膠的影響；對(duì)于高空傳輸場(chǎng)景,其背景對(duì)流層氣溶膠對(duì)透過(guò)率的影響較小,適當(dāng)?shù)奶岣邆鬏敻叨瓤梢蕴岣咄高^(guò)率,因此對(duì)于機(jī)載測(cè)量輻射信號(hào)時(shí)可以不考慮氣溶膠對(duì)其能量的衰減,且可以適當(dāng)?shù)奶岣叱跏几叨葴p小大氣對(duì)其影響。
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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(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(No.40905009);安徽省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(No. 1408085QA13); 安徽省2013年振興計(jì)劃新專(zhuān)業(yè)改造與建設(shè)-光源與照明項(xiàng)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(jì)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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