利用透射太阳光测定O3总量程序编写.PPT

2007202130 林振毅 一.臭氧总量 基础知识 1. 臭氧总量的定义: 这里的总量是相对垂直气柱而言的, 对于实际倾斜大气气柱, 就要考虑太阳天顶角Z的余弦，来化成垂直气柱的总量。 2. 臭氧总量的单位(DU) 大气中的臭氧总量通常采用厚度(长度单位)来表达。这里假定大气中单位面积( cm2 )上整层气柱内所有臭氧都归一到标准气压(一个大气压,即1atm = 1013.25hpa)和标准温度(273K)条件下(STP)所形成的气层厚度数,通常用cm来表示。 为了纪念英国科学家G.M.B.陶普生(Dobson)在臭氧测量方面做出的贡献，大气臭氧总含量用Dobson单位(即DU）来表示，在标准大气和标准温度下： 1DU = 0.001atm-cm 即一个DU是指在标准温度与气压下，臭氧被压缩成均匀的纯气层时占据千分之一厘米(0.001cm)的大气垂直厚度，臭氧总量就是这个单位。 垂直臭氧总量通常为200-400(DU) 3. 复习测量原理及公式推导 当太阳辐射进入地球大气顶部，并向地球表面透射时便会受到大气中臭氧在相应波段上的吸收，其结果是导致在这些波段上太阳辐射能的减弱，其减弱程度显然取决于大气中科研所含量多少和相应波段的臭氧吸收强度的大小。据此，可以从理论上计算得到某一波长处太阳辐射能量的减弱值与大气中臭氧含量的定量关系。 对于给定时间测量给定波长的透射太阳强度，可以用比尔-布格-朗伯定律来表示。 因此，利用实测的透射太阳光来推断臭氧总量, 从根本上说，是利用了比尔-布格-朗伯定律来反演路径中的臭氧含量。 透射太阳辐射强度的比尔定律表达如下： (1)式中，r和r0分别是实际和平均日地距离，(r0/r)2可以通过取对数后减法的运算消除； I0代表与r0对应大气顶的太阳辐射强度； m(q0)=1/cosq0 ，表示太阳天顶角余旋的倒数，称为空气质量因子。 大气中除臭氧外，还有其它大气成分，主要是气溶胶(tA)项，引起太阳辐射能量的减弱，所以排除大气中其它组分的干扰是一个最基本的问题。 为了消除或降低大气中臭氧以外的其它成分的干扰，在实际工作中采用双波长相减法，也就是同时选择一对或两对波长同时测量。 这种方法的原理是： 选择一个臭氧吸收很强的波长作为测量波长l1 在该波长附近选择另一个臭氧吸收很弱的波长作为参考波长l2 。 这样臭氧在l1和l2处的吸收有很大差异，而其它大气成分的对太阳光强衰减却无此选择性。即此两处波长有如下关系： 这样就可以通过将两处波长处太阳辐射能量(3)式 相减来排除其它大气成分的干扰，获得想要的臭氧总量。 我们可以在哈金莱-哈金斯臭氧吸收带选择一对波长(l1, l2)，使k(l1) k(l2)，分别代入 (3)式后相减，令其差为N，重新排列各项，有如下(4)式： 式(4.2)已经可以用于臭氧总量的测量，为了进一步减小干扰，对于式(4.1)，选择两对波长，其差分别为N1，N2，再将N1 与N2 相减，进行化简后: 二. 测量O3总量 1. 波长选择： 选择的基本原则两个波长的间距尽量小，但臭氧在这两处波长的吸收系数却要尽可能相差大，在世界气象组织开发的标准方法中，这两对波长分别是(0.3055 , 0.3254 ) (0.3176 , 0.3398 )mm 测量仪器： 陶普生分光光度计。它是陶普生专门设计利用太阳光谱测量大气臭氧总量的仪器。仪器设定4个工作波长，测量这几个特定波长上的太阳透射光谱。 结论： 由以上波长可以看出，计算对于波长的要求是相当高的，数据精确到小数点后4位，学校的分光光度计不满足要求。要在没有条件得到实际数据的情况下，采用高分辨率（2cm-1）光谱程序MODTRAN来代替实际光谱作为数据输入。 2. 天顶角对于臭氧总量的影响 观察计算公式，含有天顶角。这里的天项角来自于臭氧的大气质量因子分量，因此，Z对应的高度是最大臭氧浓度的高度。 即：H=20Km 时的太阳天顶角，在程序的计算中要考虑到这点。 此外，还可以发现天顶角Z决定了透射太阳光的传输路径。Z越大，传输路径越长，光强衰减地越厉害。下面用图来直观地观察一下MODTRAN中不同天项角的光谱。 3. 输出结果及程序 以之前所示不同天顶角的太阳光谱，作为程序的输入，解出相应的臭氧总量，并将结果进行对比，由于没法进行数据标定，对数据进行了平均，简单得出10