[發(fā)明專利]大氣輻射傳輸修正系統(tǒng)及修正方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201310143378.2
• 申請日: 2013-04-23
• 公開（公告）號(hào): CN103278479A
• 公開（公告）日: 2013-09-04
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 魏合理;戴聰明;陳秀紅;黃宏華;徐赤東;姚永邦;詹杰;朱文越;饒瑞中
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所
• 主分類號(hào): G01N21/59
• 分類號(hào): G01N21/59
• 代理公司: 安徽合肥華信知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 34112
• 代理人: 余成俊

1.大氣輻射傳輸修正系統(tǒng)，其特征在于：包括有溫度濕度廓線探測系統(tǒng)、氣溶膠廓線探測系統(tǒng)、地面大氣參數(shù)測量系統(tǒng)、總控計(jì)算機(jī)，所述的溫度濕度廓線探測系統(tǒng)包括有地基微波輻射計(jì)，地基微波輻射計(jì)的信號(hào)輸出端連接有計(jì)算機(jī)一；所述的氣溶膠廓線探測系統(tǒng)包括有微脈沖激光雷達(dá)，微脈沖激光雷達(dá)的信號(hào)輸出端連接有計(jì)算機(jī)二；所述的地面大氣參數(shù)測量系統(tǒng)包括有自動(dòng)氣象站、能見度儀、雨量感應(yīng)器，自動(dòng)氣象站、能見度儀、雨量感應(yīng)器的信號(hào)輸出端共同接入計(jì)算機(jī)三；所述的計(jì)算機(jī)一、計(jì)算機(jī)二、計(jì)算機(jī)三、總控計(jì)算機(jī)分別通過網(wǎng)線連接路由器，總控計(jì)算機(jī)內(nèi)安裝有大氣光學(xué)參數(shù)控制軟件，大氣光學(xué)參數(shù)控制軟件控制各種大氣光學(xué)參數(shù)的收集，并將收集到的大氣參數(shù)存儲(chǔ)在總控計(jì)算機(jī)相應(yīng)文件夾目錄下面，具體為實(shí)時(shí)顯示地基微波輻射計(jì)的工作狀態(tài)和測量的0~10km范圍內(nèi)的溫度、水汽廓線，并存儲(chǔ)其測量數(shù)據(jù)；實(shí)時(shí)顯示微脈沖激光雷達(dá)測量的0~10km范圍內(nèi)的氣溶膠消光系數(shù)廓線，并存儲(chǔ)其測量數(shù)據(jù)；實(shí)時(shí)顯示自動(dòng)氣象站測量的地面氣象參數(shù)信息，有溫度、濕度、氣壓、露點(diǎn)溫度、風(fēng)速和風(fēng)向，并存儲(chǔ)其測量數(shù)據(jù)；實(shí)時(shí)顯示能見度儀測量的地面能見度，并存儲(chǔ)其測量數(shù)據(jù)；當(dāng)存在惡劣陰雨天氣時(shí)，實(shí)時(shí)顯示雨量感應(yīng)器測量的降雨量，并存儲(chǔ)其測量數(shù)據(jù)，同時(shí)大氣光學(xué)參數(shù)控制軟件根據(jù)事先設(shè)定的閾值給出氣象報(bào)警提示；總控計(jì)算機(jī)內(nèi)還安裝有大氣透過率計(jì)算軟件，通過路由器與計(jì)算任務(wù)數(shù)據(jù)中心通信，大氣透過率計(jì)算軟件根據(jù)接收的觀測目標(biāo)的位置和時(shí)間信息，從總控計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)的測量大氣參數(shù)文件夾下調(diào)用最近時(shí)刻測量的地面大氣參數(shù)，通過計(jì)算得到可見光到紅外波段的大氣光譜透過率，用于大氣輻射傳輸修正。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大氣輻射傳輸修正系統(tǒng)，其特征在于：所述的地基微波輻射計(jì)包括有微波發(fā)射單元、微波接收單元。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大氣輻射傳輸修正系統(tǒng)，其特征在于：所述的微脈沖激光雷達(dá)包括有半導(dǎo)體激光泵浦的Nd:YAG脈沖激光器、激光發(fā)射和信號(hào)接收的光學(xué)系統(tǒng)、高靈敏度光電探測器、高速多通道計(jì)數(shù)器，激光器垂直向上發(fā)射532nm的激光，接收光學(xué)系統(tǒng)接收經(jīng)大氣氣溶膠后向散射的回波信號(hào)，實(shí)現(xiàn)大氣氣溶膠的時(shí)空分布探測。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大氣輻射傳輸修正系統(tǒng)，其特征在于：所述的自動(dòng)氣象站采集近地面常規(guī)氣象參數(shù)，如溫度、濕度、氣壓、露點(diǎn)溫度、風(fēng)速和風(fēng)向；所述的能見度儀，通過前向散射原理測量地面能見度；所述的雨量感應(yīng)器主要是感應(yīng)液態(tài)水。?

5.基于權(quán)利要求1所述的大氣輻射傳輸修正系統(tǒng)的修正方法，其特征在于：大氣透過率計(jì)算軟件通過分別計(jì)算分子吸收、氣溶膠衰減、分子連續(xù)吸收和散射的透過率，總的大氣透過率等于以上三部分透過率的乘積，其具體計(jì)算過程如下：

（1）根據(jù)接收的目標(biāo)位置和探測時(shí)間信息，調(diào)用最近時(shí)刻下溫度濕度廓線探測系統(tǒng)、氣溶膠廓線探測系統(tǒng)、地面大氣參數(shù)測量系統(tǒng)實(shí)測的大氣參數(shù)：包括微波輻射計(jì)測量的溫度和水汽廓線、微脈沖激光雷達(dá)測量的氣溶膠消光廓線、地面大氣參數(shù)測量系統(tǒng)測量的地面氣象參數(shù)；

定義影響大氣衰減的高度為地面到海拔120km高度；大氣高度層分為50層：分別為0.0,?1.0,?2.0,?3.0,?4.0,?5.0,?6.0,?7.0,?8.0,?9.0,?10.0,?11.0,?12.0,?13.0,?14.0,?15.0,?16.0,?17.0,?18.0,?19.0,?20.0,?21.0,?22.0,?23.0,?24.0,?25.0,?27.5,?30.0,?32.5,?35.0,?37.5,?40.0,?42.5,?45.0,?47.5,?50.0,?55.0,?60.0,?65.0,?70.0,?75.0,?80.0,?85.0,?90.0,?95.0,?100.0,?105.0,?110.0,?115.0,?120.0?km；

根據(jù)地基微波輻射計(jì)測量的地面至10km高度上的溫度和水汽含量廓線，用插值法得到地面到10km規(guī)定高度上的值，10km高度以上的水汽含量、溫度采用站點(diǎn)附近的歷年的相同時(shí)間的大氣探空數(shù)據(jù)，根據(jù)地面測量的氣壓和歷年氣壓廓線得到實(shí)際的氣壓廓線；而CO₂、O₃、N₂O、CO、CH₄、O₂分子含量廓線隨時(shí)間變化不是很大，直接采用標(biāo)準(zhǔn)大氣模式中相同季節(jié)和緯度的數(shù)據(jù)；

（2）所述的分子吸收透過率計(jì)算采用我們提出的基于逐線積分?jǐn)M合的快速算法；首先用LBLRTM計(jì)算H₂O、CO₂、O₃、N₂O、CO、CH₄和O_2?7種吸收氣體在9個(gè)參考?xì)鈮汉?個(gè)參考溫度下，不同吸收含量的單色透過率，9個(gè)參考?xì)鈮悍謩e為1100hPa、350?hPa、100?hPa、35?hPa、10?hPa、3.5?hPa、1?hPa、0.35?hPa、0.1?hPa；9個(gè)參考溫度分別為200k、215k、230k、245K、260k、275K、290k、305K和320k；在每種氣壓和溫度下，用一種非線性擬合算法擬合不同吸收含量下的計(jì)算值將得到一系列的擬合系數(shù)，建立每個(gè)子波段、每種吸收氣體的擬合系數(shù)數(shù)據(jù)庫：

Tv(t,p,u)=exp{-u·exp(Σi=0Mci(t,p)[log(u)]i)}---(1)]]>

該算法中，t為參考溫度，p為參考?xì)鈮海瑄為吸收含量，c_i(t,p)為某種參考溫度和參考?xì)鈮合聰M合得到的系數(shù)，M為擬合的最高次數(shù)，T_v(t,p,u)是指平均到了指定波數(shù)間隔的平均透過率，M取4就具有足夠的精度，則對(duì)每種吸收氣體在每個(gè)子波段上將得到9×9×5＝405個(gè)擬合系數(shù)；

對(duì)均勻路徑傳輸，任意溫度、任意氣壓下的系數(shù)可插值得到，溫度采用線性插值，當(dāng)溫度小于200k時(shí)，取200k的極限值，當(dāng)溫度大于320時(shí)取320k的極限值；氣壓采用對(duì)數(shù)插值，當(dāng)氣壓大于1100hPa時(shí)，取1100hPa的極限值，當(dāng)氣壓小于0.1hPa時(shí)取0.1hPa的極限值；

對(duì)非均勻路徑傳輸，首先用插值法得到每層高度上的系數(shù)，然后用Curtis-Godson(C-G)近似

C~i=∫Ci(t,p)·k‾·du(t,p)k‾·du(t,p)---(2)]]>

得到該路徑上的平均系數(shù)，最后有效透過率為

Tv(U)=exp[-U·exp(Σi=0i=MC~i[log(U)]i}---(3)]]>

式中U為該路徑上總的吸收含量

U=∫du(t,p)---(4)]]>

（3）所述的氣溶膠衰減透過率計(jì)算算法，是根據(jù)氣溶膠種類（或提供氣溶膠復(fù)折射率）、地面能見度、實(shí)測氣溶膠尺度譜分布、消光高度分布廓線用Mie散射公式計(jì)算氣溶膠衰減的模式，具體為：

任意波長地面到某個(gè)高度H上的氣溶膠衰減可按以下公式計(jì)算

Taer(λ,H)=exp(-∫0Hβ(λ,h)·dh)---(5)]]>

式中：β(λ,h)為任意波長和任意高度上的氣溶膠衰減系數(shù)，h是傳輸路徑，λ為波長；

根據(jù)這個(gè)波長的數(shù)據(jù)推廣到任意波長和規(guī)定高度層上的消光廓線，則任意波長和任意高度上的氣溶膠衰減系數(shù)由兩部分組成：

β(λ,h)≈β(λ,0)×N(h)---(6)]]>

式中：β(λ,0)?是地面的氣溶膠衰減系數(shù)隨光譜變化的部分，N(h)是氣溶膠衰減廓線隨高度變化部分；

根據(jù)目標(biāo)探測的時(shí)間信息和應(yīng)用場景位置選擇合適的氣溶膠模型，并根據(jù)在當(dāng)?shù)卮髿鈪?shù)數(shù)據(jù)庫建設(shè)中實(shí)際測量的當(dāng)?shù)氐臍馊苣z平均譜分布，由下式用Mie散射公式計(jì)算近地面氣溶膠相對(duì)衰減系數(shù)β¹(λ,0)：

β1(λ,0)=∫r1r2πr2Qe(λ,m)dNdrdr---(7)]]>

其中，是用粒子計(jì)數(shù)器測量的地面大氣氣溶膠平均粒子譜分布；根據(jù)激光雷達(dá)測得的地面能見度(vis)和以下公式計(jì)算得到0.53μm波長上的絕對(duì)衰減系數(shù)

β(0.53,0)=3.912vis-βM---(8)]]>

式中，β_M是0.53μm分子散射系數(shù)，在海平面處可近似地取0.0016km^-1；則近地面任意波長的消光系數(shù)為

β(λ,0)=β1(λ,0)·β(0.53,0)---(9)]]>

根據(jù)實(shí)測的地面至3km范圍內(nèi)波長為532nm處各個(gè)高度上的消光系數(shù)，歸一化到近地面的消光系數(shù)，得到地面到3km上各個(gè)高度上的相對(duì)消光系數(shù)N(h)；3km以上高度的消光系數(shù)隨時(shí)間變化不是很大，則直接用modtran給出的高度分布N(h)；任意波長和任意高度的消光系數(shù)近似為地面消光系數(shù)β(λ,0)乘以高度分布N(h)；

（4）所述的分子連續(xù)吸收，起作用的主要有H₂O、CO₂、O₃、O₂和N₂，分子散射主要考慮瑞利散射，分子的連續(xù)吸收和散射透過率可采用國際上公認(rèn)的最新的MT_CKD1.2方法進(jìn)行計(jì)算；

大氣透過率計(jì)算軟件根據(jù)實(shí)時(shí)觀測的影響目標(biāo)輻射在大氣中傳輸?shù)年P(guān)鍵大氣光學(xué)參數(shù)（大氣水汽、溫度和氣溶膠高度分布廓線以及地面常規(guī)氣象參數(shù)）和目標(biāo)的位置信息，計(jì)算獲得測量時(shí)刻的各個(gè)觀測波段的大氣光譜透過率；根據(jù)近一年時(shí)間的實(shí)地觀測的大氣參數(shù)和收集的歷史氣象數(shù)據(jù)得到當(dāng)?shù)氐拇髿鈪?shù)模式；通過與國外現(xiàn)有的模式比較以及與有關(guān)的部分實(shí)際測量數(shù)據(jù)比較，校驗(yàn)大氣傳輸修正精度。