[发明专利]一种应用于大气观测移动平台的太阳直射辐射测量系统

说明书

本发明提供一种可以用于大气移动观测平台的太阳直射辐射测量系统，包括安装底座、三轴自稳平台，三轴自稳平台包括陀螺仪传感器和航向转轴、横滚转轴和俯仰转轴；俯仰转轴固定连接单/多/高光谱辐照度辐射计、摄像头和姿态传感器，单/多/高光谱辐照度辐射计和摄像头相邻平行设置并固定连接构成视场相同的观测组；三轴自稳平台上还设有GPS天线和电子指南针；安装底座内设置电路板和电源，电路板用于控制三个转轴的运动以及接收、存储和处理数据；电源用于向三轴自稳平台上的所有传感器、GPS天线、电子指南针及电路板供电。本发明的测量系统能有效的实现车载、船载、机载的动态实时走航式自动测量，为大气测量提供了一种新的自动化测量方法。

技术领域

本发明涉及一种能反演大气成分参数的单波长/多/高光谱太阳直射辐射测量设备及方法。

背景技术

随着现代化发展，人类活动造成的化石燃料燃烧、工业排放、土地类型改变使全球大气产生了巨大变化。科学家和各国政府对大气环境日益关注，尤其是大气中的各种组成成分，不仅影响区域的空气质量，而且对气候变化产生不可估量的影响[2015，张兴赢]。获得长期稳定的大气成分数据对监测大气环境、预测环境变化至关重要。当前大气研究主要是对气溶胶、水汽、臭氧、CO₂、SO₂、NO等组成成分的观测，通过研究各组成成分观测数据来分析气候、环境的变化。目前，对大气组分的观测手段主要有卫星和地基两种，虽然卫星遥感具有大时空范围覆盖的优点，但是与地基遥感观测相比，现有卫星遥感反演的大气参数还较少、精度偏低[2017年，李正强]。为了分析和研究大气组分来源、时空变化及其与气候变化的相互影响，发展地基观测设备是行业趋势。利用地基测量单波长/多/高光谱太阳直射辐射可以反演气溶胶、水汽、臭氧、CO₂、SO₂、NO等多种参数。在此以大气气溶胶为例展开讨论。

大气气溶胶是指悬浮在地球大气中沉降速度小、尺度范围为10^-3～20μm大小的液态或固态粒子。随着对环境污染问题研究的深入，人们已经认识到大气气溶胶自身的污染特性与其物理化学性质和在大气中的非均相化学反映有着密切的关系[2000，王明星]。气溶胶在气候系统中起着非常重要的作用，通过散射与吸收太阳短波和地球长波辐射对气候产生直接影响。2001年气候变化委员会明确指出气候变化存在两个因素：内部因素是气候系统本身，而外部因素为辐射强迫。正的辐射强迫是由于温室气体的增加导致地球表面升温，而负的辐射强迫则是由于各种气溶胶的增多造成地-气系统辐射能量损失，导致地表降温[2004，J T.Climat]。气溶胶粒子对气候的负辐射强迫影响可分为直接影响和间接影响。直接影响是指大气中的气溶胶粒子吸收和散射太阳辐射和地球长波辐射，从而影响地-气辐射收支。间接影响是指气溶胶以云凝结核的形式改变云的光学特性和云的分布而间接影响气候。这一连串的影响导致气溶胶定量研究极为复杂,是研究气溶胶对气候影响的一个重要的也是极为困难的课题。定量研究气溶胶辐射气候效应需要系统的气溶胶辐射特性观测资料。目前观测精度最高、观测手段最多、也是气溶胶气候效应中最为重要的光学特性是气溶胶光学厚度(Aerosol Optical Thickness,AOT)，AOT描述了气溶胶对光的衰减作用，是气溶胶消光系数在垂直方向上的积分。

大气气溶胶光学厚度的测量可反映气溶胶粒子对太阳辐射的消光作用。世界气象组织的全球大气观测网(WMO-GAW)将大气气溶胶光学厚度的观测作为基本观测项目，目的是对全球大气气溶胶的变化趋势进行长期观测，进而研究其对全球和局地气候变化的影响。同时气溶胶光学厚度的地基观测结果，也是对卫星光学遥感校准的一种重要的手段。WMO-GAW推荐了两种通过直接测量太阳分光辐射求出气溶胶光学厚度的方法，一种方法是采用一组短波截止滤光片和直接日射表相配合进行测量，另外一种是使用太阳光度计的测量方法，也就是测量太阳入射辐射光谱进行推导计算的方法。