刘丹丹,黄印博,严正权,周 军,吴克跃,魏相飞

(1.皖西学院,安徽 六安 237012;2.中国科学院安徽光学精密机械研究所大气成分与光学重点实验室,安徽 合肥 230031)

·光电技术与系统·

边界层气溶胶类型对中红外光波传输的影响

刘丹丹1,黄印博2,严正权1,周 军1,吴克跃1,魏相飞1

(1.皖西学院,安徽 六安 237012;2.中国科学院安徽光学精密机械研究所大气成分与光学重点实验室,安徽 合肥 230031)

主要利用MODTRAN5.0分析了2～5 μm波段五种类型的边界层气溶胶对整层大气透过率的影响及背景对流层气溶胶对高空上行传输背景下透过率的影响。结果表明：对于2～5 μm波段的整层大气,在2.0～2.5 μm及3.5～4.0 μm波段气溶胶对大气透过率的影响较大,且相同背景下大气能见度越低,气溶胶对大气透过率的影响越大,因此,计算整层大气透过率时不仅需要考虑气溶胶类型对透过率的贡献,同时需要考虑能见度对透过率的影响；对于高空上行传输背景下的大气,绝大多数波段内的透过率随着初始高度的增加而增加,且两种类型下的背景对流层气溶胶下的最大透过率相对不考虑气溶胶时分别降低了9.25%及8.97%,就其绝对偏差而言,计算高层大气透过率时可以不考虑背景对流层气溶胶类型的影响。因此对于地基测量系统需要考虑边界层气溶胶对其辐射的衰减,尤其是能见度较低的时候；对于机载光电系统气溶胶对其能量衰减小,尤其在10 km以上传输高度,且适当地提高初始传输高度可以减小大气对其衰减。关键词：大气气溶胶；大气透过率；能见度；MODTRAN5.0

and Fine Mechanics,Chinese Academy of Sciences,Hefei 220031,China)

1 引 言

大气气溶胶是指气体和重力场中具有一定稳定性的、沉降速度小的粒子的混合系统[1-2]。按照不同的分类方式可以将气溶胶分成多种类型,从污染模式、气候模式以及光学特性将气溶胶分为大陆、海洋、乡村、城市(大陆)、海洋、背景和平流层气溶胶[3-4]。常用的辐射传输软件中一般依据空间高度将气溶胶分为不同的类型,例如中等分辨率的Modtran软件先将整个大气层分为0～2 km、2～10 km、10～30 km及30～100 km四个高度,然后对每一层气溶胶类型进行划分：0～2 km高度气溶胶分为乡村型、城市型、海洋型及沙漠型；2～10 km高度范围内用对流层气溶胶模型,10～30 km高度范围内使用平流层气溶胶模型；30～100 km高度范围内使用流星尘埃模式[5-8]。作为地气系统的重要组成之一的大气气溶胶,不仅引起辐射传输能量的衰减,且造成大气传输中图像的模糊及对比度的下降。而近、中红外光谱区间(2～5 μm)是地面和大气热辐射的主要区间,也是众多光电系统工程的应用范围,该光谱范围内的大气透过率特性尤为重要[9]。在此波段,由于大气气溶胶对其整个波段平均透过率的贡献较小,研究人员常只考虑分子吸收对大气透过率的贡献而忽略大气气溶胶的影响,这种忽略对实际工程应用必将带来一定的误差,况且气溶胶对大气透过率的贡献还受背景环境(能见度、温度及湿度)的影响。

针对地基测量系统,如果辐射传输路径穿过整个大气层,整层大气(包括气体分子及气溶胶)对辐射的衰减比较严重；而对机载测量系统,其辐射衰减受到其传输路径上大气成分的影响。因此,本文拟针对光电系统工程常用的2～5 μm波段,利用MODTRAN 5.0辐射传输软件(开展五种类型边界层气溶胶(海洋型VIS=23 km、乡村型VIS=23 km及5 km、城市型VIS=5 km、沙漠型VIS=5 km)对整层大气透过率的影响及背景对流层气溶胶对高空上行传输(初始高度10 km、11 km、12 km、13 km、14 km)背景下的透过率及其随高度变化的规律。以期为地基测量及机载测量提供初步的大气修正。

2 边界层气溶胶对整层大气透过率的影响

利用Modtran 5.0及Hitran 08数据库计算了2～5 μm波段、5种边界层气溶胶(Rural-VIS=23 km,Rural-VIS=5 km,Martime-VIS=23 km,Urban-VIS=5 km,Desert-VIS=5 km)对大气透过率的影响。

图1是考虑5种边界层气溶胶,利用Modtran 5.0及Hitran 08数据库计算的整层大气透过率。考虑边界层气溶胶时的透过率均小于不考虑气溶胶时的透过率,特别是在2.0～2.5 μm及3.5～4.0 μm波段；在相同波段范围内,能见度23 km的乡村型气溶胶下的透过率最大,透过率依次减小对应的边界层气溶胶类型分别是：能见度23 km海洋型气溶胶、能见度5 km乡村型气溶胶、能见度5 km城市型气溶胶、能见度5 km风速4.1m/s的沙漠型气溶胶。对于同为乡村型气溶胶,能见度为5 km时的透过率小于能见度为23 km时的结果,这说明能见度影响气溶胶对大气透过率的贡献。

图1 五种边界层气溶胶的大气透过率

图2 五种边界层气溶胶的大气透过率相对无气溶胶时的绝对偏差

图2是5种边界层气溶胶透过率相对无气溶胶时的绝对偏差。从图可以看出：在2.5～3.0及4.25～4.5 μm波段五种边界层气溶胶对透过率的影响较小,其相对不考虑气溶胶时的透过率基本相当,但 2.0～2.5、3.0～4.25及4.5～5.0 μm波段边界层气溶胶对大气透过率的影响较大。能见度23 km乡村型气溶胶的最大绝对偏差为-0.04(2.3 μm左右)；能见度23 km海洋型气溶胶的最大绝对偏差为-0.12(2.2 μm)；能见度5 km乡村型气溶胶的最大绝对偏差为-0.15；能见度5 km城市型气溶胶为-0.20；能见度5 km风速4.1 m/s的沙漠型气溶胶为-0.19；就最大绝对偏差而言,能见度为23 km的乡村型气溶胶对大气透过率的影响较小,但其他类型气溶胶在某些波长处对大气透过率的影响较大。

3 背景对流层气溶胶对高空传输大气透过率的影响

以下主要分析不同初始高度上的大气透过,并计算了初始高度每增加1 km其透过率的变化量；并比较背景对流层气溶胶的大气透过率。

图3 是对流层气溶胶在5种初始高度上(10 km、11 km、12 km、13 km、14 km)的透过率。当2～30 km高度上的气溶胶选为背景对流层气溶胶时,透过率随着初始高度的增加而增大,但增大幅度随着初始高度的增加而减小,如：当初始高度由10 km增加到14 km,每增加1 km其透过率最大值分别增加了0.34、0.26、0.16及0.09,如图4所示。

图3 背景对流层气溶胶在5种初始高度上的透过率

图4 背景对流层气溶胶相邻两种初始高度上透过率之差

图5是中等火山气溶胶在5种初始高度上(10 km、11 km、12 km、13 km、14 km)的透过率。透过率随着初始高度的增加而增大；与背景对流层气溶胶时相同,其增大幅度随着初始高度增加而减小,如：当初始高度由10 km增加到14 km,每增加1 km其透过率最大值分别增加了0.34、0.26、0.16及0.09(如图6所示)。

图5 中等火山气溶胶在5种初始高度上的透过率

图6 中等火山气溶胶相邻两种初始高度上透过率之差

图7是强火山气溶胶在5种初始高度上(10 km、11 km、12 km、13 km、14 km)的透过率。透过率随着初始高度的增加而增大；与前两种气溶胶相似,透过率的增大幅度随着初始高度增加而减小(如图8所示)。

图9是中等强度火山爆发及大型强度火山爆发气溶胶相对背景对流层气溶胶的绝对偏差。在2～5 μm波段、5种初始高度上(10 km、11 km、12 km、13 km、14 km),中等强度火山爆发气溶胶对大气透过率的影响相对较小,而大型火山爆发气溶胶对大气透过率的影响较大；在10 km、11 km、12 km及13 km 初始高度上,中等火山爆发及大型火山爆发时透过率的绝对偏差均是负值,且在4种初始高度

图7 强火山气溶胶在5种初始高度上的透过率

图8 强火山气溶胶相邻两种初始高度上透过率之差

图9 不同初始高度,中等强度火山及大型火山气溶胶相对背景对流层气溶胶的绝对偏差

上的最大绝对偏差均不超过-0.0036和-0.0129；在14 km初始高度,两种火山爆发时透过率的绝对偏差绝大部分为正值,说明比背景对流层气溶胶下的透过率大。两种火山爆发下透过率的最大绝对偏差分别为0.0925及0.0897；就其绝对偏差而言,不同类型背景层气溶胶在5种初始高度上的透过率基本相当；在误差允许范围内,计算高层大气透过率时可以不考虑背景对流层气溶胶的类型的影响。

4 小 结

本文主要考虑气溶胶的影响,利用MODTRAN 5.0计算分析了几种典型边界层气溶胶对整层大气透过率的影响；并分析了背景对流层气溶胶下的大气透过率。结果表明：

(1)在相同波段范围内,能见度23 km的乡村型气溶胶下的透过率最大,透过率依次减小对应的边界层气溶胶类型分别是：能见度23 km海洋型气溶胶、能见度5 km乡村型气溶胶、能见度5 km 城市型气溶胶、能见度5 km风速4.1m/s的沙漠型气溶胶。与不考虑气溶胶时相比较,其最大绝对偏差均较小,但气溶胶对2.0～2.5 μm及3.5～4.0 μm波段内的透过率贡献较大。因此使用地基测量系统接受辐射信号时需要考虑边界层气溶胶对其能量的衰减,尤其是在能见度比较低时这种衰减更为严重。

(2)无论是背景对流层气溶胶、中等火山爆发气溶胶还是大型火山爆发气溶胶,其透过率均是随着初始高度的增加而增大,但增大幅度随着初始高度的增加而减小,对于机载测量系统可以适当提高传输初始高度减小大气对其辐射的衰减。

(3)在2～5 μm波段、5种初始高度上(10 km、11 km、12 km、13 km、14 km),中等强度火山爆发气溶胶对大气透过率的影响相对较小,而大型火山爆发气溶胶对大气透过率的影响较大;两种火山爆发下透过率的最大绝对偏差分别为0.0925及0.0897；就其绝对偏差而言,不同类型背景层气溶胶在5种初始高度上的透过率基本相当。

气溶胶对整层大气透过率的影响较大,不同边界层气溶胶对整层大气透过率的贡献不同,尤其是在能见度较低的时候对透过率的影响较大,因此地基测量辐射信号时需要考虑气溶胶对透过率的影响,尤其是低能见度时更需要考虑气溶胶的影响；对于高空传输场景,其背景对流层气溶胶对透过率的影响较小,适当的提高传输高度可以提高透过率,因此对于机载测量辐射信号时可以不考虑气溶胶对其能量的衰减,且可以适当的提高初始高度减小大气对其影响。

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Influence of the boundary layer aerosol model on the mid-infrared light-wave transmission

LIU Dan-dan1,HUANG Yin-bo2,YAN Zheng-quan1,ZHOU Jun1,WU Ke-yue1,WEI Xiang-fei1

(1.West Anhui University,Lu′an 237012,China;2.Key Laboratory of Atmospheric Composition and Optical Radiation,Anhui Institute of Optics

The influence of five types of the boundary layer aerosol on the atmospheric transmittance and the influence of background troposphere aerosol on the transmittance under uplink condition in 2～5 μm waveband were analyzed by using MODTRAN5.0 software. The results show that the effects of atmospheric aerosol on atmospheric transmittance in 2～2.5 μm and 3.5～4.0 μm spectral range are heavy. The aerosol has greater influence on the atmospheric transmittance with the reduction of atmospheric visibility,thus it needs to consider the influences of aerosol models and visibility on atmospheric transmittance when atmospheric transmittance is calculated. The maximum absolute deviations of the atmospheric transmittance of tropospheric aerosol for two kinds of background are 9.25% and 8.97% respectively. In terms of its absolute deviation,tropospheric aerosol can not be considered when the atmospheric transmittance of high-altitude transmission is calculated. The attenuation of the boundary layer aerosol on radiation is considered for ground based measurement system,especially when visibility is low. The attenuation of the aerosol on energy is small for airborne photoelectric system,especially when transmission altitude is above 10 km. So to decrease the attenuation of atmosphere,the initial transmission altitude should be increased.

atmospheric aerosol; atmospheric transmittance; visibility; MODTRAN 5.0

1001-5078(2015)02-0189-05

国家自然科学基金项目(No.40905009);安徽省自然科学基金项目(No. 1408085QA13); 安徽省2013年振兴计划新专业改造与建设-光源与照明项目(No.2013zytz056)资助。

刘丹丹(1986-)，女，硕士，主要从事激光大气传输数值计算研究。E-mail:baobaoldd@126.com

2014-06-19;

2014-07-13

O432.1;P427.1

A

10.3969/j.issn.1001-5078.2015.02.016