CE318型太陽光度計(jì)定標(biāo)方法研究

董金芳，何慧娟，王 娟

(1.陜西省農(nóng)業(yè)遙感與經(jīng)濟(jì)作物氣象服務(wù)中心，西安 710016；2.陜西省氣象局秦嶺和黃土高原生態(tài)環(huán)境氣象重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710016)

隨著經(jīng)濟(jì)水平的提高，工業(yè)生產(chǎn)和交通運(yùn)輸污染排放迅猛增長，大氣污染物危害人體健康、損害植物、影響天氣和氣候，對人和生態(tài)環(huán)境造成非常惡劣的影響。大氣氣溶膠作為主要的大氣污染物，是指懸浮在大氣中的固體和液體微粒與大氣本身共同形成的包含固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)的多相體系[1]。大氣氣溶膠光學(xué)厚度(aerosol optical depth，AOD)是大氣氣溶膠最重要的光學(xué)特性之一， AOD的獲取方式主要有兩種，地基觀測數(shù)據(jù)和遙感圖像反演[2-4]。遙感圖像反演方法由于數(shù)據(jù)獲取簡單、反演方法成熟、覆蓋范圍廣、分辨率高等優(yōu)點(diǎn)是AOD獲取的重要方法，但遙感圖像的反演和驗(yàn)證離不開地基數(shù)據(jù)的支持[5-7]。目前國際上應(yīng)用最為廣泛的氣溶膠地基監(jiān)測系統(tǒng)是美國NASA在全球布設(shè)的氣溶膠自動(dòng)觀測網(wǎng)(aerosol robotic network，AERONET)，AERONET在我國站點(diǎn)十分有限且分布不均勻，城市站點(diǎn)主要集中在北京和東南沿海地區(qū)，沙塵站點(diǎn)主要集中在甘肅、內(nèi)蒙古和新疆區(qū)域，在中部地區(qū)少有分布[8]。為了對我國氣溶膠光學(xué)特性進(jìn)行長期、系統(tǒng)、全面、穩(wěn)定的觀測，中國氣象局在全國范圍內(nèi)建立了氣溶膠光學(xué)特性監(jiān)測網(wǎng)(China aerosol robot sunphotometer network，CARSNET)。與AERONET選用的太陽光度計(jì)相同，均為法國CIMEL公司生產(chǎn)的CE318型窄波段太陽光度計(jì)，但CARSNET的關(guān)注度和利用率遠(yuǎn)不如AERONET，這主要是因?yàn)镃E318的觀測數(shù)據(jù)較為復(fù)雜，處理困難，需要進(jìn)行周期性定標(biāo)以維持氣溶膠光學(xué)厚度計(jì)算結(jié)果的精確性和穩(wěn)定性[9]。光度計(jì)定標(biāo)方法主要有儀器定標(biāo)法和Langley定標(biāo)法[10]，儀器定標(biāo)的方法操作復(fù)雜，價(jià)格昂貴，且定標(biāo)儀器本身同樣存在誤差[11]；傳統(tǒng)Langley定標(biāo)法對環(huán)境要求苛刻，用以計(jì)算定標(biāo)值的數(shù)據(jù)篩選困難，具有很大的不確定性[12]。 本文利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法，對數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量控制、云檢測，提取用以計(jì)算定標(biāo)的數(shù)據(jù)，三倍標(biāo)準(zhǔn)差去除極端值，最終完成輻射定標(biāo)，形成自動(dòng)化處理、普適性、可操作性強(qiáng)的太陽光度計(jì)定標(biāo)流程，為CARSNET數(shù)據(jù)推廣和應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

1 數(shù)據(jù)源

選用西安市涇河站2019—2020年的太陽直輻射測量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和研究，涇河站位于關(guān)中盆地，北靠黃土高原，南鄰西安城區(qū)，由于地形和地理位置的原因污染水平較高，污染物種類復(fù)雜[13-14]。

涇河站配置的CE318太陽光度計(jì)共有8個(gè)觀測通道，中心波長分別為1 020、936、870、670、500、440、380、340 nm，帶寬均為10 nm，涵蓋可見光至近紅外波譜范圍，其中936 nm中心波長處位于水汽吸收帶，定標(biāo)方法與其他波段不同，此處不做討論。太陽光度計(jì)的數(shù)據(jù)文件為K7格式，利用CIMEL公司提供的ASTPWin軟件將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為逐日的ASCII碼文件，數(shù)據(jù)內(nèi)容不同，轉(zhuǎn)換后數(shù)據(jù)文件后綴名不同，分別是：ALL(等高度角掃描向左掃描半圈的數(shù)據(jù))、ALR(等高度角掃描向右掃描半圈的數(shù)據(jù))、BLK(暗電流測量數(shù)據(jù))、NSU(8個(gè)通道3次太陽直射輻射測量數(shù)據(jù))、PP1(主平面掃描數(shù)據(jù))和STA(儀器狀態(tài)數(shù)據(jù))，本文的數(shù)據(jù)采用后綴名為NSU的太陽直接輻射數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，其中2019年共有349個(gè)日值觀測數(shù)據(jù)，2020年由于儀器檢修，9—11月有缺測，共有294個(gè)日值觀測數(shù)據(jù)。

2 方法

由于CE318太陽光度計(jì)采用自動(dòng)跟蹤掃描的方法進(jìn)行觀測，大量云污染的數(shù)據(jù)也被記錄在內(nèi)。目前云剔除的方案主要是應(yīng)用Smirnovt A提出的“數(shù)據(jù)質(zhì)量檢驗(yàn)—三重觀測穩(wěn)定性檢驗(yàn)—日穩(wěn)定性檢驗(yàn)—平滑檢驗(yàn)—標(biāo)準(zhǔn)偏差檢驗(yàn)”規(guī)則[15]，但這種檢驗(yàn)方法是基于氣溶膠光學(xué)厚度數(shù)據(jù)的檢驗(yàn)，在定標(biāo)系數(shù)尚未確定的情況下無法有效應(yīng)用。本文對Smirnovt A提出的方法進(jìn)行改進(jìn)，使其適用于定標(biāo)值的計(jì)算。

2.1 數(shù)據(jù)質(zhì)量檢驗(yàn)

CE318太陽光度計(jì)從大氣質(zhì)量數(shù)m=6時(shí)自動(dòng)開始監(jiān)測工作，下午大氣質(zhì)量數(shù)m=6時(shí)結(jié)束觀測，觀測時(shí)長隨著日照時(shí)數(shù)的變化而變化，表現(xiàn)為冬季時(shí)間短，夏季時(shí)間長，內(nèi)置的濕度傳感器控制儀器在降水時(shí)停止工作[16]。CE318太陽光度計(jì)間隔3～10 min獲取一次NSU觀測數(shù)據(jù)，天氣晴好的情況下每日獲取的數(shù)據(jù)觀測量在45條以上，多的時(shí)候達(dá)200余條。根據(jù)CE318的觀測特性，對原始數(shù)據(jù)制定三條數(shù)據(jù)質(zhì)量檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，分別是：①是否為儀器故障或數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤等產(chǎn)生的異常值，數(shù)據(jù)表現(xiàn)為‘HErr’、‘----’、‘!!!!’，如發(fā)現(xiàn)以上三種數(shù)據(jù)，則將去除該時(shí)間點(diǎn)觀測數(shù)據(jù)。②在CE318自動(dòng)觀測期間，無云的狀態(tài)下，各波段的觀測值量級(jí)為百，判斷觀測數(shù)值是否小于100，如果是，則去除該時(shí)間點(diǎn)觀測數(shù)據(jù)。此處設(shè)置的閾值標(biāo)準(zhǔn)較低，僅能夠去除較厚云層遮擋的觀測數(shù)據(jù)。③在進(jìn)行①、②處理后日觀測數(shù)量是否少于15條，如果少于15條，則認(rèn)定該日觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量較差，不宜進(jìn)行后續(xù)處理操作，該觀測日數(shù)據(jù)檢驗(yàn)不合格。經(jīng)過數(shù)據(jù)質(zhì)量三重標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)之后，符合條件的數(shù)據(jù)集分布如表1所示。

表1 質(zhì)量檢驗(yàn)處理后數(shù)據(jù)分布統(tǒng)計(jì)

2.2 三重觀測穩(wěn)定性檢驗(yàn)

CE318太陽光度計(jì)每個(gè)時(shí)間點(diǎn)觀測數(shù)據(jù)由三次測量值組成，間隔時(shí)間為30 s，三次觀測1 min即可完成。在無云和大氣狀態(tài)穩(wěn)定的情況下，對于所有波長，大氣氣溶膠光學(xué)厚度的變化在0.02以內(nèi)[15]。這里采用統(tǒng)計(jì)的方法計(jì)算閾值，判定三次觀測值是否穩(wěn)定。計(jì)算經(jīng)過數(shù)據(jù)質(zhì)量檢驗(yàn)后的2019、2020年每一組三重觀測數(shù)據(jù)最大值和最小值的差值。為了避免極端值的影響，以頻率分布為依據(jù)，將差值結(jié)果由小到大進(jìn)行排序，以5%為間隔獲取差值。在70%以下，差值變化較為平緩，如表2所示，因此將70%處差值結(jié)果設(shè)置為閾值，按照中心波長由長到短閾值分別為253、266、372、278、99、208、89。圖1顯示了2020年12月30日500 nm原始觀測值曲線和處理前后均值曲線的變化。圖1a顯示原始數(shù)據(jù)在多個(gè)時(shí)間點(diǎn)上三次觀測值有明顯的差異，未經(jīng)處理的三次觀測均值曲線如圖1b所示，在10：17—11：47和12：47左右有低谷，經(jīng)過穩(wěn)定性檢驗(yàn)將異常值去除后得到的均值曲線較為平滑，如圖1c所示。

表2 2019—2020年涇河站CE318太陽光度計(jì)觀測的每組數(shù)據(jù)的偏差統(tǒng)計(jì)

圖1 2020-12-30 CE318太陽光度計(jì)觀測的500 nm處觀測值及處理前后觀測均值的變化曲線

2.3 Beer-Lambert定律

根據(jù)Beer-Lambert定律闡述的物質(zhì)對光的吸收程度和吸收介質(zhì)厚度之間的關(guān)系，地面上測得的太陽單色輻射照度E可以由如下公式計(jì)算：

E=E0R-2Tgexp(-mτ)。

(1)

其中E0為太陽到地球的平均距離1 AU(即一個(gè)天文單位)上的大氣外界太陽輻照度。R為觀測時(shí)刻的日地距離，單位為AU，m為相對大氣質(zhì)量，在天頂角h≥20°時(shí)，可以用1/sinh來近似的估算，τ為大氣垂直光學(xué)厚度，Tg為吸收氣體透過率。

根據(jù)儀器輸出電壓轉(zhuǎn)換得到的太陽光度計(jì)觀測值V與儀器光學(xué)窗口入射的太陽單色輻照度E成正比，儀器定標(biāo)常數(shù)V0表示太陽單色輻照度為E0時(shí)太陽光度計(jì)的觀測值，將V、V0帶入式(1)，可以得到以觀測值為參數(shù)的式(2)，將式2兩邊取對數(shù)得到式(3)。

V=V0R-2Tgexp(-mτ) ，

(2)

LnV=LnV0-LnR2+LnTg-mτ。

(3)

在大氣狀態(tài)穩(wěn)定的情況下，大氣垂直氣溶膠光學(xué)厚度τ保持不變，以相對大氣質(zhì)量m為自變量x，LnV+LnR2為因變量y，在沒有氣體吸收的通道Tg近似為1，x和y滿足斜率為-τ、截距為LnV0的線性關(guān)系，如式(4)所示。

LnV+LnR2=-mτ+LnV0。

(4)

根據(jù)式(4)利用觀測值V求解V0的過程即為Langley定標(biāo)法。

涇河觀測站距離緊鄰西安市，大氣消光穩(wěn)定性受人為因素影響在一天內(nèi)可能發(fā)生較大波動(dòng)[16]，因此對上、下午數(shù)據(jù)分別進(jìn)行擬合。線性回歸擬合系數(shù)是由最小二乘原理計(jì)算得到，回歸系數(shù)容易受到離群值的影響而失去客觀性和準(zhǔn)確性，因此在線性回歸分析中，在相關(guān)系數(shù)r2<0.99時(shí)，剔除線性擬合殘差最大的點(diǎn)，為了防止過擬合，設(shè)定剔除離群數(shù)據(jù)量占原始數(shù)據(jù)量的比值<30%，并且剩余觀測數(shù)據(jù)量>15個(gè)、相關(guān)系數(shù)r2>0.99、大氣質(zhì)量數(shù)變化范圍mmax-mmin>3.5時(shí)才能用來計(jì)算定標(biāo)值V0。為了防止氣溶膠光學(xué)厚度隨大氣質(zhì)量線性變化導(dǎo)致的定標(biāo)失真，將擬合結(jié)果帶入式(5)

τ=-(LnV0-LnV-LnR2)/m。

(5)

以大氣質(zhì)量m為自變量x，氣溶膠光學(xué)厚度τ為因變量y進(jìn)行線性擬合，若擬合斜率絕對值<0.02且相關(guān)系數(shù)r2<0.5，則認(rèn)為大氣質(zhì)量與氣溶膠光學(xué)厚度不存在線性變化關(guān)系[12]，擬合結(jié)果可以用于下一步計(jì)算。

圖2顯示了2019年4月1日上午380 nm處觀測數(shù)據(jù)在剔除離群值前后線性回歸擬合的變化，經(jīng)過處理后，離群值被剔除，重新線性擬合后相關(guān)系數(shù)由0.987提升到0.997，擬合系數(shù)也隨之發(fā)生細(xì)微變化。

圖2 2019-04-01上午 CE318太陽光度計(jì)380 nm處觀測值剔除離群值前后線性擬合變化

2.4 三倍標(biāo)準(zhǔn)差檢驗(yàn)

在這一步中，對2.3中獲得的回歸方程在y軸上的截距LnV0進(jìn)行篩選，在多次線性回歸中得到的LnV0理論上符合正態(tài)分布。在正態(tài)分布中，平均值為ū，標(biāo)準(zhǔn)差為σ，測量值在ū±3σ范圍內(nèi)的概率為99.7%，超出這個(gè)范圍的觀測值視為極不可能值，將其排除。經(jīng)過3σ檢驗(yàn)后對LnV0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如表3所示，AOD均值隨波長增加而增加。這是因?yàn)樘柟馔ㄟ^大氣時(shí)，波長較短的紫、藍(lán)、青色光容易被散射，而波長較長的紅、橙、黃色光散射較弱，因此波長越短，大氣的衰減作用越強(qiáng)[17]，相應(yīng)的AOD均值越大。

表3 涇河站CE318太陽光度計(jì)各個(gè)波段定標(biāo)值

3 結(jié)論與討論

通過對涇河站CE318太陽光度計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，提出了一套自動(dòng)篩查檢測的Langley定標(biāo)方法，并進(jìn)行了實(shí)際操作，得出了具體的定標(biāo)值。主要結(jié)論如下。

(1)經(jīng)過數(shù)據(jù)質(zhì)量檢驗(yàn)可以篩查掉由于儀器故障、傳輸故障等硬件故障以及較厚云層導(dǎo)致的無效數(shù)據(jù)。

(2)三重觀測穩(wěn)定性檢驗(yàn)對云層引起的觀測極端值去除有明顯的效果，經(jīng)過三重觀測穩(wěn)定性檢驗(yàn)的結(jié)果更具有真實(shí)性。

(3)在利用Beer-Lambert進(jìn)行定標(biāo)的過程中，通過刪除最大殘差值得方法可以得到擬合度更優(yōu)的線性方程，顯著增加了符合定標(biāo)條件的數(shù)據(jù)量，這對于氣溶膠狀態(tài)不穩(wěn)定的區(qū)域尤為重要。

(4)對最后得到的定標(biāo)值進(jìn)行三倍標(biāo)準(zhǔn)差檢驗(yàn)可以有效地去除極值，縮小測量值與真值的誤差。