气溶胶光学厚度（气溶胶光学厚度计算）

今天我给大家分享一下气溶胶光学厚度的知识，也讲解一下气溶胶光学厚度的计算。如果你碰巧解决了你现在面临的问题，别忘了关注这个网站，现在就开始！

关于光学厚度的计算

气溶胶粒子是大气中重要的微量成分。气溶胶光学厚度也是大气校正所需的重要大气参数，也是海洋水色卫星的主要数据产品。由于气溶胶光学厚度随时间变化很大空，因此准确获取大气校正和卫星数据产品真实性检验所需的气溶胶光学厚度非常重要。在简要介绍气溶胶光学特性的基础上，结合2002年6月HY-1的南海实验数据，

(48)

其中，相对大气质量因子，在考虑了地球大气的曲率和折射后，写成

(49)

当没有折射的平面与大气平行时，采用。

(50)

整个太阳光谱区的平均透射函数定义为

(51)

那么向下的发射率写为

(52)

如果用sum代替integral，有

(53)

1.3大气中气溶胶(尘埃)的辐射特性

大气中的散射辐射主要是由分子、气溶胶(尘埃)和其他粒子引起的。气溶胶粒子的散射属于大粒子散射，与粒子半径、形状、含量、入射辐射波长等特性有关。如果气溶胶粒子是球形的，可以用米氏理论求解。卫星测量的气溶胶(尘埃)粒子的散射辐射包含了与粒子特性相关的气溶胶粒子的散射特性，气溶胶的光学特性可以由卫星测量的辐射计算出来。

1.3.1气溶胶(灰尘)的光学厚度

气溶胶在太阳光的散射中起着重要的作用。根据Angstrom(1964)，气溶胶的光学厚度可以表示为

  (54)

其中总和取决于粒子浓度和光谱分布，并且总气溶胶光学厚度是散射光学厚度和吸收光学厚度的总和，即

(55)

气溶胶的单一反照率为

公式中，单个反照率随波长变化不大，从可见光到近红外光谱，其取值范围为0.6 ~ 1.0。

大气高度的光学厚度是

(59)

在…里...

在上面的公式中，Penndorf(1954)[14]给出了距离地面5 km的高度为0.97/1.4。

地面观测的能见度直接反映了地面气溶胶的浓度，能见度与吸收系数的关系如下。

(60)

以雾为例，如果w和n是雾的含水量、浓度和平均粒子半径，则大约有

(61)

1.3.2气溶胶的相函数和不对称因子

1.相位函数

由于粒子对光的散射往往在空之间是各向异性的，为了描述粒子对光散射的这种各向异性角分布，引入了一个相位函数，它是散射角的函数。所谓散射角，就是入射光方向与散射光方向之间的夹角。相位函数也可以用入射光方向()和散射光方向()来表示。如果相函数是分数的，那么它=gif]Upload表示入射辐射的比值[upload file/EA _ 200636144746。Gif [/upload]方向是分散的，所以相函数是无量纲的。并且将相位函数归一化，即散射相位函数定义为

(62)

还是为了

(63)

其中是与方向的夹角，称为散射角。所以有=，对于阳光也有=。

(64)

其中积分极限被定义为整数空之间积分。对于各向同性散射，相位函数写为

(65)

2.不对称因子

为了体现后向散射和前向散射的对称性，在散射问题的研究中引入了不对称因子。不对称因子定义为散射角余弦的加权平均值，表示为

(66)

一般来说，有

(67)

不对称因子对于强前向散射接近+1，对于强后向散射接近-1。不对称因素也可以写成

(68)

对于各向同性情况，相位函数]=1，不对称因子为。

(69)

这里，因为各向同性散射辐射的分布在所有方向上都是相同的，所以各向同性散射的对称因子是0。从上面可以看出，不对称因子用于描述前向和后向散射的各自份额。对于实际大气，一般认为大气在水平方向上是均匀的，差异在于向上和向下辐射的差异，所以用不对称因子来表示向上和向下辐射流的近似，即二阶近似。卫星接收到的辐射基本上是大气分子和气溶胶的后向散射。

3.几种有用的相函数和不对称因子。

(1)对于瑞利散射，瑞利散射的相位函数为

(70)

根据不对称因子的定义，代入散射相位函数，可以写成

(71)

(2)对于云和气溶胶，米散射的相位函数近似为Henyey-Greenstein函数。

(72)

这个函数是通过用一个实际的相位函数拟合一个参数得到的，这个函数不是很严格。如果用级数展开表示为

(73)

也就是说Henyey-Greenstein相函数可以描述前向散射g=1，各向同性散射g=0，后向散射g=-1的特性，所以线性组合为

(74)

其中b代表散射的后向部分，而(1- b)代表散射的前向部分。

(3)总散射相函数的表达式

如果气溶胶粒子的光谱分布在垂直方向上是恒定的，则在考虑z1和z2气体层之间的分子散射和粒子散射之后的总相位函数被表示为

(75)

其中tRl和Tal分别是分子散射和粒子散射的光学厚度；Ps，r，l (cosQ)是分子散射的相函数；PHGl (cosQ)是气溶胶粒子的Heney-green stein相函数。

(4)相函数的δ近似

当散射粒子较大时，散射辐射主要出现在传播方向，只有很小的锥角向前。此时相函数的第一项可以用函数表示，其他项用勒让德多项式表示，于是写出了相函数。

(76)

其中f (0f1)是通过拟合实际相位函数确定的无量纲数。如果f = 0，则只有勒让德多项式。

一般来说，辐射对方位角的依赖性很小。在求解方位平均的辐射传输方程时，方位平均的标量相位函数一般表示为

(77)

对于各向同性，具有强前向峰值的相位函数表示为

(78)

1.4.气液粘合剂的卫星观测和光学特性

(1)气溶胶含量与卫星观测关系

早在1975年，格里戈斯、卡尔森和温德林(1977)计算出海洋表面垂直反射的太阳辐射空随气溶胶光学厚度近似线性增加，其值在0.1之间变化。增加量取决于卫星所取的波长、太阳天顶角和气溶胶的光谱分布和折射率(探测海洋表面气溶胶粒子的主要原因是海洋表面在可见光和近红外波段近似为均匀稳定的黑体，而表面为灰体)。如图2所示，给出了Land-2卫星在不同光谱波段测得的发射率与气溶胶含量的关系(图中n代表0.55微米波长下的光学厚度为0.213)。可以看出，波长越短，拟合曲线的斜率越大，而波长越长，拟合曲线的斜率越小。也就是说，在波长较短的地方，气溶胶含量的微小变化就能引起卫星观测辐射的较大变化(即波长越短对气溶胶越敏感)。

(2)卫星气溶胶光学厚度实测值的比较。

图3是恒星观测到的气溶胶光学厚度和地面观测到的气溶胶光学厚度与波长的关系，可以看出两者非常接近；还可以看出，光学厚度随着波长的增加而减小。

(3)地面反射率对卫星反演气溶胶光学厚度的影响。

图4显示了格里戈斯(1983)获得的地面反射率对卫星反演的气溶胶光学厚度的影响。从图中可以看出，当地面反射率增加时，卫星测得的辐射对气溶胶含量越来越不敏感。所以一般说在海洋中用卫星测量空气溶胶比较有效，但在陆地上会有明显的误差。

(4)气溶胶透过率随波长的变化

一般来说，在近红外波段，气溶胶的吸收很小，其透过率随着波长的变化而稳定增加，不像水蒸气。气溶胶透过率在0.8以上，随季节变化不大。图5是LOWTRAN-7对中纬度夏季和冬季气溶胶透过率的计算。

2.算法设计和实现

根据上述算法和沙尘粒子的特性，设计了沙尘天气下光学厚度和含沙量的计算方法。主要步骤如下:

1.根据卫星数据计算光学厚度，不考虑地表穿透；

2、根据地面情况对获得的光学厚度进行修正；

3.根据获得的光学厚度计算含沙量。

2.1不考虑表面光学厚度的计算

从等式(22)的初级散射导出的反射函数是

 (79)

气溶胶(尘埃)的光学厚度为

(80)

其中m 0 = cos q0，q0是太阳的天顶角，m = cos qs，qs是卫星观测到的天顶角。P (q)是相位函数，

(81)

其中q是散射角，入射光和散射方向之间的角度是

(82)

其中Y =f -f0。

R (m，m0，y)是卫星观测的方向反射率。GL是不对称因子，通常前向散射为0.87，后向散射为-0.87。W 0为单一反照率，取0.96，平均值为0.86。

总的大气相位函数表示为

pa(q ) = (83)

其中p (q)为气体溶液的胶体相函数，PM (q) = 0.75 (1+cos2q)，X为分子散射与气溶胶散射光学厚度之比。

2.2考虑表面后光学厚度的计算

①考虑地表后卫星接收到的辐射的表达。

所谓积累法，是一种直观的几何。如果已知两个相邻气体层的反射和透射特性，则可以通过计算射线在两个气体层之间的多次反射来获得两个气体层的反射和透射特性。当两个气体层具有相同的光学厚度时，累加法称为乘法。

如图5所示，入射到大气顶部的大气辐射为，ra和Ta为大气的反射函数和透射(直接+漫透射)函数，Rg为地面的反射函数；那么卫星上的反射表示为

RSat = Ra+TaRgTa+TaRgRaRgTa+TaRgRaRgRaRgTa+…………

(84)

②考虑主表面散射卫星接收到的辐射。

目前，仅考虑来自表面的一次散射，并且仅取方程(84)中的前两项。卫星接收到的辐射是

(85)

其中t(总向下透射比)是总向下透射比，总透射比是直接透射比和漫射透射比之和，表示为

(86)

t(漫透射)是向上漫透射。一般有

(87)

考虑到大气散射源分子和气溶胶是分开的和独立的散射源，有

RA = Ra，r(分子散射)+Ra，a(气溶胶散射)(88)

在沙尘暴天气条件下，Ra，r(分子散射)Ra，a(气溶胶散射)，则

RA @ Ra，a(气溶胶散射)

然后是

r(沙尘天卫星测量)= Ra，a(气溶胶散射)+t(全透射)t(漫透射)Rg(地表一次反射)

= t2rg(表面一次反射)+Ra，a(气溶胶散射)(89)

公式中，若选取历史晴天卫星观测的最小值为Rg，则由沙尘天气条件下地面观测的辐射值确定。

此时，光学厚度为

(90)

2.3根据光学厚度计算含沙量。

M = 0.18 fd w 0 ta (g ×m-2) (0.47微米)(91)

M = 0.04fd w 0 ta (g ×m-2) (0.61微米)(92)

其中fd取为

f = 1.43(1-相对高度)0.7 0.4相对高度0.9

F =1.0相对高度0.4

2.4计算流程图

图7显示了整个* * * *的计算流程:

图7:沙尘天气下计算光学厚度和含沙量的流程图。

3.实验结果分析

3.1实验结果

利用这个* * *，我们估算了2002年4月6日13时的沙尘监测数据，得到了当时沙尘的光学厚度和泥沙浓度。对比地面站数据和卫星监测图像(图8-11)。结果表明，该算法计算的沙尘光学厚度和含沙量与地面观测结果和卫星监测结果基本一致。图10中光学厚度和含沙量最大的区域是地面观测沙尘天气最强的区域。需要注意的是，用于验证的地面数据要晚于卫星观测时间，沙尘的光学厚度并不完全等于地面能见度。此外，由于地面观测站数量有限，无法覆盖卫星的所有观测区域，因此在结果图中一些沙尘较强的区域没有相应的地面测量，这也体现了气象卫星在监测沙尘天气方面的优势，能够全面客观地反映灾害性天气的实际影响。

因此，本文的算法能够快速有效地计算出沙尘过程监测中所需的重要定量信息——光学厚度和含沙量，为进一步防沙减沙提供了依据。

图8:2002年4月6日14时地面观测图

图10:2002年4月6日13时尘埃的光学厚度图。

图11:2002年4月6日13: 00泥沙浓度图。

3.2讨论

由于数据不足等原因，我们的算法还存在一些不足。一是由于缺乏高密度的地面观测数据，算法要求的一些初始条件无法完全满足。以地表辐射校正为例，为了很好地反映地表穿透，必须获得以下三个数据:

1)同时沙尘区向阳空面的辐射值；

2)沙尘天气条件下地面观测到的直接辐射值；

3)沙尘天气条件下地面观测到的散射辐射值；

至于第一个数据，因为我们无法同时得到同一地区的沙尘和晴天空的数据，所以只能依靠日期相近的卫星接收到的辐射值。在那个时候，很难找到一个完全阳光充足的表面。我们只需要将数据叠加几天就可以得到sunny 空地表值。由于太阳光照和卫星位置的差异，得到的数据必然有偏差。

第二、三项数据要求地面站必须配备太阳辐射计、太阳光度计等测量仪器，有这两项观测项目，但目前的地面站大多不具备这些观测项目，数据收集难度较大。在实际计算中，我们是通过卫星观测数据的反演得到这些数值的，出现偏差是不可避免的。

另外，沙尘天气是一种特殊的气溶胶，在粒径和化学成分上都不同于普通气溶胶。其定量计算国内外尚处于研究阶段，没有成熟的算法可供参考。同时，由于缺乏同步尘量的实测数据，也难以验证。这些都应该在以后的监测业务中进行优化和完善。

幸运的是，中国气象局已经启动了沙尘暴监测系统的建设项目。一期建设完成后，北方地区将新增数十个沙尘暴地面站，可以获取地表改正所需的各类地面辐射值，大大提高定量计算的精度。同时，随着EOS/MODIS等高分辨率卫星和FY-2C等多通道静止卫星的发射和应用，尘埃定量计算的时间和精度将会有质的飞跃，我们的定量分析产品将会更多更好！

aod值是什么意思？

气溶胶的光学厚度。

气溶胶的光学厚度，英文命名为AOD(AerosolOpticalDepth)或AOT(aerosolopticalthingy)，定义为介质消光系数的垂直积分，描述了气溶胶的调光效应。它是气溶胶最重要的参数之一，是表征大气混浊程度的关键物理量，也是决定气溶胶气候效应的重要因素。通常，高AOD值表明气溶胶的垂直积累增加，导致大气能见度下降。

气溶胶光学厚度遥感反演的意义

卫星遥感反演* * *具有区域覆盖广、信息获取方便快捷的特点，可以更高效地获取大气气溶胶信息，摆脱了地基探测* * *仅获取空之间点的数据，无法反映大区域气溶胶时间空分布的缺点，为人们实时了解大区域气溶胶变化提供了可能。气溶胶在地球大气辐射平衡和全球气候变化中起着非常重要的作用。气溶胶光学厚度作为最重要的参数之一，是表征大气浑浊度的重要物理量，也是决定气溶胶气候效应的关键因素。

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