大氣渾濁度觀測方法

QX/T××××—2005PAGEIIPAGE1中國氣象局發(fā)布××××-××-××實施××××-××-中國氣象局發(fā)布××××-××-××實施××××-××-××發(fā)布大氣渾濁度觀測方法MeasurementofAtmosphericTurbidity（征求意見稿）QX/T××××—2005QX中華人民共和國氣象行業(yè)標準ICSN備案號：QX/T××××—2005PAGEI目次TOC\o"1-2"\h\z\u目次 I前言 1引言 21范圍 32規(guī)范性引用文件 33術語和定義 34測量原理及測量儀器 45校準方法 6 67輔助觀測 68數(shù)據(jù)處理 79資料存檔 7附錄參考文獻PAGE10前言本標準由中國氣象局提出。本標準由中國氣象局政策法規(guī)司歸口。本標準起草單位：中國氣象局大氣成分觀測與服務中心，北京大學大氣科學系、中國氣象局大氣探測技術中心本標準主要起草人：顏鵬、李成才、湯潔、王炳忠、賀曉雷本標準首次發(fā)布。引言本標準依據(jù)《中華人民共和國氣象法》，在引用和參考相關國家標準和行業(yè)標準的基礎上制定。大氣渾濁度是除云滴、雨滴、冰晶之外大氣懸浮物對太陽輻射消減強弱的一種量度。大氣渾濁度不僅是大氣污染程度的指標，也是氣候變化研究的重要資料。大氣渾濁度可用大氣垂直氣柱內(nèi)的大氣氣溶膠光學厚度來表征，即用垂直氣柱內(nèi)氣溶膠衰減系數(shù)的積分來表示。傳統(tǒng)上描述大氣渾濁度的參數(shù)有兩種方式：一是表示為一定波長的光學厚度，如許埃普渾濁度因子(Schüeppturbidityfactor)，它代表波長為0.5μm的氣溶膠光學厚度；再如埃斯特朗渾濁度系數(shù)（?ngstr?mturbiditycoefficient），它表示波長為1.0μm的氣溶膠光學厚度；二是利用全波段大氣總光學厚度與瑞利(Rayleigh)散射光學厚度的比值表達,如林克渾濁度因子(Linketurbidityfactor）（或大氣渾濁度指標）。這里大氣總光學厚度的主要部分一般還是氣溶膠光學厚度。因此，觀測大氣渾濁度，實質(zhì)上是與觀測大氣氣溶膠光學厚度直接相關。測量大氣氣溶膠光學厚度及其隨波長的分布可以利用多種儀器，如多波段太陽光度計、光譜儀、分光輻射表等。本標準僅涉及利用太陽光度計測量氣溶膠光學厚度的方法。林克渾濁度因子（或大氣渾濁度指標）由于是采用全波段太陽輻射觀測，且在《氣象輻射觀測方法》已有規(guī)范，這里不再對其觀測進行規(guī)范。

1范圍本標準規(guī)范了利用太陽光度計測量大氣渾濁度（大氣氣溶膠光學厚度）的技術指標、儀器安裝、觀測步驟、以及儀器校準、計算方法等。本標準適用于氣象行業(yè)大氣本底觀測站及其他有關氣象臺站對大氣渾濁度的觀測。規(guī)范性引用文件下列文件中的條款通過本部分的引用而成為本部分的條款。凡是注明日期的引用文件，其隨后所有的修改單（不包括勘誤的內(nèi)容）或修訂版均不適用于本部分，然而，鼓勵根據(jù)本部分達成協(xié)議的各方研究是否可使用這些文件的最新版本。凡是不注日期的引用文件，其最新版本適用于本部分?！豆饧坝嘘P電磁輻射的量和單位》，中華人民共和國國家標準GB3102.6-93，中國標準出版社，1993《太陽能熱利用術語》,中華人民共和國國家標準GB12936.1-91，中國標準出版社，1991-5-22術語和定義本部分采用下列術語和定義。3.1輻[射能]通量radiantenergyflux；radiantflux；fluxofradiation以輻射形式發(fā)射、傳播或接收的功率。測量單位為瓦[特]（W）。3.2irradiance照射到表面一點處的面元上的輻射能通量除以該面元的面積。單位為瓦特每平方米(W/m2)。3.3光譜spectralirradiance在給定波長附近的無窮小范圍內(nèi)，輻射照度與該波長間隔之商。單位為瓦特每平方米每微米(W/m2/μm)。3.4消光extinction；輻射在介質(zhì)中傳播時，與介質(zhì)發(fā)生相互作用而造成的入射能量總衰減過程。3.5散射scattering;漫射diffusion輻射與物質(zhì)（微粒）的一種相互作用，作用后輻射束分散為許多方向，空間分布也有變化，但總能量及其波長維持不變。3.6瑞利散射Rayleighscattering輻射穿過含有尺寸小于輻射波長的粒子介質(zhì)時發(fā)生的漫射現(xiàn)象。3.7吸收absorption：輻射能由于與物質(zhì)的相互作用，轉(zhuǎn)換為其他能量形式的過程。3.8大氣光學質(zhì)量opticalairmass太陽在任何位置與在天頂時直射光通過大氣到達觀測點的路徑之比。注1：大氣光學質(zhì)量隨太陽高度角和當?shù)貧鈮旱牟煌煌?。若太陽天頂角Z等于或小于62，且當?shù)卮髿鈮簽镻，標準大氣壓為P0時，則airmass=P/（P0cosZ）。3.9光學厚度OpticalThickness輻射在介質(zhì)中傳輸時兩點之間路徑上單位截面的消光（衰減）系數(shù)，為無量綱量。3.10氣溶膠光學厚度AerosolOpticalDepth整層大氣天頂垂直方向總路徑上因氣溶膠散射和吸收造成的總光學厚度。3.11大氣渾濁度AtmosphericTurbidity大氣渾濁度是除云滴、雨滴、冰晶之外大氣懸浮物對太陽輻射消減強弱的一種量度，它是表征太陽輻射受到大氣中氣體、水汽、氣溶膠等的吸收和散射后，其透射程度下降的指標。3.12埃斯特朗渾濁度系數(shù)?ngstr?mturbiditycoefficient一種表示大氣混濁度的物理量，其數(shù)值等于波長為1μm處的大氣氣溶膠光學厚度。3.13許埃普渾濁度因子Schüeppturbidityfactor一種表示大氣混濁度的物理量，是波長為0.5μm處的大氣氣溶膠光學厚度。3.14比爾-朗伯定律Beer-Lambertlaw吸收物質(zhì)對電磁輻射的吸收量與電磁輻射強度、吸收物質(zhì)質(zhì)量吸收系數(shù)和吸收物質(zhì)濃度以及吸收路徑長度成正比，表現(xiàn)為電磁輻射在具有吸收物質(zhì)的光學路徑上的指數(shù)衰減。3.15日地平均距離meanearth-sundistance天文單位astronomicalunit地球在公轉(zhuǎn)軌道上至太陽距離的周年平均值。注：日地平均距離約為1.496106測量原理及測量儀器4.1測量原理大氣氣溶膠通過散射、吸收對太陽輻射產(chǎn)生衰減。氣溶膠衰減系數(shù)在大氣路徑垂直方向上的總積分構(gòu)成大氣氣溶膠光學厚度（AOD），氣溶膠光學厚度及其隨波長的變化可以通過對太陽直接輻射的測量來確定。在給定波長處，從太陽光度計測到的在中心波長λ的光譜輻照度來計算氣溶膠光學厚度，可直接根據(jù)比爾-朗伯定律計算。按照Beer-Lambert定律對整層大氣積分可得：為地球大氣上界波長處的太陽直接輻射光譜輻照度；為大氣總光學厚度，包括分子散射和吸收光學厚度、氣溶膠光學厚度。為大氣質(zhì)量（有關參數(shù)計算見附錄B）測量儀器大氣氣溶膠光學厚度的觀測可利用多種儀器進行。最常用的是太陽光度計（Sunphotometer），或者稱濾光片式輻射表（Filterradiometers，F(xiàn)R），因為其波長可不限于可見光。WMO推薦的三個中心波長分別為368nm、500nm和862nm，并附帶一個中心波長為412nm的可選通道，所有通道的帶寬均為5nm，均采用干涉濾光片選擇波長，并用硅光電二極管做檢測器。該類儀器還應該配備精密的數(shù)字式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理質(zhì)量保證程序。按照儀器的操作方法，目前國際上使用的該類儀器分為自動跟蹤型和手動型兩種。自動跟蹤型太陽光度計需具備自動精細跟蹤太陽的裝置，并配合程序計算太陽位置的被動系統(tǒng)，以防止在從多云天氣進入晴天時無法跟蹤或誤跟蹤的弊病。另外還需要具備雨滴感應器以防雨水進入儀器。儀器的技術性能包括：能夠保證對準太陽；具有較高采樣頻率，便于數(shù)據(jù)質(zhì)量控制，具有較好的穩(wěn)定性。具體的指標包括幾個方面的內(nèi)容：儀器的中心波長、通道的帶寬、靈敏度、儀器動態(tài)范圍、視場角和環(huán)境溫度要求等（參見附錄A1推薦儀器的技術指標）。校準方法常用的校準方法有通常稱之為長法（Langley法）和標準光源法兩種。長法（Langley法）一般選擇在特別晴好天氣條件下的高海拔臺站進行，并假定這里的氣溶膠光學厚度無明顯的日變化。根據(jù)關系式(4.3)，在不同的太陽天頂角下測得一系列Langley法）儀器校準過程。標準光源法是另外一種校準方法，就是在實驗室內(nèi)利用標準光源對特定波長下儀器的參數(shù)進行校準。除此之外，還可以應用一些高準確度的絕對校準法，諸如用低溫輻射表做為基準檢測器的方法。注：并非所有進行觀測的測站均適合應用長法（Langley法）校準。因此，更為經(jīng)常采用的是用一個通過長法(Langley法)校準過的傳遞標準儀器，定期地對測站的濾光片式輻射表逐個進行同步比對來實施校準。輔助觀測數(shù)據(jù)處理和質(zhì)量控制商用儀器一般含內(nèi)置的數(shù)據(jù)處理程序或配備相應的計算機軟件。該軟件的結(jié)果應該與長法（Langley法）校準后，考慮分子散射、分子吸收訂正的算法（見４，５部分）進行比較。通過檢定的商用軟件的處理結(jié)果才可供進一步存檔、發(fā)布。質(zhì)量控制主要應注意以下幾個方面：標定:儀器的初次使用前應采用長法校準或與其他標準儀器對照觀測校準；每年應該進行至少一次的定期檢測，確保儀器常數(shù)的穩(wěn)定性。太陽精細跟蹤和云“污染”：一般從連續(xù)記錄的穩(wěn)定性上分析由于跟蹤太陽不準或云污染帶來的數(shù)據(jù)質(zhì)量問題。對手動太陽光度計的連續(xù)5次記錄，500nm氣溶膠光學厚度的相對偏差小于10%或絕對誤差±0.05。自動跟蹤型太陽光度計，經(jīng)過云檢測程序的處理結(jié)果，也應該達到連續(xù)記錄相對偏差小于10%或絕對誤差±0.05這樣的指標。觀測設備應定期檢查與維護發(fā)現(xiàn)狀態(tài)異常應立即調(diào)整并記錄在案。經(jīng)常清潔鏡頭，確保測量時儀器鏡頭干凈，以保證測量的準確性。觀測過程應由經(jīng)過培訓的人員進行，專崗專人。資料存檔資料存檔文件含文件頭和數(shù)據(jù)記錄兩部分。文件頭中應該有：儀器型號、觀測日期、地點（經(jīng)緯度、海拔高度）、觀測員和負責人姓名、儀器通道信息和校準參數(shù)、數(shù)據(jù)記錄格式說明等；數(shù)據(jù)記錄中應該包括：觀測時間、地面氣壓、相對濕度、儀器原始感應電壓、暗電流信號、分波段氣溶膠光學厚度、水汽和臭氧總量等。附錄A(資料性附錄)推薦儀器性能A.1手持太陽光度計：20位以上A/D轉(zhuǎn)換；動態(tài)范圍：>300000；分辨率：0.1W/m2；精密度：1～2%；非線性度：≤0.002%量程(FS)視場角:2.5°；波段寬度：10nm以下；數(shù)據(jù)存儲和傳送：內(nèi)置EPROM可存1000個數(shù)據(jù)記錄，RS232或USB接口；軟件界面友好,下載數(shù)據(jù)方便。環(huán)境溫度：0～50℃A.2自動跟蹤太陽光度計：跟蹤方式：4象限測試主動跟蹤與被動跟蹤技術相結(jié)合，準確度高于0.1°;20位以上A/D轉(zhuǎn)換；動態(tài)范圍：>300000；分辨率：0.1W/m2；精密度：1～2%；視場角:≤1.5°；波段寬度：10nm以下；環(huán)境溫度：-30℃～50℃。

附錄B相關參數(shù)計算B.1大氣光學質(zhì)量:在太陽天頂角為（單位為度），并假設大氣為平面平行分層時，大氣光學質(zhì)量與1／cos()成正比。對于實際球面大氣，大氣光學質(zhì)量可通過經(jīng)驗公式確定：(Rayleighscattering埃斯特朗渾濁度系數(shù)（?ngstr?mturbiditycoefficient）：設波長大氣氣溶膠光學厚度可表示為：，其中為埃斯特朗渾濁度系數(shù)，表示整層大氣氣溶膠的數(shù)量；為波長指數(shù)，其數(shù)值與氣溶膠平均半徑有