云遮擋對海上紅外透過率影響分析

吉微,齊琳琳,邢平,楊國鵬

(93213部隊, 北京 100085)

0 引 言

電磁波在大氣中傳輸,經過大氣衰減后的電磁輻射通量與入射電磁輻射通量的比值即為大氣透過率。大氣透過率直接影響紅外輻射傳輸,同時大氣透過率受大氣環(huán)境影響很大,地球表面不同區(qū)域、不同高度層的大氣壓強、濕度、溫度、氣體密度等分布不均,并且在較短時間內會產生明顯變化,直接影響大氣透過率。大氣透過率通常通過直接實測獲得或利用間接模式計算,直接實測受場地、設備和天氣環(huán)境等因素影響,實施較為困難;更多研究利用大氣輻射傳輸軟件,通過改變參數(shù)輸入實現(xiàn)大氣透過率模擬仿真計算。計算靈活方便的大氣輻射傳輸軟件MODTRAN提供了美國空軍地球物理實驗室按緯度和季節(jié)等劃分的6種大氣模式,同時提供了實際大氣環(huán)境參數(shù)輸入接口?，F(xiàn)有相關研究多利用MODTRAN自帶的6種大氣模式計算特定地區(qū)的大氣透過率,與輸入該地區(qū)實際大氣參數(shù)相比,因此必然會產生較大誤差。陳秀紅等[1]指出直接使用模型自帶的大氣或國外標準大氣模式研究我國典型地區(qū)紅外透過率變化,必將存在計算誤差,造成一定程度的誤導,可能帶來嚴重后果,應該在獲取研究范圍內各個典型地區(qū)大氣光學特性統(tǒng)計特征的基礎上計算透過率。鑒于實際大氣環(huán)境的紅外輻射特征研究對于提升紅外系統(tǒng)性能具有重要意義,而基于真實大氣環(huán)境的紅外輻射特性的研究還遠遠沒達到實際的應用需求,因此了解掌握研究區(qū)域海上基本大氣環(huán)境參數(shù)特征,依據(jù)大氣輻射傳輸和衰減機理,將海上真實大氣參數(shù)作為輸入,開展云對海上大氣透過率分布特征的影響研究,對于深入討論大氣環(huán)境對海上紅外輻射傳輸?shù)挠绊懢哂兄匾饬x。

此前,根據(jù)輻射傳輸理論就大氣對紅外制導波段透過特性的影響進行了較為詳細的研究[2],分析了不同地區(qū)的實際大氣條件、不同傳輸路徑和云雨環(huán)境對大氣透過率的影響。但這些分析結論均是在搜集整理不同區(qū)域實際大氣數(shù)據(jù)而云雨條件采用MODTRAN模型自帶數(shù)據(jù)的情況下計算所得,模式自帶云雨條件使得計算得以簡化,便于分析不同區(qū)域實際大氣環(huán)境(特別是沙漠和海洋等為下墊面)、實際大氣條件下不同季節(jié)、不同時間以及不同傳輸路徑等因素對大氣透過率的影響。但在實際應用過程中,除了真實氣象條件和模式自帶氣象條件對計算結果有一定影響外,很少有人考慮在真實大氣條件下天空中的云對計算結果的影響?，F(xiàn)實環(huán)境中云覆蓋著60%以上的天空[3,4],瞬息萬變、形態(tài)各異、不同尺度的云通過反射太陽輻射、吸收地球紅外輻射直接影響地氣系統(tǒng)輻射收支,單層或多層垂直分布的云引起的輻射加熱和輻射冷卻對大氣動力、熱力、水循環(huán)和地球輻射收支等均有重要影響[5]。云在短波段能夠反射入射的太陽輻射而在長波段能夠吸收和發(fā)射長波輻射。王毅等[6]和曹炳煒等[7]分別利用Lund的無云視線概率模和云參數(shù)詳細分析了有云天氣條件對紅外目標識別的影響,由此可確信大氣環(huán)境特別是云對紅外成像帶來的影響不容忽視。僅簡單利用模型自帶的大氣模式和云參數(shù),計算所得結果無法客觀真實反應云對透過率的影響,應該以實際大氣環(huán)境數(shù)據(jù)為基礎,充分考慮云底高度、云厚等云參數(shù)信息。本文以輻射傳輸原理為基礎,利用MODTRAN模型,以區(qū)域實際大氣數(shù)據(jù)為輸入,通過改變MODTRAN自帶云參數(shù),分析了云遮擋對海上大氣透過率計算的影響。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)域及數(shù)據(jù)來源

海洋上空的云對短波輻射的影響會直接引起海表溫度變化,同時海表溫度變化通過影響邊界層熱量和水汽通量影響云。海表溫度和云作為分別表征海洋和大氣狀況的物理量一直受到研究者關注,本工作選取海上區(qū)域100°E～150°E,0°N～35°N開展研究,充分考慮該區(qū)域的海表溫度和云參數(shù)。

數(shù)據(jù)資料采用2017年NCEP/NCAR再分析數(shù)據(jù)集,該數(shù)據(jù)采用當今最先進的全球資料同化系統(tǒng)和完善的數(shù)據(jù)庫,對地面、船舶、無線電探空、探測氣球、飛機、衛(wèi)星等各種來源的觀測資料進行質量控制和同化處理,從而獲得完整的再分析資料集。其中,逐日再分析資料包含四個時次(02:00,08:00,14:00,20:00)、17個等壓面層(1000,925,850,700,600,500,400,300,250,200,150,100,70,50,30,20,10 hPa)的溫度、相對濕度等,如表1所示。

表1 等壓面資料說明Table 1 Description of isobaric surface information

大氣壓高公式[8]表示為

式中:Hs為標準等壓面的海拔高度,H0為監(jiān)測站的海拔高度,R=8.3142×103N·m·(kmol·K)?1,g=980 cm·s?1,m=28.9644 kg·kmol?1,P0為地面氣壓,Ps為氣柱平均高度。利用式(1)將數(shù)據(jù)資料中的等壓面轉換為等高面,從而獲得2017年12個月逐日四個時次的大氣廓線數(shù)據(jù)。

1.2 模型方法

目前國際上通用的計算大氣透過率的輻射傳輸模型主要有低分辨率大氣透過率計算軟件LOWTRAN、中分辨率大氣透過率計算軟件MODTRAN和逐線積分輻射傳輸模式LBLRTM等。其中,MODTRAN光譜分辨率較高,應用廣泛,能夠計算不同大氣條件下的透過率,使用高分辨率分子吸收參數(shù)HITRAN數(shù)據(jù)庫,采用帶模式方法計算,光譜分辨率可達2.0 cm?1;MODTRAN軟件還自帶6種標準大氣模式,方便選擇氣溶膠類型、路徑、地表類型和云狀等,能夠自由輸入能見度、云底高、云頂高和云厚等參數(shù),留有用戶自定義大氣廓線接口,滿足分析研究需求,因此選用MODTRAN模型按照以下步驟開展計算分析:

1)利用多元大氣壓高公式,精確計算得到以幾何高度為垂直坐標的研究區(qū)域逐月大氣廓線數(shù)據(jù),從地面到10 km高度共分21層,作為MODTRAN用戶自定義大氣廓線的輸入。

2)以3～5μm和8～12μm為研究波段,選取海洋型氣溶膠,能見度設為5 km,路徑設置為斜程路徑,傳感器高度H=1.5 km,傳感器觀察角度為斜下θ=30°,考慮多次散射和分子衰減。

3)在MODTRAN模型云參數(shù)選項中選擇層云模式,傳感器位置和觀察角度固定,依據(jù)該海域云的衛(wèi)星統(tǒng)計特征定義云厚為0.5 km,云底高度變化范圍為1.4～1.7 km,分別計算兩個波段標準大氣和12個月實際大氣透過率以及2月、8月四個時次的大氣透過率。位置關系如圖1所示。

圖1 位置關系示意圖Fig.1 Schematic diagram of location relationship

4)選擇層云模式,傳感器的位置和觀察角度固定,同樣依據(jù)該海域云的衛(wèi)星統(tǒng)計特征定義云底高度為1.6 km,云厚變化范圍為0.1～0.9 km,分別計算兩個波段標準大氣和12個月的實際大氣透過率以及2月、8月四個時次的大氣透過率。位置關系如圖2所示。

圖2 位置關系示意圖Fig.2 Schematic diagram of location relationship

基于上述計算模型和條件得到不同月份、不同時次實際大氣下云對紅外波段傳輸透過特性的影響結果。

2 研究區(qū)域實際大氣參數(shù)特征

圖3給出了美國標準大氣和研究區(qū)域內12個月平均溫度、氣壓和濕度的大氣廓線圖。實際大氣和標準大氣間溫度差異較大,同一高度層上標準大氣溫度最低;對比12個月的溫度發(fā)現(xiàn),同一高度層8月溫度最高,2月最低,1 km以下高度溫差最大接近8°C,隨著高度增加各月份間的溫差遞減,5 km處溫差在4.5°C左右,10 km以上小于2°C,即相同高度冬季溫度最低,夏季溫度最高,春秋季介于兩者之間;標準大氣的溫度明顯低于實際大氣,與高度呈遞減關系。對比標準大氣和實際大氣,2 km高度以下冬季氣壓最高,2～10 km秋季氣壓最高,2 km以下夏季氣壓最低,2～10 km標準大氣氣壓最低,同一高度層氣壓的最大值和最小值之差均在25 hPa以內。從圖中可以直觀看到,相同高度實際大氣和標準大氣的氣壓曲線幾乎黏合在一起,差異非常小,不同月份的實際大氣氣壓差異也非常有限。相比溫度和氣壓,濕度曲線差異最為明顯,濕度曲線顯示1 km以下以及7 km以上標準大氣明顯區(qū)別于實際大氣走勢,1 km以下標準大氣濕度曲線隨著高度增加逐漸遞減,1～2 km之間濕度隨高度變化不大,隨后在2 km以上隨著高度增加濕度遞減,8 km附近出現(xiàn)拐點;實際大氣在1 km以下隨著高度增加濕度遞增,在1～2 km之間隨著高度增加濕度明顯遞減,一直到4 km附近,4 km以上區(qū)域隨著高度增加濕度變化不大。對比相同高度層最大濕度與最小濕度差,在3 km高度以下,濕度差在10%以內,隨著高度增加濕度的最大值和最小值之差逐漸增加,在10 km處達到最大,接近50%。即實際大氣12個月濕度間存在較大的數(shù)值差異,但走勢趨于一致,標準大氣與實際大氣無論數(shù)值還是走勢都存在較大差異。由此可初步判斷對于紅外輻射傳輸產生影響的主要因素為溫度和濕度。

圖3 標準大氣與實際大氣12個月溫度(a)、氣壓(b)、濕度(c)廓線Fig.3 Temperature(a),pressure(b)and relative humidity(c)profile of standard atmosphere and actual atmosphere

圖4 標準大氣與實際大氣2月和8月不同時次溫度(a)和濕度(b)廓線Fig.4 Temperature(a)and relative humidity(b)profiles of actual atmosphere at different time in a whole day in February and August and standard atmosphere

以2月和8月4個時次為例,對比分析標準大氣與實際大氣差異較大的溫度和濕度廓線。相同高度標準大氣溫度最低,8月最高,2月居中,2月和8月各個時次間差異不明顯。與溫度相比,濕度變化較為復雜,標準大氣與實際大氣以及實際大氣不同月份、不同時次的曲線間均存在較大差異。標準大氣濕度曲線的走勢隨海拔高度的增加而遞減,且底層遞減速度較快,當高度超過1.2 km后遞減速度趨于緩和;海上實際大氣濕度變化比較復雜,除去0.4 km以下大氣濕度變化更為復雜外,總體看來相同高度8月各個時次的濕度均大于2月。2月12:00濕度最低,8月08:00和02:00最大,8月14:00在0.3 km高度以下比2月12:00小,并且濕度隨著高度增加迅速增加。0.4～1.4 km高度區(qū)間內2月和8月各個時次濕度變化趨勢趨于一致。標準大氣濕度廓線的拐點出現(xiàn)在1 km高度附近,1 km以下隨著高度的增加濕度遞減,且速率較快,在1～2 km高度區(qū)間內濕度曲線接近垂直。實際大氣的拐點出現(xiàn)在0.7～0.9 km高度區(qū)間,各個時次濕度在拐點區(qū)間高度以下總體趨勢隨著高度增加而增加,而在拐點區(qū)域以上高度隨著高度增加而遞減,1.4 km以2月、8月走勢差異更為顯著,2月各個時次濕度隨高度增加銳減,而8月各個時次濕度隨高度增加減小速度明顯小于2月。

由此可見,實際大氣與標準大氣間存在較大差異,這些差異在大氣紅外輻射計算時會導致計算誤差,特別是10 km以下誤差會比較明顯。因此,采用區(qū)域實際大氣數(shù)據(jù)進行大氣透過率計算,對于有效評估實際大氣條件變化對紅外輻射傳輸?shù)挠绊懯直匾?/p>

3 結果分析

大氣環(huán)境中引發(fā)溫濕變化的最關鍵因素之一就是云?？紤]到云對紅外大氣輻射傳輸?shù)闹匾绊?基于研究區(qū)域實際大氣參數(shù)環(huán)境,以3～5μm和8～12μm為研究波段,開展了既定高度、既定角度下的云底高、云厚對大氣透過率影響的研究。

3.1 云底高變化對紅外大氣透過率的影響

圖5為兩波段逐月大氣透過率隨云底高度變化的分布。

計算結果中,當云底高度超過1.63 km,計算所得透過率均與1.63 km高度一致,因此云底高度在1.63～1.70 km范圍內的計算結果在圖中不再表示。由圖可知,云底高在觀測點高度之上時,越遠離觀察點,兩波段透過率相對越大,反之,越接近觀測點透過率越小,云底高在觀測點以下時幾乎無透過。云底高在1.55～1.7 km之間變化時,兩波段透過率在既定云底高處的逐月分布均呈現(xiàn)凹字形,各月間相差不大,但均與標準大氣下的透過率相差明顯。相對而言,冬季(2月)最好,春秋次之,夏季(8月)最差。云底高從1.55 km降為1.5 km時,兩波段的透過率出現(xiàn)銳減,到1.5 km處僅維持在0.05左右?？傮w而言,8～12波段的透過率始終明顯大于3～5的。由此可見,同一云層厚度下,隨著云底高度增加,探測器由云層上方穿越到云層下方。對于云底高度1.4 km的云層,探測光路會穿過全部云層,幾乎沒有透過能力;對于云底高度1.45～1.5 km的云層,探測光路會穿過部分云層,透過能力很弱;對于云底高度1.55 km以上的云層,探測光路不會穿過云層,透過能力隨高度增加而增強,故而透過率變化呈現(xiàn)隨云底高度升高而增大的趨勢。云底高度對大氣透過率的影響,與探測器和云層的幾何位置關系相關,探測器分別位于云層下方、內部和上方時,大氣透過率隨云底高度升高而增加。

以透過特性最好的2月和最差的8月為例,對兩個月08:00、14:00、20:00、02:00時次的不同云底高度下的透過率進行了計算,計算結果如圖6所示。由圖可知,兩個波段各月4個時次的透過特性差異不大,但均明顯比標準大氣差,其中8月最差。

圖6 3～5μm(a)和8～12μm(b)波段標準大氣及實際大氣在2月和8月不同時次的透過率與云底高度關系Fig.6 Relation between transmittance and cloud base height for standard atmosphere,February and August actual atmosphere in different time in the band of 3 ～5 μm(a)and 8～12 μm(b)

3.2 云厚變化對紅外大氣透過率的影響

通過上文分析可以清楚了解在云厚不變的情況下,探測器在云上、云中、云下不同位置對大氣透過率的影響非常顯著。以下分析中將云底高度設定為1.6 km,即探測器在云下,且相對目標物的位置不變,云厚度從0.1 km增加至0.9 km,其他計算條件均不改變,從而尋找云厚變化與大氣透過率之間的規(guī)律和特點。

圖7為標準大氣和實際大氣兩個波段大氣透過率隨云厚變化圖。云層在觀察點和太陽之間,當云厚較薄時對透過率影響較小,當云層厚度增加到500 m以上時,隨著云層厚度增加透過率有較大衰減,即云層的遮光效應直接體現(xiàn)在計算結果上。與云底高影響類似,任何一個云厚條件下,兩波段透過率在既定云厚處的逐月分布均呈現(xiàn)凹字形分布,各月間相差不大,但均與標準大氣下的透過率相差明顯。相對而言,冬季(2月)最好,春秋次之,夏季(8月)最差。相同計算條件下8～12μm波段的透過率始終明顯大于3～5μm波段的透過率。由此可見,相同云底高度下,隨著云厚的增加,即便觀測點和目標點均在云層之下,依然會對大氣透過率產生較大影響。

圖7 3～5μm(a)和8～12μm(b)波段標準大氣和實際大氣大氣透過率隨云厚變化圖Fig.7 Changes of atmosphere transmittance with cloud thickness for actual and standard atmosphere in the band of 3～5 μm(a)and 8～12 μm(b)

圖8為兩個波段標準大氣和實際大氣2月和8月不同時次的大氣透過率與云厚關系圖。由圖可知,相同條件下標準大氣透過率明顯大于8月。鑒于2月和8月的實際溫度和濕度存在較大差異,8月同時次透過率明顯大于2月。相同月份不同時次相同云厚度條件下透過率幾乎沒有差異。云厚在0.1～0.4 km范圍內對大氣透過率幾乎沒有影響,當云厚超過0.5以后,隨著云厚增加透過率明顯降低。由此可見即便傳感器在云層下方,云厚仍然對大氣透過率有直接影響。

圖8 3～5μm(a)和8～12μm(b)波段標準大氣和實際大氣2月和8月不同時次的透過率與云厚關系Fig.8 Relation between the transmittance and cloud thickness for standard atmosphere,February and August actual atmosphere in different time in the band of 3～5 μm(a)and 8～12 μm(b)

4 結 論

現(xiàn)有紅外大氣透過特性研究多以輻射傳輸理論為依據(jù),利用MODTRAN、SBDRT和CART等大氣輻射傳輸模型/軟件,嵌入我國典型地區(qū)大氣模式,以陸地為下墊面,不考慮云雨影響計算所得;另外部分研究以模式自帶標準大氣為計算背景[1,9],利用云微物理參數(shù)或無云視線概率模型等,開展云天氣條件對紅外輻射傳輸?shù)挠绊懷芯縖6,7]。這些研究或只考慮實際大氣,忽略云雨影響,或只針對標準大氣開展模型自帶云型的影響研究,沒有充分考慮海洋下墊面,海上氣溶膠模型、海面上空溫濕曲線特征與陸地下墊面的差異,缺乏既結合實際大氣又同時考慮云型、云底、云厚三要素影響的研究,因此使得紅外波段海上實際大氣傳輸透過特性研究存在不足。

本工作以我國沿海地區(qū)實際大氣構建大氣參數(shù)廓線并嵌入成熟、通用的大氣輻射傳輸模型,選取海洋氣溶膠模型,以3～5μm和8～12μm為研究波段,開展了云底高、云厚變化對海上紅外透過特性的影響分析,并與標準大氣條件下的計算結果進行比對,得到以下結論:

1)不同區(qū)域、不同季節(jié)的海上大氣環(huán)境參數(shù)如溫度、濕度差異較大,對紅外大氣輻射傳輸造成明顯影響,因此在實際應用中必須考慮真實大氣特征。

2)當探測器與目標物位置確定后,探測器與云層的位置關系,即云底高度的變化直接影響紅外透過率的計算結果,當探測器受到云層遮蔽,即云阻擋視線路徑上光傳播時,對紅外探測產生直接影響;當探測器位于云層下方、內部和上方時,大氣透過率隨云底高度升高而增加,當云層位于探測器上方,并且超過一定距離后,云層的改變將不再影響紅外探測的結果。

3)當探測器與目標物的位置確定后,且云層位于探測器上方較近距離時,云厚同樣較大程度地影響光線傳播。云層較薄時,對探測效果沒有影響;隨著云層的增厚,云的遮蔽效果直接影響紅外探測性能,即當云層增厚到一定程度后,隨著云厚增加探測能力遞減。由此可見,在云沒有阻擋視線路徑上光傳播的情況下,云厚的變化同樣削弱了太陽的影響,視線路徑上多次散射占主導作用,從而導致隨著云厚增加目標識別同樣會變得困難。

綜上所述,建立輻射傳輸模型中區(qū)域實際大氣廓線和動態(tài)云參數(shù)信息,對于有效評估實際大氣條件變化對海上大氣透過率的影響具有重要意義,尤其是云的影響與探測器和云層的幾何位置關系相關,利用模型自帶云參數(shù),有針對性地分析了傳感器與云的空間位置關系對大氣透過率計算的影響。如何利用區(qū)域內實際云參數(shù)結合視線無云概率模型,從云的光學和微物理參數(shù)等方面更加準確地還原云對海上紅外大氣透過特性的影響,是下一步需要開展的研究重點。