全自动太阳光度计温控系统设计及测试

针对温度效应会影响太阳光度计观测结果且温度校正系数难以获取等问题,设计了一种基于热电制冷器(TEC)的全自动太阳光度计温控系统。介绍了自研全自动太阳光度计的整体设计,特别是温控系统设计,并分析了温度对探测器响应的影响。最后对该全自动太阳光度计进行了野外测试,在合肥地区与商用仪器CE318进行了同步观测比对,测试结果表明全自动太阳光度计反演的气溶胶光学厚度与CE318校正后的结果一致,偏差在0.01以内;在敦煌地区的长期测试结果表明,在温度变化较大的长期野外观测中,全自动太阳光度计温控系统均保持在(25±0.2)℃内,验证了温控系统设计的有效性和可靠性。

CE318型太阳光度计标定方法初探

初步探索了CE318型太阳光度计的室内和野外标定方法,并对两种方法的标定结果进行对比。基于积分球辐射源的辐亮度标定方法,对CE318型太阳光度计不同波段天空散射辐射通道进行标定实验;分别采用Langley标定法和标准仪器相对标定方法,对CE318型太阳光度计的不同波段太阳直接辐射通道进行了标定实验。实验结果显示:天空散射辐射通道的标定结果在670nm,870nm和1020nm波段与仪器出厂时给定的标定结果偏差不超过6%,而440nm波段处得到的标定结果要高于出厂时给定的结果,偏离幅度约18.9%。太阳直接辐射各通道的标定结果普遍大于出厂时给定的结果,说明滤光片老化较为严重,需要进行更换,以保证观测精度。由于标准仪器相对标定方法对太阳直接辐射通道的标定结果明显优于Langley法,因此利用标准仪器相对标定方法对中国气象局太阳光度计站网仪器进行定期标定更能够保证仪器观测数据的准确性。

双筒多视场太阳光度计研制

为了解决传统太阳光度计仅能测量气溶胶的局限性问题,研制了一种新型的可用于探测卷云光学性质的双筒多视场太阳光度计(BMFOVSP)。文中分别介绍了仪器的软硬件、光学平台和光路设计。仪器首次采用CCD图像处理技术跟踪太阳,跟踪精度高于1角分,解决了当有不均匀云时传统太阳光度计利用四象限跟踪太阳会不准的问题。该仪器基于VB平台可实现多波长多视场瞬时太阳辐照度的实时测量与显示;并具有电机运转、太阳图像跟踪、变视场调试等在线检测功能。初步的实验结果表明该设备测量精度高,且不同视场的强度比值可以反映云状况的变化,可在地基测量卷云光学特性参数中得到应用。

基于太阳光度计的天津城区气溶胶光学特性

利用2013~2014年天津大气边界层观测站的CE318太阳光度计观测资料,分析天津气溶胶光学厚度(AOD)和波长指数(α)的分布特征.结果表明,天津地区AOD_(440nm)和AOD_(500nm)均值分别为0.99±0.34和0.87±0.30,波长500nm下AOD月均最高值为1.41±0.79,出现在2013年6月,最低值为0.49±0.92,出现在2013年11月.AOD的季节变化特征为春季受沙尘天气影响,α最低(0.85±0.32),夏季受高温天气条件影响,新生小粒子占比较多,α最高(1.16±0.29),根据α分布特点,影响天津地区的主要气溶胶类型为城市—工业气溶胶.造成春季AOD高值(AOD≥2)情况出现是受粗、细模态气溶胶粒子共同影响,夏季AOD高值出现主要是受细模态粒子影响,同时细粒子吸湿增长特性对AOD增长有较大影响.冬季AOD高值出现同样主要受细模态气溶胶粒子影响,其气溶胶粒子粒径高于夏季.对比沙尘、霾及非污染天气条件下AOD和α的差别,发现霾天气下AOD和α最高,分别为1.41±0.68和1.17±0.29,沙尘天气下AOD为0.99±0.62,α最低,为0.55±0.22.非污染天气下AOD最低,为0.53±0.46.不同天气条件下,随AOD增长α均有先升高后降低的特征.

用CE-318太阳光度计资料研究银川地区气溶胶光学厚度特性

根据CE-318数据,利用Bouguer定律计算了银川地区的大气气溶胶光学厚度,并分析其变化特征。结果表明,该地区大气气溶胶光学厚度具有明显的日变化和季节变化。日变化有4种类型:1)变化相对稳定;2)整体上呈上升的趋势;3)早晚小,中午大;4)早晨09—11时出现峰值,其他时间变化较小。季节变化则是冬、春季节大,秋季次之,夏季最小;春季大气中的主要成分是沙尘,冬季大气的主要成分是人类活动排放的颗粒物,夏季由于降水多,气溶胶数浓度较低,气溶胶光学厚度较小。

太阳光度计反演气溶胶参数的方法比较

气溶胶光学厚度(AOD)、一次散射反射比(ω_0)、粒子谱分布和散射相函数是表征气溶胶光学微物理特征的重要参数。利用CE318太阳光度计的直接测量数据与平纬圈测量数据基于Skyrad.pack算法可以用于反演这些气溶胶参数。结合光度计标定结果以及针对观测数据的严格去云方案和质量控制措施,利用该算法对几种不同的大气混浊度状况计算了上述气溶胶参数。计算结果与基于Dubovik算法的AERONET业务产品进行了比较,发现两种方法得到的结果大部分比较一致。虽然在大气混浊度较小的情况,Skyrad反演的ω_0和谱分布中的小粒子体积浓度与Dubovik结果相比有很大差异,同时Skyrad的计算误差较大,说明在实际AOD较小时,Skyrad算法的稳定性较低,但其反演结果依然能够在一定程度上表征气溶胶的光学特征。基本分析表明,基于Skyrad.pack算法的等天顶角观测反演结果在一定的大气混浊度和合适的太阳天顶角条件下是合理的,能够用于未纳入AERONET体系的光度计观测的气溶胶光学微物理参数研究。

利用太阳光度计测值估算北京上空水汽含量

基于CE318自动跟踪太阳光度计水汽通道(936nm)和一个窗区通道(870nm)的北京上空太阳直射辐射观测数据,利用修改的兰勒方法对大气柱水汽含量的估算方法,开展了太阳光度计的标定和北京上空水汽含量的计算等。利用探空观测结果对太阳光度计测量水汽量的标定显示,二者的线性相关性为0.986,定标不确定度为0.024g/cm2。利用该方法对从2002至2004年观测的北京地区水汽含量进行了估算,结果表明在1,2,3,11,12月份,北京地区大气柱的水汽含量基本上小于0.5g/cm2,三年中同月份水汽含量的平均值有较好的一致性。

利用激光雷达太阳光度计等多种遥感手段立体监测一次沙尘事件

利用位于北京以及河北香河的两台地基Mie散射激光雷达、星载激光雷达、太阳光度计以及颗粒物监测仪等一系列仪器对发生在2008年5月底的一次沙尘事件进行立体监测并分析。结果表明,这起较严重的沙尘是由蒙古国输送而来,影响范围很广,持续时间较长,有三次明显的峰值,对应三次沙尘的来袭;沙尘的每次来袭都对应有先升温后降温的现象,并伴随有相对湿度的急剧下降;沙尘入侵前北京香河两地以细粒子为主,入侵后代之以粗粒子为主。

基于太阳光度计的广州亚运期间气溶胶参数分析

利用CE-318太阳光度计多波段观测资料,计算广州市区2010年11月亚运期间大气气溶胶光学厚度、散射系数及散射相函数,分析了广州亚运期间大气气溶胶光学厚度、波长指数和Angstrom混浊度系数的特征,并与近年同期历史数据进行了对比分析。结果表明,亚运期间受燃放烟花影响,测量点附近一段时间内气溶胶光学厚度明显增加,光学厚度逐日起伏变化明显;受交通负荷的变化影响,是否工作日和是否实施交通单双号限行都会影响光学厚度变化。

双筒多视场太阳光度计图像跟踪系统

双筒多视场太阳光度计可用来测量卷云光学性质,为了解决当有不均匀云时传统太阳光度计利用四象限光强分布跟踪太阳会不准的局限性问题,采用CCD图像处理技术跟踪太阳,研制了双筒多视场太阳光度计的图像跟踪系统。介绍了该图像跟踪系统的总体结构及原理和成像光筒的设计,详细阐述了天文视日轨迹跟踪方法和图像处理技术跟踪方法相结合的双模式跟踪算法及其流程,给出了跟踪效果图,并对其可靠性和稳定性进行了分析。结果表明,该系统能很好的跟踪太阳,可实现非阴雨天气的全天候全自动跟踪,跟踪精度高于1。该系统适于双筒多视场太阳光度计用于测量卷云光学性质,也可应用于其它对太阳跟踪精度要求较高的场合。

CE318太阳光度计观测资料应用前景及其解读

2002年中国气象局在沙尘暴各观测站点安装了CE318太阳光度计,用于探测大气气溶胶。为了使研究人员了解CE318太阳光度计工作原理、数据存储格式及解读方法,使这批观测数据很好地发挥作用,该文介绍了气溶胶气候效应的研究现状,分析了应用太阳光度计这种地基手段探测气溶胶的优势以及探测数据的应用前景。同时,针对光度计原始观测资料直接应用的瓶颈问题———资料解读方案进行了讨论,包括定标、气溶胶光学厚度的计算、光度计数据质量控制方法等。结合新疆塔中站光度计观测资料,列举了采用Langley法进行定标和计算气溶胶光学厚度的步骤。

利用太阳光度计反演大气柱水汽总量方法研究

应用天津大气边界层观测站的CE318型太阳光度计五个波段(440,670,870,936和1020nm)的太阳辐射观测资料,以及MODTRAN3.7辐射传输模式模拟的大气斜程水汽量与CE318太阳光度计936 nm通道水汽透过率的关系函数,研究了反演大气柱水汽总量的方法。结果表明:在大气处于相对不变的状态下,瞬态法和改进的Langley法在反演大气柱水汽总量时其结果的相关系数高于0.97;但在大气状态处于多变时,瞬态法优于改进的Langley法。

MicrotopsⅡ型太阳光度计的使用、计算及定标

通过研究文献和在使用仪器过程中积累的一些经验,介绍MicrotopsⅡ型5通道手持式太阳光度计的特征、仪器使用前的参数设置、使用中应该注意的问题以及大气气溶胶光学厚度(AOD)的计算原理和仪器定标方法,以便为仪器的使用者提供借鉴。对广州热带海洋气象研究所2004年9月19日在国家南岭森林公园的一次对比试验观测数据进行分析,结果显示,两台仪器大气气溶胶光学厚度值非常接近,500 nm通道的AOD值相差小于0.01,说明两台仪器的厂家定标常数仍然适用。

利用太阳光度计反演渤海湾西岸大气柱水汽总量

利用CE-318型太阳光度计936 nm水汽吸收通道的太阳辐射观测值和太阳光度计在该通道的透过率与水汽量关系,采用瞬态法反演了渤海湾西岸大气柱水汽总量。结果表明:利用太阳光度计936 nm通道可以反演晴空大气柱水汽总量,其局限性是要在晴空下使用;渤海湾西岸大气柱水汽含量时间分布极不均匀;不同季节晴空日的水汽含量日变化有所不同。

应用全球定位系统、太阳光度计和探空仪探测大气水汽总量的对比分析

介绍了应用全球定位系统(GPS)和太阳光度计估算大气水汽总量的方法。大气中的水汽会对GPS信号的传播造成显著的影响,故可以利用GPS观测估算水汽总量或可降水量(PW);在近红外940 nm波段,水汽对太阳直射辐射的吸收作用会直接影响到太阳光度计观测的信号,利用水汽吸收透过率与水汽量的关系,应用太阳光度计的辐射观测资料也可以反演出无云情况下的水汽总量。将锡林浩特观象台2008年5—7月的GPS、CE-318型太阳光度计和探空仪3种观测的水汽量进行了比较,三者对水汽量的变化趋势描述较为吻合,相关系数在0.88以上,说明GPS和太阳光度计都能捕捉到大气中的水汽变化信息;但在水汽量的具体数值上存在差异。统计分析表明:相对于探空来说,GPS-PW稍高于探空值约0.18 g/cm2,太阳光度计PW值则低于探空。太阳光度计便于携带,观测简便;GPS可全天观测无需标定,利用GPS-PW对太阳光度计反演中的模拟参数进行校正是一种可行的方法。

DTF型太阳光度计测量大气光学参数的对比验证及误差分析

DTF型系列太阳光度计在合肥地区测量大气气溶胶光学厚度(AOT)和可降水量(PWV),并与其它测量仪器进行对比验证,各仪器之间测量结果日变化趋势具有很好的一致性。对比分析结果显示:太阳光度计之间测量气溶胶光学厚度和可降水量的均方根误差都在8%以内;太阳光度计测量的可降水量与微波辐射计测量的水汽含量进行对比,均方根误差约5%。通过对比验证和误差分析,DTF型太阳光度计测量AOT和PWV具有较高的可靠性。

MICROTOPS Ⅱ型太阳光度计对比定标分析

介绍MICROTOPS Ⅱ型5通道手持式太阳光度计的基本测量原理、气溶胶光学厚度计算方法,重点对其定标方法进行研究,分析了直射通道的Langley定标法和标准仪器对比定标法,使用经过Langley定标的CE318型标准太阳光度计对其进行对比定标。实验表明:两种不同仪器间对比定标可以显著提高测量精度,得到440nm和870nm波段的AOD(Aerosol Optical Depth)指标与标准仪器的偏差在0.03以内。

CE-318太阳光度计在大气环境监测中的应用

CE-318太阳光度计自动进行太阳直接辐射和天空光扫描探测,通过反演计算可获取大气气溶胶各种光学特性,在大气环境监测与研究领域发挥着重要作用。介绍了CE-318太阳光度计的仪器结构、测量工作程序和反演算法,并对2010年重庆城区大气Angstrom波长指数测量结果进行了简要分析。

太阳光度计定标方法和西安地区气溶胶光学特征的研究

利用西安理工大学2015~2018年的太阳光度计观测资料,在传统Langley法定标的基础上,利用期望平均法和拟合平均法获得了更为稳定的仪器定标系数,分析了西安地区气溶胶光学厚度和Angström波长指数的变化特征。研究结果表明:(1)仅用Langley法对仪器进行定标带来的误差较大,引入期望平均法与拟合平均法后,得到的仪器定标值更合理,有效解决了Langley法定标值波动较大的问题;(2)西安地区气溶胶光学厚度日变化呈现5种特征:平稳型、上升型、下降型、凹型和凸型,其中平缓型出现频率最低(3.55%),凸型出现频率最高(34.25%);(3)500 nm气溶胶光学厚度季节均值为0.60±0.36,0.59±0.33,0.62±0.40,0.68±0.36,呈春夏低、秋冬高的季节变化趋势。Angström波长指数季节均值在夏季最大(1.06±0.33),春季最小(0.81±0.32)。

利用太阳光度计反演郑州地区水汽含量

利用CE-318型太阳光度计936 nm波段的太阳辐射观测资料,采用改进的Langley法反演了郑州地区大气柱水汽含量,并分析了大气柱水汽含量与地面水汽压之间的关系。结果表明:郑州地区大气柱水汽含量的季节变化:夏季>秋季>春季>冬季,日变化为早晚低,中午高;郑州地区大气柱水汽含量与地面水汽压之间存在着良好的线性关系。