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大气辐射复习思考题（王普才）1.大气辐射的基本定律有哪些？Planck定律、Stefan-Boltzmann定律、Kirchhoff定律、Wien位移定律。
2.辐射理论和电磁场理论有什么联系？辐射能量是以电磁波的形式在空间中进行传输的，因此电磁场理论是辐射理论的基石(Maxwell方程组)，对于UV到MW波段的电磁波，在波长较短的范围内辐射理论更广泛使用(Planck定律)而在长波长范围内电磁场理论更加广泛使用(Maxwell方程组)，这是因为在短波长范围内，所关心的更多的是其诸如发射率、辐射出射度等辐射特性，而在长波长范围更多地是研究其诸如偏振等电磁特性。
这是由于电磁波的波粒二象性所决定的。
但总而言之，辐射理论是由电磁场理论得出的，各种辐射特性和理论的物理本质要归结于电磁场与电磁波的各种理论之中。
3.列举测量辐射强度（辐亮度）和辐射通量密度（辐照度）的仪器。
辐亮度：太阳光度计，如AERONET联网的标准CE318或手持式CE312辐照度：总辐射表4.米（Mie）散射有什么特点？分子散射有什么特点？Mie散射发生的条件是波长与粒子尺寸相当时发生的散射，散射强度与波长的平方成反比，且前向散射强度大于后向散射。
在地球大气中，太阳光发生Mie散射的粒子主要是气溶胶。
Rayleigh散射（分子散射）发生的条件是波长远大于粒子尺寸，散射强度与波长的四次方成反比，前向散射与后向散射强度相当。
在地球大气中，太阳光发生Rayleigh散射的粒子主要是气体分子。
5.分子能级包含哪些能级？各有什么特点？根据分子内部原子核或核外电子运动的方式不同可以分为：转动能级、振动能级和电子能级，分别对应发生能级跃迁时转动能、振动能和电子能（一般能级跃迁时不涉及平动能变化）。
转动能级变化所对应吸收或发射的光谱波段位于微波或远红外波段；振动能级则位于中红外波段（很少独立产生，常伴随转动跃迁）；能量最大的电子能级位于可见光和紫外波段。
MODIS可见近红外波段定标与真实性检验巩慧;田国良;余涛;高海亮;顾行发;张玉香【摘要】提高卫星遥感数据的质量,进而实现定量化应用,其基本前提和关键在于传感器的绝对辐射定标.为检验Terra卫星MODIS(Moderate-Resolution Imaging Spectroradiometer)传感器的星上定标系数的准确性和可靠性,2007-05在北京遥感综合实验场网内蒙二连浩特实验场,采用反射率基辐射定标方法对MODIS可见-近红外波段开展定标与真实性检验.结果表明,场地定标系数和MODIS的星上系数非常吻合,相对差异小于6%,证明场地反射率基辐射定标方法定标和MODIS星上定标得到的定标系数均准确、可信度高.【期刊名称】《北京交通大学学报》【年(卷),期】2010(034)001【总页数】5页(P109-113)【关键词】定标与真实性检验;定标系数;反射率基辐射定标方法;MODIS【作者】巩慧;田国良;余涛;高海亮;顾行发;张玉香【作者单位】中国科学院,遥感应用研究所,北京,100101;北京交通大学,土木建筑工程学院,北京,100044;中国科学院,遥感应用研究所,北京,100101;中国科学院,遥感应用研究所,北京,100101;中国科学院,遥感应用研究所,北京,100101;中国科学院,遥感应用研究所,北京,100101;中国气象局,国家卫星气象中心,北京,100081【正文语种】中文【中图分类】TP70120世纪90年代以来,随着卫星技术和遥感应用技术定量化的深入和发展,以及全球资源、环境变化和灾害遥感监测的需求,卫星遥感数据的定量化研究日益受到重视.遥感定量化的基本前提和关键在于传感器的绝对辐射定标,即将传感器记录的数字值转换成对应像元地物的实际辐射亮度值[1],辐射定标精度直接影响各种定量遥感产品的质量.目前国际上采用的辐射定标方法有：发射前的实验室定标、星上定标及发射后利用地面目标进行的在轨定标方法等[2].对于没有星上定标系统的传感器,在轨定标是提高卫星遥感数据精度和可信度,实现卫星遥感定量化的有效手段.即使卫星上有内定标表系统,也不能完全确定传感器的衰减变化导致的定标结果的改变[3],依然需要通过在轨定标来订正传感器特性的变化,确保遥感数据定量应用的可靠性和准确度.目前,场地反射率基辐射定标方法[4]是获取传感器入瞳处的辐亮度精度较高且行之有效的方法.MODIS具有完善的星上定标系统[5],也需要采用另一种独立的定标方法来确定传感器各种可能变化引起的定标结果的改变.本文作者针对Terra卫星的MODIS传感器的7个可见-近红外波段(中心波长分别为CH1：645 nm;CH2 ：858 nm;CH3 ：469 nm;CH4 ：555 nm;CH5 ：1 245 nm;CH6：1 640 nm;CH7：2 130 nm)于2007-06在二连浩特场地进行卫星同步地面测量,利用反射率基辐射定标方法进行MODIS传感器的可见-近红外波段定标与真实性检验研究.1 方法和实验1.1 反射率基辐射定标方法[6]反射率基辐射定标方法是当卫星飞越二连浩特实验场上空的同时,准同步进行场地地表面的反射比测量、场地周围大气消光测量、探空和常规气象观测及场区各采样点的定位信息获取.通过对地表及大气观测数据的处理和星-地光谱响应匹配,获得辐射定标计算所必须的中间参数.将这些参数输入6S辐射传输模型[7],计算获得卫星传感器入瞳处各波段的表观辐亮度或表观反射率.另外,对卫星观测图像进行地标导航,使卫星与地面实验区达到几何配准,提取实验区内卫星观测像元计数值并进行平均,将表观反射率与卫星平均计数值相比较,得到卫星各波段定标系数.反射率基辐射定标方法定标流程如图1所示.卫星传感器波段 i测量的表观辐亮度为式中：Rλ为探测器归一化的光谱响应;Liλ为波段i的表观辐亮度.表观辐亮度 Li与卫星探测到的计数值DCi的关系为式中：Ai为增益,DC0i为计数值的偏移量.卫星传感器入瞳处各波段表观辐亮度用表观反射率可表示为式中：θs、θv、φs、φv分别为太阳和卫星的天顶角和方位角;E0i为大气外界太阳辐照度;(r0/r)为平均与实际日-地距离之比;μs=cos θs为太阳天顶角的余弦.图1 反射率基辐射定标方法定标流程图Fig.1 Flow chart of the reflectance-based calibration method对于朗伯特性较好的地面目标,反射率基辐射定标方法的表观反射率可表示为式中：ρAi为大气本身产生的向上的散射反射率;τi是大气自身透过率;ρi为地表反射率;si为大气球面反照率;Tgi为吸收气体透过率.在太阳垂直入射和平均日-地距离条件下,表观反射率ρ**i 与卫星测量计数值的关系为式中ai为增益.1.2 实验1.2.1 实验场地二连浩特实验场属于北京怀来实验场网的一部分,位于内蒙二连浩特市东南侧,中心经纬度为112.13°和43.627°,平均高程为 950 m.实验场面积广阔,地势平坦,有稀少茅草和骆驼刺覆盖,但覆盖度低.地表层主要成分以浅色矿物为主,含细砾的中粗砂,其亮度高、表面均一,如图2所示.1.2.2 地面反射比测量图2 二连浩特实验场Fig.2 Erlianhot test site根据Terra卫星过二连浩特实验场的轨道及过境时间,于2007-06-01在二连浩特实验场地面进行准同步观测实验,利用FRASD野外光谱仪获取地表光谱数据.FR ASD野外光谱仪光谱范围为350～2 500 nm,光谱分辨率为VNIR,3 nm;SWIR,10 nm.在实验场区选择面积约为2 km×2 km的子区进行同步观测.在子区内选取42个采样点,对每个采样点进行2次参考板,10次目标,2次参考板的测量顺序,测量地表光谱数据,以减少太阳辐照度变化对测值的影响.每个采样点在1 min之内完成测量,同时利用GPS对各同步采样点进行精确定位.同步观测时间为卫星过顶前后1 h,整个同步测区共获取554组有效光谱数据.卫星过境时太阳天顶角和方位角、卫星天顶角和卫星方位角分别为24.41°、148.04°、3.12°和 -80.1°.1.2.3 大气光学特性测量地表光谱同步观测当天,在实验场区附近进行大气消光和气象探空观测,以获取实验场区上空气溶胶消光光学厚度、臭氧、水汽含量等大气光学特性参数.气溶胶光学厚度测量,使用法国CIMEL公司的CE318自动跟踪太阳光度计,在距离场地12 km 处,自8：00-19：00采用等间隔时间自动测量太阳直射辐射强度.CE318光度计有8个光谱波段,见表1.表1 CE318波段配置Tab.1 CE318's band setting光谱波段 i 中心波长/nm 波段宽度/nm 1 1 020 10 2 1 640 60 3 870 10 4 670 10 5 440 10 6 500 10 7 936 10 8 340 2气象探空观测除常规两次探空观测外,在卫星过境时刻增加一次无线电探空观测.利用探空观测廓线,计算获得大气柱水汽含量(g/cm2).臭氧含量来自美国国家航空航天局臭氧总量绘图系统(NASA TOMS)数据[8].2 数据处理结果分析2.1 地表光谱数据处理对于每个地面采样点,将地面的10次测量和前后4次参考板测量数据分别进行平均,得到该采样点的地面和参考板的平均计数值.再将参考板BRF按测量时刻太阳天顶角进行插值计算,得到参考板的双向反射比.采样点的地表绝对反射比为式中：ρp(λ)是参考板BRF插值得到的测量时刻的参考板双向反射比;vp(λ)和vT(λ)分别是参考板和测量目标的平均计数值.将42个采样点的绝对反射比进行平均,得到场地的地表绝对反射比,如图3所示.从图3可知,二连浩特场地的可见光-近红外的光谱反射比在10%～40%之间,短波红外反射比在45%左右;0.4～0.75 μ m反射比随波长的增加递增较快,0.75～1.35 μ m 及 1.45～1.8 μ m 波段的地表反射比递增缓慢平稳.42个采样点在0.35～1.1 μ m波段范围的平均相对差异分别为3.1%,表明整个实验场区域地表反射离散度小,场地光学均一性好.曲线上3个跳跃部分是由于水汽吸收所致.图3 二连浩特沙地反射比Fig.3 Surface reflectance results of the test site利用地面反射率光谱数据与MODIS波段光谱响应函数卷积,计算获得MODIS对应波段的地面等效反射率为式中：ρi为 MODIS波段 i的等效地表反射率;RSRi(λ)为MODIS波段i的光谱响应函数.2.2 大气光学特性数据处理根据CE318光度计测量的直射太阳辐射和天空辐射数据,采用Langley方法反演所有波段大气气溶胶消光光学厚度.图4为2007-06-01二连浩特测量的大气光学特征曲线.图4 2007-06-01大气光学特征Fig.4 Optical properties of atmospheric aerosol on June 1,2007图4(a)为2007-06-01二连浩特测量数据拟合的各通道的Langley曲线.可以看出,测量结果的线性较好,自8：00至19：00测量期间气溶胶含量变化很小,大气状况很稳定.假定气溶胶粒子谱分布遵循Junge分布,可通过440 nm和870 nm两个通道的气溶胶光学厚度,推算出两个Junge参数：波长指数α和浑浊系数β,并由此导出波长为550 nm处的气溶胶光学厚度.图4(b)显示 Junge参数α和β.α反映气溶胶粒子组成情况,α越大,表明气溶胶小粒子含量越多;α越小,表明气溶胶大粒子含量越多.β反映气溶胶浓度的大小,β越小,表明能见度越好,大气越清洁,天气也越晴朗.可见,观测当天实验场区以大粒子气溶胶为主,气溶胶浓度很低,大气晴朗稳定,能见度很好,气溶胶对辐射传输的影响很小.2.3 定标系数计算与分析将MODIS可见光近红外波段的地面等效反射率、大气气溶胶光学厚度、探空廓线导出的水汽含量、臭氧含量及太阳和卫星几何位置的参数等输入到6S辐射传输模型,计算获得MODIS可见光-近红外波段卫星高度处的表观反射率和表观辐亮度.Terra MODIS过境时的大气参数分别为：气溶胶光学厚度0.143 4、水汽含量1.032 g/cm2、臭氧含量0.323 D.U..利用GPS数据进行星-地同步观测实验场区精确配准,提取MODIS传感器图像对应地表实验场区的像元平均计数值.由于MODIS波段空间计数值为零(即偏移量offset=0),依据式(2)和式(5)计算获得各波段定标系数,表2是此次场地定标实验计算获得的各波段定标系数.表2表明,2007-06-01场地辐射定标得到的反射率定标系数与MODIS星上定标系数结果一致性好,最大误差为0.013,相对差异小于3%.对于辐亮度的定标系数,场地辐射定标得到的结果与MODIS星上定标结果在近红外波段误差稍大,其他波段很接近,场地定标结果与星上定标结果相对差异小于6%.两种独立法获得定标系数有较好的一致性,证明此次场地定标系数可信度高,且MODIS的星上定标准确、可靠,在对我国的系列卫星进行交叉定标时可将MODIS作为标准参考传感器.表2 2007-06-01场地定标与星上定标比较Tab.2 Comparison between reflectances obtained from cross calibration and those of the on-board calibration for MODIS on June 1,2007光谱波段 i 1 2 3 4 5 6 7场地定标计算的ρi* 0.253 0.351 0.154 0.1887 0.41 0.420 0.394星上定标计算的ρi* 0.250 0.355 0.152 0.189 0.414 0.433 0.392场地定标的ai×10-05 5.33 3.24 3.87 3.46 3.75 3.35 2.83星上定标的ai×10-05 5.27 3.27 3.82 3.47 3.79 3.45 2.81 ai 相对差异/% 0.999 -1.009 1.304 -0.247 -1.052 -2.989 0.567场地定标计算的Li 125.31 108.00 95.88 108.72 58.09 30.90 11.59星上定标计算的Li 124.45 109.01 98.02 109.27 60.81 32.21 10.95场地定标的 Ai 0.0264 0.00996 0.0241 0.01994 0.00531 0.00246 0.000833星上定标的 Ai 0.0262 0.0101 0.02467 0.02 0.00556 0.00257 0.000787 Ai相对差异/% 0.68 -0.92 -2.42 -0.57 -4.58 -4.13 5.753 结论遥感定量应用的关键在于传感器的辐射定标.传感器的定标需要通过多种独立的方法相互验证.为了验证MODIS的星上定标系数的准确性,本文通过2007-06-01在二连浩特实验场的场地卫星同步观测实验,采用反射率基辐射定标方法对MODIS 可见-近红外波段进行辐射定标.通过对反射率基辐射定标方法得到的结果和星上定标结果进行对比分析,场地定标和星上定标这两种独立方法获得的定标系数有较好的一致性,证明两种定标方法的结果均准确、可靠.MODIS星上定标系数具有很高的可信度,今后对我国的系列卫星进行交叉定标时,可将MODIS作为标准参考传感器.致谢：实验数据的获取得到了中科院遥感所论证中心魏飞鸣、傅鹤、朱利、胡梅、郭丁、肖丹涛等同学的帮助,在此表示感谢!参考文献：[1]田庆久.遥感信息定量化理论、方法与应用[C]∥遥感知识创新文集.北京：中国科学技术出版社,1999：20-29.TIAN Qingjiu.Quantitative Theory,Method and Application of Remote Sensing Information[C]∥Thesis Compilation of Innovation About Remote Sensing Knowledge.Beijing：ChinaScience&Technology 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[8]What is the TotalColumn Ozone Amount Over YourHouse[EB/OL].(2007-07-09)[2007-07-09].http：∥/teacher/ozone-overhead-v8.html。
CE318太阳光度计技术手册中国气象局监测网络司编写说明为了满足中国气象局沙尘暴站业务化运行的需求，同时，为观测人员了解测量原理、对仪器进行操作和维护提供指导，为研究人员开展科研工作提供参考，有关专家和有经验的业务技术人员共同编写了本材料。
本材料由中国气象科学研究院中国气象局大气成分观测与服务中心、北京市气象局和国家卫星气象中心共同组织编写。
目 录1 概述 (1)2 系统结构及原理 (1)2.1 仪器工作原理 (1)2.1.1 大气光学厚度 (1)2.1.2 气溶胶参数 (2)2.1.3 改进Langley法 (2)2.2 仪器结构 (3)2.3 技术指标 (5)3 系统安装及操作方法 (5)3.1 系统安装 (5)3.2 操作方法 (6)3.2.1 太阳光度计的启动和关闭 (6)3.2.2 重要操作指令列表 (8)3.2.3 天空扫描测量 (12)3.2.4 自动模式测量 (13)3.3 日常检查 (14)4 系统维护与校准 (14)4.1 系统维护 (14)4.1.1 检查系统的完整性 (14)4.1.2 检测电池电压 (14)4.1.3 检测仪器的时钟 (15)4.1.4 检测机器人臂和光学头是否水平 (15)4.1.5 检测仪器的跟踪和对准器 (15)4.2 系统定标 (15)5 数据及格式 (16)6 安全及注意事项 (16)7 附录 (18)7.1 日检查表 (18)7.2 周检查表 (19)1 概述大气气溶胶光学厚度的测量可反映气溶胶粒子对太阳辐射的消光作用。
世界气象组织的全球大气观测网（WMO-GAW ）将大气气溶胶光学厚度的观测作为基本观测项目，目的是对全球大气气溶胶的变化趋势进行长期观测，进而研究其对全球和局地气候变化的影响。
同时气溶胶光学厚度的地基观测结果，也是对卫星光学遥感校准的一种重要的手段。
WMO-GAW 推荐了两种通过直接测量太阳分光辐射求出气溶胶光学厚度的方法，一种方法是采用一组短波截止滤光片和直接日射表相配合进行测量，另外一种是使用太阳光度计的测量方法。
太阳光度计天空辐射亮度观测的浅析【摘要】目前ce-318太阳光度计被各广泛应用于气象观测中，为了使人们了解ce-318太阳光度计工作原理、数据存储格式及解读方法，使观测数据更好地发挥作用，本文介绍了太阳光度计在天空观测（主要在大气气溶胶的观测）方面的应用，并将根据观测资料讨论太阳光度计的后续研究方向。
【关键词】太阳光度计；天空亮度；气溶胶1.引言全自动太阳光度计ce-318，是一种自动跟踪扫描太阳辐射计。
测得的直射太阳辐射数据和天空扫描数据，主要用来计算大气通透率，反演气溶胶光学和其他特性，如粒度谱、相函数等。
大气气溶胶是由固态或液态的质粒分散到空气中形成的分散体系。
悬浮在大气中的大气气溶胶颗粒的直径通常小于10，它们对大气辐射传输和水循环均有重要的影响[1]。
近年来先后出现的臭氧层的破坏、酸雨的形成、北极霾、烟雾事件[2]等现象都与大气气溶胶密切相关。
由于气溶胶对天空的亮度存在很大的影响，因而，我们可以利用ce-318 获得的太阳直接辐射数据来反演南京地区的大气气溶胶光学厚度，并对反演所得的结果进行分析，从而判断南京地区天空亮度的日变化和随季节的不同或天气状况的不同而产生的变化。
2.测量仪器和测量原理2.1 ce-318型太阳光度计图1 ce-318太阳光度计结构示意图[3]本文采用的是测量仪器是全自动太阳分光光度计ce-318，待测的天空亮度能直接从测量仪器中读出。
ce-318由一个光学头、一个控制箱和一个双轴步进马达系统组成，光学头带有两个瞄准筒：一个用于测量太阳直射辐射不带聚光透镜，另一个用于天空辐射测量带有聚光透镜。
在光学头上还装有四象限探测器用于太阳自动跟踪时的微调。
控制箱内装有2个微处理器，分别用于数据获取和步进马达系统的控制。
在全自动测量状态，如附设的“湿度传感器”探测到降雨，控制箱将置光度计于停机状态，以保护仪器的光学系统。
步进马达系统具有方位和测量高度角两个自由度，由时间方程来控制太阳的初步跟踪，用四象限探测器系统作精密跟踪。
大型精密仪器设备购置申请论证报告
仪器设备名称太阳分光光度计
项目名称气溶胶污染对于植被的生长的影响
项目负责人梁勤欧
填表日期2017-07-22
实验室管理处制
填表说明
1．此表须在学院申购该设备前填写完成，并与申购计划一起上报有关部门。
2．单价10万元及以上仪器设备的申购均需填写此表。
单价10-40万元的仪器设备由各学院自行组织校内专家论证、评议；单价40万元以上的仪器设备由各学院组织校内外专家（其中必须有校外专家）论证、评议，项目经费、设备管理等部门参与。
3．此表填写必须使用碳素墨水钢笔或计算机激光打印。
4．此表一式2份（如设备为进口设备，需提交3份）。
二类水体大气校正算法说明书子模块介绍：该模块的主要任务是针对太湖流域二类水体水质，通过对遥感器水色波段的大气校正，计算出可见光波段的归一化离水辐射率，为水体水色信息的提前做准备。
1.输入数据:MODIS TERRA 几何校正后产品MODIS产品中太阳和卫星天顶角、方法角数据集大气辅助数据产品（臭氧含量、压强）CE318太阳光度计辅助数据（用于大气气溶胶光学厚度计算）2.输出数据海洋水色产品（离水辐射率）3.算法说明3.1大气校正模块说明来自大气外层的太阳光通过大气的瑞利散射和气溶胶散射，其中一部分返回到卫星水色扫描仪，一部分直射和漫散射到达海面．到达海面的直射光，一部分由于镜面反射可能会穿过大气到达卫星水色扫描仪，另一部分经水面折射穿过水面，受到水色因子如叶绿素、悬浮泥沙和黄色物质等颗粒的散射后，再经水面折射穿过大气到达卫星水色扫描仪．水次表面的另一部分继续向下到达真光层深度或到达海底又部分反射。
经折射回到卫星水色扫描仪．因此，可能到达卫星水色扫描仪的总辐射量为（为简洁，省略波长 ）：L t=L r+L a+t L f+T L g+t L w（1）式中：L r－大气分子单次和多次散射；L a－气溶胶单次和多次散射以及气溶胶与大气分子间的多次散射；L f －白帽散射；L g－太阳耀斑；T－大气直射透过率；L w－离水辐亮度；t－大气漫射透过率。
对于太阳耀斑Lg，若像元处在耀斑区，则其值非常大，无法准确的去除其影响，实际上这一块图象数据是无效的；而在非耀斑区，其值又比较小，可以忽略不计。
故本算法未考虑其影响，则上式可表示为：L t=L r+L a+t L f+t L w（2）水色大气校正的目的是从传感器接收到的辐亮度值中去除大气的散射贡献，从而计算得到载有水体信息的离水辐亮度。
由于大气分子成分及含量比较稳定，L r已能比较精确的计算得到。
关键是气溶胶散射，由于气溶胶含量在空间域及时间域上变化较大，要准确计算其散射比较困难，各种大气校正方法的不同也主要体现在对气溶胶散射的处理上。
气溶胶光学特性的反演方法研究韩 冰,高 飞,李铜基(国家海洋技术中心,天津 300111)摘 要:气溶胶是大气重要组成部分,其对地球的辐射收支平衡以及气候变化均有非常重要的贡献。
文中根据非线性辐射传输理论,研究了从自动观测太阳光度计(CE318)多角度的天空扫描数据获取气溶胶粒子谱分布、散射相函数等光学特性的反演方法,并对2000年10月27日、30日南海试验的观测数据进行了分析,取得了较好效果。
关键词:气溶胶;粒子谱分布;散射相函数;辐射传输中图分类号:T P72214 文献标识码:B 文章编号:100322029(2006)03200552061 引言气溶胶的严格含意是指悬浮在气体中的固体和(或)液体微粒与气体载体共同组成的多相体系[1]。
相应地,大气气溶胶是指大气与悬浮在其中的固体和液体微粒共同组成的多相体系。
大气气溶胶粒子的直径多在10-3～102Λm之间,包括可溶性的(如海盐粒子)和不可溶性的(如化石燃料的氧化物)粒子。
依其形成机制则可分为自然因子与人为因子,前者主要是经由地表的自然风化过程和海洋表面的碎浪过程而进入大气,后者则是来自人类工业文明所产生微小污染物[2]。
气溶胶对地球的辐射收支平衡继而气候变化均有非常重要的贡献,但是目前人们对气溶胶的了解非常欠缺。
气溶胶的辐射贡献包括两部分:一是直接辐射贡献,即气溶胶对太阳辐射进行吸收、散射等引起的;二是通过改变云的微观物理特性而产生的间接影响。
首先,气溶胶对气候的影响方面,M cCo rm ick和L ud2 w ig认为[3],气溶胶会增加太阳辐射的反照率,进而导致地球的长期性冷却效果,而Charlson和P ilat[4]也曾提出气溶胶对大气系统能量收支的影响,即气溶胶透过吸收、散射和放射过程直接影响地球能量的收支。
其次,在卫星数据校正方面,气溶胶对卫星信号的贡献是很难准确估算的部分,因而通过研究气溶胶的光学特性必然会提高估算的准确性。
CE318太阳光度计技术手册中国气象局监测网络司编写说明为了满足中国气象局沙尘暴站业务化运行的需求，同时，为观测人员了解测量原理、对仪器进行操作和维护提供指导，为研究人员开展科研工作提供参考，有关专家和有经验的业务技术人员共同编写了本材料。
本材料由中国气象科学研究院中国气象局大气成分观测与服务中心、北京市气象局和国家卫星气象中心共同组织编写。
目 录1 概述 (1)2 系统结构及原理 (1)2.1 仪器工作原理 (1)2.1.1 大气光学厚度 (1)2.1.2 气溶胶参数 (2)2.1.3 改进Langley法 (2)2.2 仪器结构 (3)2.3 技术指标 (5)3 系统安装及操作方法 (5)3.1 系统安装 (5)3.2 操作方法 (6)3.2.1 太阳光度计的启动和关闭 (6)3.2.2 重要操作指令列表 (8)3.2.3 天空扫描测量 (12)3.2.4 自动模式测量 (13)3.3 日常检查 (14)4 系统维护与校准 (14)4.1 系统维护 (14)4.1.1 检查系统的完整性 (14)4.1.2 检测电池电压 (14)4.1.3 检测仪器的时钟 (15)4.1.4 检测机器人臂和光学头是否水平 (15)4.1.5 检测仪器的跟踪和对准器 (15)4.2 系统定标 (15)5 数据及格式 (16)6 安全及注意事项 (16)7 附录 (18)7.1 日检查表 (18)7.2 周检查表 (19)1 概述大气气溶胶光学厚度的测量可反映气溶胶粒子对太阳辐射的消光作用。
世界气象组织的全球大气观测网（WMO-GAW ）将大气气溶胶光学厚度的观测作为基本观测项目，目的是对全球大气气溶胶的变化趋势进行长期观测，进而研究其对全球和局地气候变化的影响。
同时气溶胶光学厚度的地基观测结果，也是对卫星光学遥感校准的一种重要的手段。
WMO-GAW 推荐了两种通过直接测量太阳分光辐射求出气溶胶光学厚度的方法，一种方法是采用一组短波截止滤光片和直接日射表相配合进行测量，另外一种是使用太阳光度计的测量方法。
我国沙尘暴监测站所使用的CE318型太阳光度计，是法国CIMEL 公司制造的一种自动跟踪扫描的太阳光度计。
该仪器在可见近红外波段有8个光谱通道，它不仅能自动跟踪太阳作太阳直射辐射测量，而且可以进行太阳等高度角天空扫描、太阳主平面扫描和极化通道天空扫描。
CE318能自动存储测量数据，并在测量完成后传输到计算机保存，它还可以通过卫星DCP 平台远程传输数据，实现无人管理自动测量、采集和远程数据传输。
CE318测得的直射太阳辐射数据和天空扫描数据，主要用来计算大气透过率，反演气溶胶光学和其它特性，谱、相函数等。
CE318太阳光度计不仅是一种大气气溶胶环境监测仪器，也可在遥感卫星传感器辐射定标时进行大气光学参数的测量。
2 系统结构及原理2.1 仪器工作原理2.1.1 大气光学厚度地面测得的直射太阳辐射E （W/m 2）在特定波长上根据Bouguer 定律，有：g T m R E E )exp(20τ−⋅=− （1）其中E 0是在一个天文单位（AU ）距离上的大气外界的太阳辐照度，R 是测量时刻的日地距离（AU ），m 是大气质量数，τ 为大气总的垂直光学厚度，T g 为吸收气体透过率。
若仪器输出电压V 与E 成正比，则公式（1）可写成：g T m R V V )exp(20τ−⋅=− （2）其中V 0是定标常数，在大气相对稳定条件下，进行不同太阳天顶角情况下的太阳直射辐射测量，仪器输出电压V 是m 的函数，V 0是从一系列观测值外插到m 为0时的电压值V 。
由lnV+lnR 2与m 画直线，直线的斜率就是垂直光学厚度-τ，截距就是太阳光度计在大气外界测得的电压信号V 0，这就是常说的Langley 法。
大气总的消光光学厚度τ由分子散射（Rayleigh ）、气体吸收消光（如臭氧，水汽）和气溶胶散射三部分组成，g a r ττττ++= （3）其中Rayleigh 光学厚度r τ由地面气压测值计算出来，在可见近红外波段气体吸收主要是臭氧和水汽的吸收。
在没有气体吸收的通道，式（3）右边的第三项可以忽略，那么从总的光学厚度减去Rayleigh 光学厚度，气溶胶的光学厚度就计算出来。
2.1.2 气溶胶参数对于气溶胶光学厚度，假定气溶胶粒子谱分布遵循容格（Junge ）分布，垂直大气柱气溶胶粒子尺度谱分布如式（4）：)1()()()(+−⋅==νr z c dr r dN r n （4）其中r 是球形粒子的半径，N(r)为单位面积上气溶胶粒子总数，ν是Junge 参数，因子C(z)与高度z 有关，正比于气溶胶的浓度。
在Junge 气溶胶谱类型和气溶胶复折射指数与波长无关条件下，气溶胶光学厚度与波长的关系满足公式（5）：2)(+−⋅=νλλτk a （5）式（5）中k 为Angstrom 大气浑浊度系数，是波长1μm 处大气气溶胶光学厚度。
由式（5）可知，我们可以通过测量气溶胶光学厚度的谱分布就能求出ν和k ，利用k 和ν继而可以求出其它波长上的气溶胶光学厚度。
2.1.3 改进Langley 法在地面测得的直射太阳辐射信号在940nm 附近水汽吸收带不符合Bouguer 定律，Bouguer 指数消光定律是对单色辐射而言。
依照Bruegge 和Halthore 在1992年的研究成果，水汽透过率这时用两个参数表达式来模拟：)exp(b w aw T −= （6）其中Tw 是通道上的水汽吸收透过率，w 是大气路径水汽总量，a 和b 是常数，在给定的大气条件下，它们与太阳光度计940nm 通道滤光片的波长位置、宽度和形状有关，还与大气中的温压递减率和水汽的垂直分布有关。
a 和b 由辐射传输方程模拟来确定。
为了在各种大气条件下能有效利用太阳光度计反演水汽量，有必要研究a 和b 对这些条件的灵敏度。
在940nm 水汽吸收带，太阳光度计对太阳直射辐照度的响应可表示为：w T m R V V ⋅−⋅=−)exp(20τ （7）其中τ 是Rayleigh 散射和气溶胶散射光学厚度，它们相互独立，气溶胶光学厚度通过其它通道（如870nm 和1020nm ）内插得到。
斜程水汽量w=m*PW ，PW 为垂直水汽柱总量。
将（6）式代入并两边取对数，得b b PW am R V Ln m LnV ⋅−=+−)(20τ （8）在稳定和无云大气条件下，以mb 值为X 轴，以上式左边为Y 轴画直线，直线的斜率为-a PW b ，Y 截距为Ln(V 0R -2)。
这就是通常所说的改进的Langley 法。
2.2 仪器结构CE318型太阳光度计主要由以下部分组成：（1）仪器主体：传感器头部、扫描步进马达和机械臂；（2）控制箱：提供软件控制预定的扫描和采样指令，获取数据，内置电池；图1为已架设好的CE318。
图1 CE318太阳光度计如图2所示，仪器主体的主要部件包括：z 安装在机械臂顶部的方位步进马达，机械臂的一侧是天顶角步进马达，另一侧是传感器头部。
z 对准器安装在传感器头部，在传感器内部有两个硅探测器，分别对应于两个对准器。
两个对准器具有同样的视场角（1.2°），但是具有不同的孔径。
它们结构上是一整体，并用一个长的螺钉向下紧固，以阻止光和水浸入。
较大的孔径对准器十倍于太阳对准器，提供必要的动态范围来观测天空。
z滤光片轮安装在传感器内，它安装在对准器窗口和探测器之间。
滤光片轮由八个窄波段干涉滤光片组成，其光谱通道参数见表1。
表1CE318自动跟踪扫描太阳光度计光谱通道通道号CE318标准 AERONET仪器通道中心波长nm 带宽nm中心波长nm带宽（nm）1 1020 10 340 102 870P1 10 380 103 670 10 440 104 440 10 500 105 870P2 10 670 10870 10 870 106936 10 940 1078 870P3 10 1020 10注：P1、P2、P3为极化通道z三根电缆（一根粗电缆连接传感器头部和控制箱，另两根电源电缆分别对应于两个马达）。
仪器主体连接在一个基盘上以便仪器安装在一个水平面上。
z控制箱由一个控制模块组成。
控制模块是一个四方形白色的箱子，它准确控制扫描和CE318测量程序。
它内部有一电池，仅服务于仪器的软件部分。
控制箱也储存数据并能够被查询。
z外部湿度传感器连接到控制箱上，控制传感器头在下雨时中止测量，并自动将光学头部置于PARK（停止工作）状态，并使对准器向下指向基座。
以上部件与所有电缆的连接采用防雨硅树脂密封在各自的箱子内。
图2CE318太阳光度计结构示意图2.3 技术指标（1） 由直射太阳辐照度观测推出大气透过率。
（2） 垂直气溶胶光学厚度在大气质量数为2时的精度是±0.01-0.02。
（3） 由天空辐射测量可推出的气溶胶在0.1-3 μm范围内的尺度谱分布，它用于辐射传输计算。
（4） 从尺度谱分布可推出气溶胶相函数。
3 系统安装及操作方法3.1 系统安装（1） 电缆连接：是各部件之间的电子连接，连接电缆线到控制箱，主要包括跟踪底座两根步进电机电缆（AZ和ZN）、外部电池电缆、传感器头部电缆、湿度传感器电缆等；（2） 配置控制测量单元：即输入日期时间和测点的经纬度见参数设置（3） 系统定位¾放置三脚架使太阳能板在北半球朝南，南半球朝北；¾架好三脚架后，调整三腿使太阳光度计底盘水平，调至水平后固定腿部；¾将跟踪底座固定在一个稳定水平面上，但传感器头不要放上；¾用螺丝刀将底座调平；¾启动PARK指令（指令的详细说明见下面章节）；¾底座到达PARK位置，按如下方法固定传感器头：瞄准器朝下（天底）传感器头连接器靠近轴¾用一塑料圈或金属弹簧固定传感器头的电缆；¾启动GOSUN指令，并调整传感器头电缆的位置转动底座使瞄准器对准太阳（通过沿着垂直轴转动整个系统）再次启动PARK指令重复GOSUN指令，确认是否对准太阳注：在P A R K位置，高度角旋转轴朝向地理的东西方向，传感器头在西。
头部旋转面在子午面上。
方位角定位¾启动PARK指令；¾把步进马达系统放到架子上，并调节使其底座水平；¾导引天顶马达控制轴朝西（垂直运动）；¾启动GOSUN指令；¾用手水平转动马达系统底座，使对准器瞄准太阳。
当太阳的像尽可能接近对准孔，表明操作正确；¾使马达系统底座水平，如果必要，检查配置和修正平台的位置；¾调整底座的螺钉，再次控制水平；¾当所有螺丝固定之后，再检查所有前面的操作。
