卷云對(duì)新型光度計(jì)測量大氣光學(xué)厚度的影響

《大氣與環(huán)境光學(xué)學(xué)報(bào)》2020年第3期封面文章

       Zhang Guang, Xu Qingshan, Xu Wenqing, Yang Dong. Effect of Cirrus Cloud  on the Measurement of Atmospheric Optical Thickness with Novel  Photometer  [J]. Journal of Atmospheric and Environmental Optics, 2020,15(3): 189-195.

     張 廣, 徐青山, 徐文清, 楊 東. 卷云對(duì)新型光度計(jì)測量大氣光學(xué)厚度的影響[J]. 大氣與環(huán)境光學(xué)學(xué)報(bào), 2020,15(3): 189-195.

    卷云通常在對(duì)流層上部至平流層下部，在高空中呈輕紗狀，有很好的透光性，在天空中有時(shí)人眼不易識(shí)別出來。研制了一臺(tái)新型的變視場太陽光度計(jì)，用于測量分析卷云與氣溶膠粒子，可為提取氣溶膠粒子的光學(xué)特性剔除卷云的影響，同時(shí)也可用于研究大氣中卷云粒子的特性。

    中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所光電探測研究室基于自主研制的快速變視場太陽光度計(jì)(VFOVSP)，實(shí)現(xiàn)了不同視場內(nèi)太陽輻射的快速測量，為地基區(qū)分氣溶膠粒子與卷云粒子提供了一個(gè)新的技術(shù)手段。新型光度計(jì)基于CCD圖像傳感器的太陽跟蹤技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)透過云層太陽的跟蹤；并采用程控可變視場光闌，實(shí)現(xiàn)儀器在較短的時(shí)間間隔內(nèi)對(duì)不同視場的快速測量。通過比較不同視場測量的大氣光學(xué)厚度的變化，建立了一種卷云與氣溶膠的識(shí)別算法。

    新型太陽光度計(jì)主要由跟蹤光筒、探測光筒、探測模塊箱、俯仰電機(jī)、水平電機(jī)、控制模塊和底座組成。跟蹤光筒的后端安裝有CCD圖像傳感器，用來進(jìn)行圖像跟蹤。探測光筒用來接收太陽光通量。探測模塊箱內(nèi)有濾光轉(zhuǎn)盤、可變視場光闌和光電探測器等，這些器件協(xié)同運(yùn)作，使儀器可以獲得不同波長和不同視場角下的輻照度。光線經(jīng)過探測光筒后會(huì)進(jìn)入光電探測器，經(jīng)過進(jìn)一步的處理得到太陽輻射值?？刂颇K控制俯仰電機(jī)和水平的運(yùn)動(dòng)以及數(shù)據(jù)的采集和傳輸。水平電機(jī)和俯仰電機(jī)共同協(xié)作，使儀器能夠精準(zhǔn)地跟蹤太陽，在每一次測量后兩軸電機(jī)的運(yùn)行步數(shù)都會(huì)進(jìn)行微調(diào)，為下一次跟蹤做準(zhǔn)備。底座內(nèi)有電壓轉(zhuǎn)換模塊，滿足儀器電路供電電壓的要求。

圖 1    新型太陽光度計(jì)

    在跟蹤太陽進(jìn)行測量時(shí)，通過接收來自不同視場小角度的太陽輻射信息，利用氣溶膠與卷云粒子在前向小角散射的差異，來識(shí)別當(dāng)前測量的視場內(nèi)是否有卷云的存在，將有卷云大氣與無云大氣區(qū)分開來，分析氣溶膠粒子與卷云粒子的特性。

   圖 2    卷云、水云、氣溶膠的相函數(shù)

(a) 卷云、水云、氣溶膠的相函數(shù)比較；(b) 前向小角度內(nèi)卷云、水云、氣溶膠的相函數(shù)比較

    如下圖所示：在天氣晴朗條件下，同波段不同視場的氣溶膠光學(xué)厚度變化趨勢(shì)基本一致。由于大氣中氣溶膠的變化相對(duì)卷云來說慢得多，卷云的前向小角散射輻射相對(duì)于氣溶膠來說強(qiáng)很多，為此可以比較不同視場的光學(xué)厚度變化，區(qū)分識(shí)別氣溶膠與卷云粒子。

 圖 3    氣溶膠光學(xué)厚度對(duì)比

課題組介紹

   中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所光電探測研究室，面向世界科技前沿及國家戰(zhàn)略需求，主要開展光電探測、光輻射傳輸、地基與星基激光雷達(dá)探測技術(shù)等研究。研發(fā)了系列小型化高穩(wěn)定的激光雷達(dá)系統(tǒng)，高靈敏度痕量生物與化學(xué)氣體遙測系統(tǒng)，被動(dòng)太陽與星光光譜探測系統(tǒng)等。建立了成像系統(tǒng)大氣傳輸影響評(píng)估模型、火星大氣傳輸模型以及自然地表輻射模型等。擁有較為齊全的學(xué)科人才隊(duì)伍，先后承擔(dān)國防973項(xiàng)目、國防預(yù)研項(xiàng)目、民用航天項(xiàng)目、氣象專項(xiàng)等。