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1、 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。 I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
2、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
3、 11 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
4、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，如粒度谱、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
5、 2.1.1 大气光学厚度 地面测得的直射太阳辐射 E（ W/m2）在特定波长上根据 Bouguer 定律，有： gTmREE )exp(20=（ 1） 其中 E0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， 为大气总的垂直光学厚度， Tg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： 2gTmRVV )exp(20=（ 2） 其中 V0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， V0是从一系列观测值外插到 m 为 0 时的
6、电压值 V。由 lnV+lnR2与 m 画直线，直线的斜率就是垂直光学厚度 -， 截距就是太阳光度计在大气外界测得的电压信号 V0， 这就是常说的 Langley法。 大气总的消光光学厚度 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， gar +=（ 3） 其中 Rayleigh 光学厚度r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
7、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()()()(+=rzcdrrdNrn（ 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， 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)(+= ka（ 5） 式（ 5）中 k 为 Angstrom 大气浑浊度系数，是波长 1m 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 和 k，利用 k 和
8、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(bwawT =（ 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、 3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
9、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： wTmRVV =)exp(20 （ 7） 其中 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 bbPWamRVLnmLnV =+)(20（ 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
10、 -a PWb， Y 截距为 Ln(V0R-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
11、） ，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 4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 1 CE318 自动跟踪扫描太阳光度计光谱通道 CE318 标准 AERONET 仪器通道 通道号 中心波长 nm 带宽 nm 中心波长 nm 带宽 （ nm）1 1020 10 340 10 2 870P1 10 380 10 3 670 10 440 10 4 440 10 500 10 5 870P2 10 670 10 6 870 10 870 10 7 936 10 940 10 8 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
