大气传输理论是指研究红外辐射和大气相互作用的理论, 包括吸收、 散射、 折射和湍流的影响情况。大气特性(压力、 温度、 密度及各种成分的含量)随时间、 地点以一种极为复杂的方式变化, 因此辐射在大气中传输受到的影响也是相当复杂的。

如果可忽略大气的折射、 湍流和偏振作用, 并假设天空是均朗伯散射, 而且假定地表面为均质平坦的朗伯体, 则电磁波辐射与地球大气作用理论可以被简化。遥感器接收到的表观辐亮度是地面辐亮度、 大气透过率和由于大气散射造成的向上大气光谱辐亮度的函数^[19]。考虑散射源函数后, 则辐射传输方程可展开为

-μdI(τ, Ω)dτ=-I(τ, Ω)+ω4πI0e-τ/μ0P(Ω, Ω0)+ω4π∫04πI(τ, Ω')P(Ω, Ω')dΩ'(1)

式(1)中, τ 为光学厚度; P为ω 单次散射反射率; P(Ω , Ω ')为散射相函数, 在临近空间的环境探测中, 根据辐射传输方程我们要考虑入射光和观测的角度即天顶角和方位角, 还有大气的散射及吸收, 这就要考虑光学厚度及气溶胶的影响。本工作旨在分析观测几何、 光学厚度以及气溶胶参数对氧气辐射亮度的影响。

在太阳照射时, 氧气分子吸收光子后处于激发态, 根据能量不同, 氧气通过太阳光解、 太阳激发、 碰撞湮灭的光化学反应产生激发态氧气分子, 可以辐射出762 nm的光谱, 即氧气A波段^[20]。激发态氧气分子主要是由大气共振散射, 基态氧气通过氧气及臭氧光解产生的原子氧碰撞湮灭, Barth化学反应。主要氧气A波段辐射示意图如图1所示^[21]。

图1

Fig.1

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	图1 氧气A带的辐射过程Fig.1 Oxygen A band radiation process

通过共振散射, 氧气分子在太阳光照下, 吸收光子处于激发态, 从而辐射出光谱, 其反应方程如式(1)

O2+hν(762nm)→O2(b1Σg+)g(2)

式(2)中, g为激发系数。

由碰撞湮灭反应得到的光谱反应方程如式(3)

O(1D)+O2→O2(b1Σg+)+O(3P)kD, O2(3)

式(3)中, kD, O2=2.9× 10¹¹e^67/T(cm³· s^-1)。

Barth化学反应主要包括两部分: 第一部分是两个氧原子与一个氮气分子或氧气分子之间的三体碰撞; 第二部分是激发态氧气分子发生碰撞湮灭反应, 产生激发态 O2(b1Σg+)。

O+O+M→O'2+M(4)

O'2+O2→O2(1Σ)+O2(5)

式(4)中和式(5), M=O₂, N₂。

而激发态 O2(b1Σg+)损耗过程包含两种机制: 一是自发辐射, 二是与大气中中性分子(只考虑氧气与氮气)发生碰撞湮灭, 其反应过程如式(6)和式(7)所示

O2(b1Σg+)→O2+hν(762nm)AΣ(6)

O2(b1Σg+)+M→O2+M, M=N2, O2(7)

损耗过程发出的762 nm辐射即为氧气A波段, A_Σ 为自发辐射系数, 通常为常数^[20]。

3.1.1 天顶角对O₂探测的影响

观测几何位置和光线跟踪参数也会对氧气的探测产生影响, 而观测氧气探测的几何位置包括太阳的位置即太阳天顶角和方位角以及观测点的切线高度。不同的太阳天顶角的氧气A波段辐亮度模拟仿真结果如图2所示。

图2

Fig.2

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	图2 O2辐射亮度随太阳天顶角变化Fig.2 The radiance of O2 varies with the zenith Angle of the sun

一天中太阳位置的不断变化导致了太阳天顶角的不断变化, 而太阳天顶角是指光线入射方向与天顶方向的夹角, 是高度角的余角, 因此它的范围为0° ~90° , 当太阳升起或下落地平线的时候即为90° , 正午时分的天顶角为0° 。由图2可以看出, 整体上氧气的辐射亮度随着太阳天顶角的增大而减小, 因为太阳直射时, 照射面积最小, 单位面积获得的太阳辐射量最大。太阳斜射时, 照射面积大, 单位面积获得的太阳辐射量小。如图2所示此地点一天内的太阳天顶角对于氧气的辐射亮度影响不超过0.01 W/m²/nm/sr; 选择天顶角60° 为氧气辐亮度模拟值, 则天顶角差值比例曲线如图3所示。

图3

Fig.3

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	图3 天顶角差值比例曲线Fig.3 Zenith angle difference ratio curve

由图3可知天顶角小于60° , 随着太阳天顶角的逐渐增大, 氧气的辐射亮度逐渐增加, 而在60° 以上氧气的辐射亮度随着太阳天顶角的增大而减小, 且天顶角越大, 辐亮度的变化也随之变大, 总体差值比例在7%以内。可见在临近空间用氧气A波段探测, 太阳天顶角是影响探测的一个重要因素。

3.1.2 方位角对O₂探测的影响

除此之外太阳方位角也对氧气的辐射亮度有影响, 图4则为不同太阳方位角的氧气辐亮度模拟结果, 我们选择70° 的方位角为基准模拟值, 图4则为以70° 为参考值的差值比例对比结果。

图4

Fig.4

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	图4 (a) O2辐射亮度随太阳方位角变化; (b)方位角差值比例曲线Fig.4 (a) The radiance of O2 varies with the azimuth of the sun; (b) Azimuth difference ratio curve

由图4(a)可以看到氧气的辐射亮度是随着太阳方位角的增大而减小的, 方位角在70° 之下的时候, 氧气辐射变化幅度较大差值在0.05 W/m²/nm/sr以内, 大于70° 的时候, 变化幅度并不明显, 差值在0.01 W/m²/nm/sr以内; 而从图4(b)可以直观地看到辐射亮度是先随着方位角的增大而减小且变化剧烈差值比例相差高达240%, 然后又增加且增加缓慢, 差值比例不超过22%, 不同方位角之间的变化差值较大, 可见不同的太阳太阳方位角对氧气探测也有重大影响。

3.1.3 临边切线高对O₂探测的影响

国家空间科学中心杨晓君等研究员对临近空间温度廓线的反演研究表明, 基于氧气A波段的临边探测得到的数据对温度廓线的反演具有便利性, 因此在温度廓线反演的前置研究中, 需要考虑临边探测时的切线高度对氧气辐射亮度的影响。

如图5(a)所示为氧气辐射亮度随切线高变化的关系图, 可以看出氧气辐射亮度随着临边观测的切线高的增加而减小; 由图5(b)可知, 50 km大气以下氧气的辐射亮度减小幅度要远大于50 km大气以上的氧气辐射亮度的变化, 可见在中底层大气中, 氧气的光谱探测对临边切高更加敏感。卫星探测中的临边切高是指卫星对地面的观测角度, 也被称为观测几何角度, 临边切高对辐射的影响有三方面, 一是表现在光程差: 临边切高会导致卫星对地面的观测路径变长, 造成光线穿过大气层的路径增加, 从而引起光程差, 影响辐射的接收; 二是大气吸收和散射: 临边切高影响了光线穿过大气层的路径长度和厚度, 使得大气对辐射的吸收和散射增加, 降低了辐射的强度和清晰度; 三是影响观测分辨率: 临边切高会影响卫星观测的分辨率, 使得观测到的地物细节模糊或失真, 进而影响对辐射的准确度和可靠性。因此, 在卫星探测中, 需要考虑和研究临边切高对辐射的影响, 以提高数据的准确性和可靠性。

图5

Fig.5

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	图5 (a) O2辐射亮度随切线高变化; (b) 切线高差值比例曲线Fig.5 (a) Changes in O2 radiation brightness with tangent height; (b) Tangent height difference ratio curve

在临近空间的大气环境探测中, 气溶胶作为大气的重要组成部分, 在辐射传输过程中是必须要考虑的一大因素。故基于SCIATRAN模型通过研究不同气溶胶下的氧气辐亮度变化来判定气溶胶在临近空间探测过程中的影响重要性。基于前文模拟研究, 设置太阳天顶角为60° , 太阳方位角为70° , 观测高度为20 km, 地面反照率为0.325。

3.2.1 气溶胶类型

SCIATRAN模型中的边界层气溶胶类型分别有农村、 城市、 海洋和对流层四种类型, 本工作主要是研究在农村、 城市和海洋的气溶胶对氧气的探测影响。从现实层面来看, 由于农村树林茂密, 空气清晰且人类活动较少; 而城市人口密集, 工业化严重, 环境污染对气溶胶影响最大, 所以推断在农村气溶胶下对氧气的探测影响较小。基于此猜测, 我们就以农村、 城市和海洋气溶胶类型和无气溶胶的情况下进行模拟气溶胶类型对氧气探测的影响。图6是不同气溶胶类型下氧气A波段辐亮度。

图6

Fig.6

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	图6 不同气溶胶类型下辐射亮度Fig.6 Radiation intensity under different aerosol types

如图6所示, 海洋气溶胶类型的辐射亮度几乎与无气溶胶情况一样, 同样农村气溶胶类型就稍小于无气溶胶情况, 而城市类型辐亮度最小, 对氧气的探测影响最大。这是由于城市区域的大气相对农村和海洋区域, 成分复杂, 其气溶胶类型对太阳辐射的散射能力较强。同样, 我们以无气溶胶类型为参考值, 计算各个气溶胶类型下的氧气辐亮度差值比例如表2所示, 从表2中也可以看出城市型气溶胶的差值比例为-9.071%, 与不考虑气溶胶情况下相差最大, 海洋型气溶胶与农村型气溶胶仿真结果与不考虑气溶胶情况下差值比例相近, 分别为-0.909%和-2.165%, 根据实际情况需要选择农村型气溶胶参数设置。

表2

Table 2

表2(Table 2)

表2 不同气溶胶类型的差值比例 Table 2 Difference ratios of different aerosol types Aerosol type Difference ratio rural -2.165% urban -9.071% maritime -0.909% aerosol-free 0

表2 不同气溶胶类型的差值比例 Table 2 Difference ratios of different aerosol types

3.2.2 气溶胶季节

不同季节的不同气溶胶类型也会有不同的变化, 因为随着季节的转变, 不仅大气的流动会使气体物理化学反应变化导致气溶胶的厚度等因素变化, 人们在季节变化中的生活方式的变化也会影响气溶胶的含量和成分。在SCIATRAN模型中, 季节分为春夏和秋冬两种, 我们分别研究在不同季节下的气溶胶对氧气A波段辐射亮度的影响。

如图7所示, 不管是在农村、 城市和海洋哪种气溶胶下, 同种气溶胶类型的氧气A波段的辐射亮度在春夏季节要大于秋冬季节, 猜测可能是因为在秋冬季节天气干燥, 气溶胶吸湿性小以及燃烧物颗粒的排放导致的气溶胶厚度增加, 使得氧气的辐射亮度减小, 可见季节的变化也会对氧气的辐射亮度产生影响, 但变化幅度不超过0.005 W/m²/nm/sr, 影响较小, 因此季节因素可以在探测过程中忽略不计。

图7

Fig.7

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	图7 不同季节的O2辐射亮度变化 (a): 农村; (b): 城市; (c): 海洋Fig.7 Changes of O2 radiation brightness in different seasons (a): Rural; (b): Urban; (c): Maritime

3.2.3 气溶胶光学厚度

气溶胶光学厚度也是影响辐射的一大重要因素, 因为太阳辐射要透射大气, 再经过散射和吸收后才到达地面被仪器探测到, 因此气溶胶的光学厚度的大小也对氧气的辐射亮度有着重大影响。气溶胶光学厚度倍数即每种波长的气溶胶散射和吸收系数将乘以该比例因子, SCIATRAN模型中给出了1、 3、 5、 7、 10五种光学厚度倍数, 它们对氧气A波段的辐射亮度影响如图8所示。

图8

Fig.8

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	图8 不同气溶胶类型下光学厚度倍数的O2辐射亮度 (a): 农村; (b): 城市; (c): 海洋Fig.8 O2 radiation luminance at different aerosol types with different optical thickness multiples (a): Rural; (b): Urban; (c): Maritime

在图8的三种气溶胶不同光学厚度下的辐射亮度显示, 城市型气溶胶下的不同光学厚度对氧气的辐射亮度影响较大, 且随着光学厚度的增加, 氧气的辐射亮度也逐渐减小, 说明随着光学厚度倍数增加, 使得辐射能量损耗增大; 而农村型和海洋型气溶胶的光学厚度对氧气的辐射亮度影响相对较小, 且随着光学厚度的增加, 氧气的辐射亮度也随之增加, 但变化幅度较小, 其原因是在农村和海洋地区氧气含量较多, 且气溶胶类型具有很强的散射作用, 随着光学厚度的增加其散射作用增大, 探测的的氧气辐射亮度增强。我们将光学厚度倍数为1时作为参考值来计算不同光学厚度倍数下的差值比例如表3所示, 它们的差值比例曲线如图9所示。由图9和表3可以看出O₂辐射亮度值与气溶胶光学厚度倍数几乎成线性变化, 将各个曲线拟合得到近似拟合曲线斜率。城市型气溶胶下O₂辐射亮度差值比例曲线斜率约为-0.038 7, 农村型气溶胶为0.009 9, 海洋型气溶胶为0.027 3。其中城市型气溶胶下O₂辐射亮度变化差值比例曲线斜率绝对值最大, 说明在这三种类型的气溶胶中, 受气溶胶光学厚度影响最大的气溶胶类型是城市型, 而农村型气溶胶受影响最小。

表3

Table 3

表3(Table 3)

表3 不同光学厚度倍数结果对比 Table 3 Comparison of results of different optical thickness multiples Optical thickness multiple 差值比例/% rural urban maritime 1 0 0 0 3 0.576 -12.568 3.629 5 3.563 -20.355 10.201 7 7.395 -25.306 17.544 10 13.174 -29.650 28.433

表3 不同光学厚度倍数结果对比 Table 3 Comparison of results of different optical thickness multiples

图9

Fig.9

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	图9 光学厚度差值比例曲线Fig.9 Proportional curve of optical thickness difference

根据以上研究, 在探测氧气的辐射亮度时, 可以选择太阳天顶角范围60° 附近, 方位角70° 或110° 附近, 气溶胶选择农村型气溶胶进行氧气光谱探测时, 可以接受更多和精度更高的探测数据, 因此为了验证SCIATRAN模型的模拟光谱的精确度, 选择相同条件下的高分五号卫星探测数据与模拟数据进行对比, 分析验证SCIATRAN模拟数据的正确性。

高分五号搭载的温室气体探测仪GMI载荷采用区别于传统高光谱分光技术的方案, 利用空间外差光谱技术SHS(spatial heterodyne spectroscopy)获取近红外-短波红外(759~2 058 nm)光谱范围内的遥感数据。GMI在其光谱范围内共有4个波段, 分别是759~769、 1 568~1 583、 1 642~1 658和2 043~2 058 nm, 其中氧气A波段位于载荷的第一个波段, 其光谱分辨率为0.6 cm, 辐射定标的绝对精度为5%, 5 d可以对全球实行一次覆盖, 周期性获取高光谱探测数据, 选取氧气的通道1光谱数据与辐射定标数据, 根据获取的复原光谱数据和辐射定标系数可以计算出氧气的辐射。

高分五号光谱探测数据文件中的光谱定标系数(spec cali coeff)与光谱数据(spectrum data, DN)长度一致且一一对应, 表示每个光谱数据对应的波数值。辐射定标系数(radio cali coeff)为两列(k, b), 因此氧气辐射y=k* DN+b。

为了验证基于SCIATRAN仿真数据的有效性, 现将仿真数据与高分五号GMI载荷仪器的同一地区的探测数据进行归一化处理, 并进行对比分析, 结果如图10—图12所示。

图10

Fig.10

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	图10 天顶角55° 方位角120° 下仿真数据与实测数据对比结果 (a): 形状对比; (b): 峰值对比Fig.10 Comparisons between simulation data and measured data at a zenith angle of 55° and azimuth angle of 120° (a): Shape comparision; (b): Peak comparison

图11

Fig.11

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	图11 天顶角60° 方位角110° 下仿真数据与实测数据对比结果 (a): 形状对比; (b): 峰值对比Fig.11 Comparisons between simulation data and measured data at a zenith angle of 60° and azimuth angle of 110° (a): Shape comparision; (b): Peak comparison

图12

Fig.12

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	图12 天顶角65° 方位角100° 下仿真数据与实测数据对比结果 (a): 形状对比; (b): 峰值对比Fig.12 Comparisons between simulation data and measured data at a zenith angle of 65° and azimuth angle of 100° (a): Shape comparision; (b): Peak comparison

由于仿真数据是桂林地区的, 所以选取的高分五号卫星数据也是桂林地区的氧气探测数据, 我们分别选取了天顶角分别为55° 、 60° 和65° , 方位角分别为为120° 、 110° 和100° 下的高分五号数据与相同条件下的SCIATRAN模拟数据进行了对比分析。从图10—图12(a)中可以看出, 实际探测数据与仿真数据的光谱随波长的变化趋势相同, 光谱形状基本一致。可以看出图中辐射亮度差值数据偏差分别为0.05、 0.2和0.1以内, 这是由于模拟仿真数据与实测数据的探测方式以及气溶胶参数等环境因素的影响, 使得结果出现可接受范围内的偏差, 说明了SCIATRAN模拟仿真数据的有效性; 另一方面是由于SCIATRAN模型的数据有限, 无法覆盖探测地区的所有影响因素的额参数, 大气成分的复杂性也是造成数据偏差的原因。这些进一步证明了在一定范围内, SCIATRAN仿真数据是合理的。另外在三组数据的峰值对比图中都出现了超出可接受范围的差值峰, 结合图10—图12(a)的光谱图所示, 在相同超峰值波长下实测数据要比模拟数据大, 推测可能是噪声引起的, 在后续的反演算法中应该考虑该波长处的噪声问题并给予纠正。