南海區(qū)域紅外波段大氣透過特征分析

吉 微，齊琳琳，安 潔

（空軍裝備研究院航空氣象防化研究所，北京 100085）

南海區(qū)域紅外波段大氣透過特征分析

吉 微，齊琳琳，安 潔

（空軍裝備研究院航空氣象防化研究所，北京 100085）

利用MODTRAN大氣輻射傳輸模型，輸入我國南海區(qū)域大氣廓線數(shù)據(jù)，對比分析氣溶膠對紅外波段大氣透過特性的影響。研究表明，氣溶膠、溫度和季節(jié)對該波段在大氣中傳輸均有一定影響；南海區(qū)域大氣透過率隨季節(jié)變化很大，夏季比冬季小10%以上，00時大氣透過率略大于12時；采用近似國外模式大氣帶來的誤差最大可達到50%以上。該研究結(jié)果充分說明：在紅外波段大氣透過率計算中引入實際大氣廓線數(shù)據(jù)具有重要的軍事和工程應(yīng)用意義。

大氣透過率；實際大氣廓線；MODTRAN

大氣參數(shù)廓線是計算大氣透過率過程中非常重要的參數(shù)。目前國內(nèi)外流行的輻射傳輸軟件中所用到的大氣參數(shù)廓線都是前美國空軍地球物理實驗室(AFGL)建立的6種標準大氣模式，分別為熱帶(15°N)、中緯度夏季(45°N，7月)、中緯度冬季(45°N，1月)、副極地夏季(60°N，7月)、副極地冬季(60°N，1月)和1976年美國標準大氣。這6種模式只考慮了大氣參數(shù)隨地理緯度和季節(jié)的變化[1]。我國幅員遼闊，不同地區(qū)、不同海域制大氣廓線存在較大差異，對透過率的影響也各不相同。

由于目前缺少我國標準大氣模式，因此在大氣透過率研究方面多采用國外大氣模式來近似計算，特別在海洋范圍內(nèi)，缺乏相應(yīng)觀測資料，海洋環(huán)境下紅外波段的大氣透過率特征更無參考資料[2]。饒瑞中等[3]指出，簡單套用國外標準大氣模式不僅在技術(shù)上不可靠，而且會產(chǎn)生不同層面的誤導(dǎo)作用，甚至可能帶來嚴重后果。鑒于此，本文詳細分析了南海區(qū)域各個季節(jié)及年度平均大氣廓線數(shù)據(jù)，并將分析所得數(shù)據(jù)帶入大氣輻射傳輸模型MODTRAN，詳細分析了實際大氣廓線對3～5 μm和8～12 μm紅外波段大氣透過率變化特性，為后續(xù)基于實際大氣廓線的探測距離計算提供可靠的數(shù)據(jù)保障，具有十分重要的軍事和工程應(yīng)用價值。

1 南海區(qū)域大氣參數(shù)廓線

收集南海區(qū)域504個站點的00時和12時4個季節(jié)及年度平均NCEP資料，提取幾何高度（km）、氣壓（hPa）、溫度（K）、相對濕度（%）廓線，覆蓋 122°E～145°E，5°N～25°N。由于探測能力有限，現(xiàn)有探空數(shù)據(jù)缺乏CO2、O3、N20、CO、CH4、O2等主要吸收氣體的密度數(shù)據(jù)，而這些氣體含量隨時間和地域變化不大，因此采用中緯度相應(yīng)季節(jié)的標準大氣數(shù)據(jù)代替[4]。

從圖1可以看出，季節(jié)氣壓變換趨勢非常接近，不同季節(jié)溫度和水汽廓線差異較大。無論任何季節(jié)，氣溫均隨高度上升而遞減。而影響大氣傳輸?shù)闹饕蜃邮撬?，? km以下各季節(jié)相對濕度相差不大，且隨高度的變化也不大，但在2 km以上，差別就變得十分明顯了。在2 km以下相對濕度均較大，一般都在70%以上，2 km以上隨高度減小，特別是冬季，在2～5 km相對濕度直減率最大，到5 km以上相對濕度基本維持在10%以下。在同一高度上，均以夏季的相對濕度大，冬季小。由此可初步判定相同區(qū)域不同季節(jié)對紅外輻射衰減的程度存在差異。從夏季水汽廓線看，在5 km以下有較明顯的逆溫層，而冬季則不存在；整體看來10 km以上水汽含量非常少，由于該區(qū)域緯度在5°N～25°N，因此可以看出冬、夏季氣溫差異較大；總的來說溫度和水汽含量在夏季的值大于冬季。

2 MODTRAN輻射傳輸軟件

目前較為常見的大氣透過率計算主要采用實驗室模擬和輻射傳輸模型計算兩種方式[3]。研究采用MODTRAN輻射傳輸模型分別就3～5 μm和8～12 μm紅外波段計算路徑上的平均大氣透過率[5]。MODTRAN軟件由美國空軍地球物理實驗室研發(fā)，適用于非常寬的電磁波譜范圍（0～50 000 cm-1，0.2 μm-∞），其光譜分辨率可達 2 cm-1，能夠計算復(fù)雜大氣條件下多種輻射傳輸量。

MODTRAN包括以標準大氣作為高度函數(shù)的溫度、壓力、密度以及水汽、臭氧、甲烷、一氧化碳和一氧化二氮等30種氣體混合比的6種自帶標準大氣模型，同時預(yù)留用戶自定義大氣模型接口，方便用戶接入實際大氣廓線數(shù)據(jù)。此外，模式中還包括具有代表性的氣溶膠、云、雨、霧模型，為復(fù)雜大氣環(huán)境下的大氣透過特性研究提供支持，用戶還可根據(jù)實際需要選擇水平、垂直、傾斜向上和向下傳輸路徑[6]。

本文利用MODTRAN提供的標準大氣模型和南海區(qū)域?qū)嶋H大氣廓線數(shù)據(jù)分別計算不同氣溶膠類型下大氣環(huán)境對紅外波段大氣透過率的影響，同時對比分析標準大氣模式和實際大氣廓線兩種情況下計算所得透過率的相對誤差。

3 不同氣溶膠模式下平均大氣透過率變化特征

氣溶膠是指懸浮在地球大氣中具有一定穩(wěn)定性、沉降速度小、尺度范圍在0.001 μm到幾十微米之間的分子團、液態(tài)或固態(tài)粒子所組成的混合物。由于在分析氣溶膠的衰減影響時，對具有明顯時空特征的氣溶膠粒子尺度、復(fù)折射指數(shù)、濃度及其高度分布等物理特征難于現(xiàn)場測量，因此通常都是利用依據(jù)試驗觀測結(jié)果總結(jié)而成的各類特征模型來加以應(yīng)用的。目前模型中常用的氣溶膠模型有鄉(xiāng)村氣溶膠、城市氣溶膠、海洋氣溶膠。下面首先考慮不同的氣溶膠類型對3～5 μm和8～12 μm紅外波段平均大氣透過率所造成的影響。

分析中傳輸路徑為斜程，只考慮大氣分子的影響，不考慮云雨氣溶膠的影響，目標位于地面，傳輸距離為5 km，天頂角取55°，將上述路徑數(shù)據(jù)和實際大氣廓線數(shù)據(jù)帶入MODTRAN輻射傳輸模式進行計算[7]。對比分析結(jié)果如圖2～圖5所示?？芍嗤瑫r次，相同氣溶膠類型下標準模式大氣與實際大氣廓線計算所得透過率有明顯差異，夏季的平均透過率比冬季小10%以上，特別是8～12 μm波段，夏季的平均透過率比冬季小40%以上，00時透過率略大于12時次，主要因為8～12 μm波段大氣透過率受水汽影響最大，因此在計算大氣透過率時必須考慮季節(jié)和時間變化。

對3～5 μm波段而言，平均大氣透過率由大到小的順序是無氣溶膠、23 km鄉(xiāng)村、23 km海洋、5 km鄉(xiāng)村、5 km城市；而8～12 μm除熱帶大氣模式和中緯度夏季模式中23 km海洋和5 km城市影響較為特殊外，其余均與3～5 μm波段氣溶膠影響效果一致。

4 國外模式近似誤差分析

由于國際上流行的輻射傳輸軟件缺乏我國的大氣模型，一些科研人員多采用標準模式大氣對我國區(qū)域進行替代，如西北地區(qū)用中緯度冬季大氣模式代替，沿海地區(qū)用熱帶大氣代替，大陸用中緯度夏季代替。圖6～圖7顯示用近似大氣模型代替我國實際區(qū)域計算得平均大氣透過率的相對誤差，由圖6可以看出，對3～5 μm波段透過率來說5 km城市氣溶膠模型的標準大氣誤差最小，僅為0.21%，5 km城市熱帶大氣模式誤差最大達20.66%；圖7中對8～12 μm波段透過率來說熱帶大氣模式下幾種氣溶膠模型誤差均在57%以上，誤差最小的中緯度冬季也在5%左右。由此可知，用近似大氣模式計算將造成很大誤差，具體差別視月份、波段而定，最大可達50%以上。

5 總結(jié)和展望

我國幅員遼闊、地形復(fù)雜決定了我國的大氣條件各個區(qū)域千差萬別，通過引入南海區(qū)域大氣廓線數(shù)據(jù)計算紅外波段大氣透過率，分析紅外大氣透過率隨季節(jié)變化特征得出以下結(jié)論：在南海區(qū)域基于實際大氣廓線數(shù)據(jù)的紅外大氣透過率隨季節(jié)變化非常明顯，夏季比冬季小10%以上，特別是在8～12 μm波段，00時大氣透過率略大于12時，但差別較小。同時分析了采用國外大氣模式近似計算可能帶來的誤差，該誤差大小在不同波段、不同季節(jié)均有較大差異，可達50%以上。

[1]王充，汪衛(wèi)華.紅外輻射大氣透過率研究綜述[J].裝備環(huán)境工程,2011,8(4)∶73-76.

[2]周祖剛，王偉民，姜勇強，等.沿海地區(qū)大氣透過率的特征分析[J].解放軍理工大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）,2003，4（5）：89-91.

[3]饒瑞中，喬延利，魏合理，等.中國典型地區(qū)大氣光學(xué)特性及其應(yīng)用[J].大氣與環(huán)境光學(xué)學(xué)報，2007，2（6）：401-408.

[4]陳秀紅,魏合理.基于中國典型地區(qū)大氣模式的紅外透過率變化特征[J].激光與紅外，2008，11（38）：1090-1093.

[5]葉玉堂，劉爽.紅外與微光技術(shù)[M].北京：國防工業(yè)出版社，2010：19-29.

[6]劉偉超，齊琳琳，何宏讓，等.1.06μm激光大氣透過特性的數(shù)值計算研究[J].激光與紅外，2011，5（5）：520-524.

[7]路遠.斜程紅外輻射大氣透射率的簡易計算[J].紅外與激光工程，2007，36（增刊）：423-426.

Analysis of Infrared Band Atmospheric Transmittance over the South China Sea

JI Wei,QI Lin-lin,AN Jie
(Institute of Aviation Weather,Air Force Academy of Arming,Beijing 100085,China)

Inputting the South China Sea actual atmospheric profile data to the MODTRAN model,comparative analysis of aerosol transmission characteristics of the infrared band was given.The studies show that the aerosol,temperature and season could affect this band’s transfer in the atmosphere;the atmospheric transmittance changes with the seasons,in summer less than in winter 10%,under the same circumstances atmospheric transmittance 0:00 is slightly larger than the 12:00.The error caused using approximate model atmosphere abroad can reach more than 50%.The results fully explained that the introduction of the actual atmospheric profile data have important significance of the military and engineering applications.

atmospheric transmittance;actual atmospheric profile data;MODTRAN

TP79

A

1003-2029（2013）01-0056-04

2012-09-20

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（863計劃）資助項目（2012AA091801）；預(yù)研基金資助項目（9140A220611JB09）；國家自然科學(xué)基金資助項目（41205044）

吉微（1981-），女，工程師，主要研究方向為大氣紅外制導(dǎo)仿真。Email:k7sjiwei@sina.com