卷云对新型光度计测量大气光学厚度的影响

《大气与环境光学学报》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.

     张 广, 徐青山, 徐文清, 杨 东. 卷云对新型光度计测量大气光学厚度的影响[J]. 大气与环境光学学报, 2020,15(3): 189-195.

    卷云通常在对流层上部至平流层下部，在高空中呈轻纱状，有很好的透光性，在天空中有时人眼不易识别出来。研制了一台新型的变视场太阳光度计，用于测量分析卷云与气溶胶粒子，可为提取气溶胶粒子的光学特性剔除卷云的影响，同时也可用于研究大气中卷云粒子的特性。

    中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所光电探测研究室基于自主研制的快速变视场太阳光度计(VFOVSP)，实现了不同视场内太阳辐射的快速测量，为地基区分气溶胶粒子与卷云粒子提供了一个新的技术手段。新型光度计基于CCD图像传感器的太阳跟踪技术，以实现透过云层太阳的跟踪；并采用程控可变视场光阑，实现仪器在较短的时间间隔内对不同视场的快速测量。通过比较不同视场测量的大气光学厚度的变化，建立了一种卷云与气溶胶的识别算法。

    新型太阳光度计主要由跟踪光筒、探测光筒、探测模块箱、俯仰电机、水平电机、控制模块和底座组成。跟踪光筒的后端安装有CCD图像传感器，用来进行图像跟踪。探测光筒用来接收太阳光通量。探测模块箱内有滤光转盘、可变视场光阑和光电探测器等，这些器件协同运作，使仪器可以获得不同波长和不同视场角下的辐照度。光线经过探测光筒后会进入光电探测器，经过进一步的处理得到太阳辐射值。控制模块控制俯仰电机和水平的运动以及数据的采集和传输。水平电机和俯仰电机共同协作，使仪器能够精准地跟踪太阳，在每一次测量后两轴电机的运行步数都会进行微调，为下一次跟踪做准备。底座内有电压转换模块，满足仪器电路供电电压的要求。

图 1    新型太阳光度计

    在跟踪太阳进行测量时，通过接收来自不同视场小角度的太阳辐射信息，利用气溶胶与卷云粒子在前向小角散射的差异，来识别当前测量的视场内是否有卷云的存在，将有卷云大气与无云大气区分开来，分析气溶胶粒子与卷云粒子的特性。

   图 2    卷云、水云、气溶胶的相函数

(a) 卷云、水云、气溶胶的相函数比较；(b) 前向小角度内卷云、水云、气溶胶的相函数比较

    如下图所示：在天气晴朗条件下，同波段不同视场的气溶胶光学厚度变化趋势基本一致。由于大气中气溶胶的变化相对卷云来说慢得多，卷云的前向小角散射辐射相对于气溶胶来说强很多，为此可以比较不同视场的光学厚度变化，区分识别气溶胶与卷云粒子。

 图 3    气溶胶光学厚度对比

课题组介绍

   中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所光电探测研究室，面向世界科技前沿及国家战略需求，主要开展光电探测、光辐射传输、地基与星基激光雷达探测技术等研究。研发了系列小型化高稳定的激光雷达系统，高灵敏度痕量生物与化学气体遥测系统，被动太阳与星光光谱探测系统等。建立了成像系统大气传输影响评估模型、火星大气传输模型以及自然地表辐射模型等。拥有较为齐全的学科人才队伍，先后承担国防973项目、国防预研项目、民用航天项目、气象专项等。