[发明专利]大气辐射传输修正系统及修正方法

权利要求书

1.大气辐射传输修正系统，其特征在于：包括有温度湿度廓线探测系统、气溶胶廓线探测系统、地面大气参数测量系统、总控计算机，所述的温度湿度廓线探测系统包括有地基微波辐射计，地基微波辐射计的信号输出端连接有计算机一；所述的气溶胶廓线探测系统包括有微脉冲激光雷达，微脉冲激光雷达的信号输出端连接有计算机二；所述的地面大气参数测量系统包括有自动气象站、能见度仪、雨量感应器，自动气象站、能见度仪、雨量感应器的信号输出端共同接入计算机三；所述的计算机一、计算机二、计算机三、总控计算机分别通过网线连接路由器，总控计算机内安装有大气光学参数控制软件，大气光学参数控制软件控制各种大气光学参数的收集，并将收集到的大气参数存储在总控计算机相应文件夹目录下面，具体为实时显示地基微波辐射计的工作状态和测量的0~10km范围内的温度、水汽廓线，并存储其测量数据；实时显示微脉冲激光雷达测量的0~10km范围内的气溶胶消光系数廓线，并存储其测量数据；实时显示自动气象站测量的地面气象参数信息，有温度、湿度、气压、露点温度、风速和风向，并存储其测量数据；实时显示能见度仪测量的地面能见度，并存储其测量数据；当存在恶劣阴雨天气时，实时显示雨量感应器测量的降雨量，并存储其测量数据，同时大气光学参数控制软件根据事先设定的阈值给出气象报警提示；总控计算机内还安装有大气透过率计算软件，通过路由器与计算任务数据中心通信，大气透过率计算软件根据接收的观测目标的位置和时间信息，从总控计算机存储的测量大气参数文件夹下调用最近时刻测量的地面大气参数，通过计算得到可见光到红外波段的大气光谱透过率，用于大气辐射传输修正。

2.根据权利要求1所述的大气辐射传输修正系统，其特征在于：所述的地基微波辐射计包括有微波发射单元、微波接收单元。

3.根据权利要求1所述的大气辐射传输修正系统，其特征在于：所述的微脉冲激光雷达包括有半导体激光泵浦的Nd:YAG脉冲激光器、激光发射和信号接收的光学系统、高灵敏度光电探测器、高速多通道计数器，激光器垂直向上发射532nm的激光，接收光学系统接收经大气气溶胶后向散射的回波信号，实现大气气溶胶的时空分布探测。

4.根据权利要求1所述的大气辐射传输修正系统，其特征在于：所述的自动气象站采集近地面常规气象参数，如温度、湿度、气压、露点温度、风速和风向；所述的能见度仪，通过前向散射原理测量地面能见度；所述的雨量感应器主要是感应液态水。 

5.基于权利要求1所述的大气辐射传输修正系统的修正方法，其特征在于：大气透过率计算软件通过分别计算分子吸收、气溶胶衰减、分子连续吸收和散射的透过率，总的大气透过率等于以上三部分透过率的乘积，其具体计算过程如下：

（1）根据接收的目标位置和探测时间信息，调用最近时刻下温度湿度廓线探测系统、气溶胶廓线探测系统、地面大气参数测量系统实测的大气参数：包括微波辐射计测量的温度和水汽廓线、微脉冲激光雷达测量的气溶胶消光廓线、地面大气参数测量系统测量的地面气象参数；

定义影响大气衰减的高度为地面到海拔120km高度；大气高度层分为50层：分别为0.0, 1.0, 2.0, 3.0, 4.0, 5.0, 6.0, 7.0, 8.0, 9.0, 10.0, 11.0, 12.0, 13.0, 14.0, 15.0, 16.0, 17.0, 18.0, 19.0, 20.0, 21.0, 22.0, 23.0, 24.0, 25.0, 27.5, 30.0, 32.5, 35.0, 37.5, 40.0, 42.5, 45.0, 47.5, 50.0, 55.0, 60.0, 65.0, 70.0, 75.0, 80.0, 85.0, 90.0, 95.0, 100.0, 105.0, 110.0, 115.0, 120.0 km；

根据地基微波辐射计测量的地面至10km高度上的温度和水汽含量廓线，用插值法得到地面到10km规定高度上的值，10km高度以上的水汽含量、温度采用站点附近的历年的相同时间的大气探空数据，根据地面测量的气压和历年气压廓线得到实际的气压廓线；而CO₂、O₃、N₂O、CO、CH₄、O₂分子含量廓线随时间变化不是很大，直接采用标准大气模式中相同季节和纬度的数据；

（2）所述的分子吸收透过率计算采用我们提出的基于逐线积分拟合的快速算法；首先用LBLRTM计算H₂O、CO₂、O₃、N₂O、CO、CH₄和O₂ 7种吸收气体在9个参考气压和9个参考温度下，不同吸收含量的单色透过率，9个参考气压分别为1100hPa、350 hPa、100 hPa、35 hPa、10 hPa、3.5 hPa、1 hPa、0.35 hPa、0.1 hPa；9个参考温度分别为200k、215k、230k、245K、260k、275K、290k、305K和320k；在每种气压和温度下，用一种非线性拟合算法拟合不同吸收含量下的计算值将得到一系列的拟合系数，建立每个子波段、每种吸收气体的拟合系数数据库：

Tv(t,p,u)=exp{-u·exp(Σi=0Mci(t,p)[log(u)]i)}---(1)]]>

该算法中，t为参考温度，p为参考气压，u为吸收含量，c_i(t,p)为某种参考温度和参考气压下拟合得到的系数，M为拟合的最高次数，T_v(t,p,u)是指平均到了指定波数间隔的平均透过率，M取4就具有足够的精度，则对每种吸收气体在每个子波段上将得到9×9×5＝405个拟合系数；

对均匀路径传输，任意温度、任意气压下的系数可插值得到，温度采用线性插值，当温度小于200k时，取200k的极限值，当温度大于320时取320k的极限值；气压采用对数插值，当气压大于1100hPa时，取1100hPa的极限值，当气压小于0.1hPa时取0.1hPa的极限值；

对非均匀路径传输，首先用插值法得到每层高度上的系数，然后用Curtis-Godson(C-G)近似

C~i=∫Ci(t,p)·k‾·du(t,p)k‾·du(t,p)---(2)]]>

得到该路径上的平均系数，最后有效透过率为

Tv(U)=exp[-U·exp(Σi=0i=MC~i[log(U)]i}---(3)]]>

式中U为该路径上总的吸收含量

U=∫du(t,p)---(4)]]>

（3）所述的气溶胶衰减透过率计算算法，是根据气溶胶种类（或提供气溶胶复折射率）、地面能见度、实测气溶胶尺度谱分布、消光高度分布廓线用Mie散射公式计算气溶胶衰减的模式，具体为：

任意波长地面到某个高度H上的气溶胶衰减可按以下公式计算

Taer(λ,H)=exp(-∫0Hβ(λ,h)·dh)---(5)]]>

式中：β(λ,h)为任意波长和任意高度上的气溶胶衰减系数，h是传输路径，λ为波长；

根据这个波长的数据推广到任意波长和规定高度层上的消光廓线，则任意波长和任意高度上的气溶胶衰减系数由两部分组成：

β(λ,h)≈β(λ,0)×N(h)---(6)]]>

式中：β(λ,0) 是地面的气溶胶衰减系数随光谱变化的部分，N(h)是气溶胶衰减廓线随高度变化部分；

根据目标探测的时间信息和应用场景位置选择合适的气溶胶模型，并根据在当地大气参数数据库建设中实际测量的当地的气溶胶平均谱分布，由下式用Mie散射公式计算近地面气溶胶相对衰减系数β¹(λ,0)：

β1(λ,0)=∫r1r2πr2Qe(λ,m)dNdrdr---(7)]]>

其中，是用粒子计数器测量的地面大气气溶胶平均粒子谱分布；根据激光雷达测得的地面能见度(vis)和以下公式计算得到0.53μm波长上的绝对衰减系数

β(0.53,0)=3.912vis-βM---(8)]]>

式中，β_M是0.53μm分子散射系数，在海平面处可近似地取0.0016km^-1；则近地面任意波长的消光系数为

β(λ,0)=β1(λ,0)·β(0.53,0)---(9)]]>

根据实测的地面至3km范围内波长为532nm处各个高度上的消光系数，归一化到近地面的消光系数，得到地面到3km上各个高度上的相对消光系数N(h)；3km以上高度的消光系数随时间变化不是很大，则直接用modtran给出的高度分布N(h)；任意波长和任意高度的消光系数近似为地面消光系数β(λ,0)乘以高度分布N(h)；

（4）所述的分子连续吸收，起作用的主要有H₂O、CO₂、O₃、O₂和N₂，分子散射主要考虑瑞利散射，分子的连续吸收和散射透过率可采用国际上公认的最新的MT_CKD1.2方法进行计算；

大气透过率计算软件根据实时观测的影响目标辐射在大气中传输的关键大气光学参数（大气水汽、温度和气溶胶高度分布廓线以及地面常规气象参数）和目标的位置信息，计算获得测量时刻的各个观测波段的大气光谱透过率；根据近一年时间的实地观测的大气参数和收集的历史气象数据得到当地的大气参数模式；通过与国外现有的模式比较以及与有关的部分实际测量数据比较，校验大气传输修正精度。