CE318型太陽光度計定標方法研究

董金芳，何慧娟，王 娟

(1.陜西省農業遙感與經濟作物氣象服務中心，西安 710016；2.陜西省氣象局秦嶺和黃土高原生態環境氣象重點實驗室，西安 710016)

隨著經濟水平的提高，工業生產和交通運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，對人和生態環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、液態和氣態的多相體系[1]。大氣氣溶膠光學厚度(aerosol optical depth，AOD)是大氣氣溶膠最重要的光學特性之一， AOD的獲取方式主要有兩種，地基觀測數據和遙感圖像反演[2-4]。遙感圖像反演方法由于數據獲取簡單、反演方法成熟、覆蓋范圍廣、分辨率高等優點是AOD獲取的重要方法，但遙感圖像的反演和驗證離不開地基數據的支持[5-7]。目前國際上應用最為廣泛的氣溶膠地基監測系統是美國NASA在全球布設的氣溶膠自動觀測網(aerosol robotic network，AERONET)，AERONET在我國站點十分有限且分布不均勻，城市站點主要集中在北京和東南沿海地區，沙塵站點主要集中在甘肅、內蒙古和新疆區域，在中部地區少有分布[8]。為了對我國氣溶膠光學特性進行長期、系統、全面、穩定的觀測，中國氣象局在全國范圍內建立了氣溶膠光學特性監測網(China aerosol robot sunphotometer network，CARSNET)。與AERONET選用的太陽光度計相同，均為法國CIMEL公司生產的CE318型窄波段太陽光度計，但CARSNET的關注度和利用率遠不如AERONET，這主要是因為CE318的觀測數據較為復雜，處理困難，需要進行周期性定標以維持氣溶膠光學厚度計算結果的精確性和穩定性[9]。光度計定標方法主要有儀器定標法和Langley定標法[10]，儀器定標的方法操作復雜，價格昂貴，且定標儀器本身同樣存在誤差[11]；傳統Langley定標法對環境要求苛刻，用以計算定標值的數據篩選困難，具有很大的不確定性[12]。 本文利用數理統計的方法，對數據進行質量控制、云檢測，提取用以計算定標的數據，三倍標準差去除極端值，最終完成輻射定標，形成自動化處理、普適性、可操作性強的太陽光度計定標流程，為CARSNET數據推廣和應用提供技術支撐。

1 數據源

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

涇河站配置的CE318太陽光度計共有8個觀測通道，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，定標方法與其他波段不同，此處不做討論。太陽光度計的數據文件為K7格式，利用CIMEL公司提供的ASTPWin軟件將數據轉換為逐日的ASCII碼文件，數據內容不同，轉換后數據文件后綴名不同，分別是：ALL(等高度角掃描向左掃描半圈的數據)、ALR(等高度角掃描向右掃描半圈的數據)、BLK(暗電流測量數據)、NSU(8個通道3次太陽直射輻射測量數據)、PP1(主平面掃描數據)和STA(儀器狀態數據)，本文的數據采用后綴名為NSU的太陽直接輻射數據進行處理，其中2019年共有349個日值觀測數據，2020年由于儀器檢修，9—11月有缺測，共有294個日值觀測數據。

2 方法

由于CE318太陽光度計采用自動跟蹤掃描的方法進行觀測，大量云污染的數據也被記錄在內。目前云剔除的方案主要是應用Smirnovt A提出的“數據質量檢驗—三重觀測穩定性檢驗—日穩定性檢驗—平滑檢驗—標準偏差檢驗”規則[15]，但這種檢驗方法是基于氣溶膠光學厚度數據的檢驗，在定標系數尚未確定的情況下無法有效應用。本文對Smirnovt A提出的方法進行改進，使其適用于定標值的計算。

2.1 數據質量檢驗

CE318太陽光度計從大氣質量數m=6時自動開始監測工作，下午大氣質量數m=6時結束觀測，觀測時長隨著日照時數的變化而變化，表現為冬季時間短，夏季時間長，內置的濕度傳感器控制儀器在降水時停止工作[16]。CE318太陽光度計間隔3～10 min獲取一次NSU觀測數據，天氣晴好的情況下每日獲取的數據觀測量在45條以上，多的時候達200余條。根據CE318的觀測特性，對原始數據制定三條數據質量檢驗標準，分別是：①是否為儀器故障或數據傳輸錯誤等產生的異常值，數據表現為‘HErr’、‘----’、‘!!!!’，如發現以上三種數據，則將去除該時間點觀測數據。②在CE318自動觀測期間，無云的狀態下，各波段的觀測值量級為百，判斷觀測數值是否小于100，如果是，則去除該時間點觀測數據。此處設置的閾值標準較低，僅能夠去除較厚云層遮擋的觀測數據。③在進行①、②處理后日觀測數量是否少于15條，如果少于15條，則認定該日觀測數據質量較差，不宜進行后續處理操作，該觀測日數據檢驗不合格。經過數據質量三重標準檢驗之后，符合條件的數據集分布如表1所示。

表1 質量檢驗處理后數據分布統計

2.2 三重觀測穩定性檢驗

CE318太陽光度計每個時間點觀測數據由三次測量值組成，間隔時間為30 s，三次觀測1 min即可完成。在無云和大氣狀態穩定的情況下，對于所有波長，大氣氣溶膠光學厚度的變化在0.02以內[15]。這里采用統計的方法計算閾值，判定三次觀測值是否穩定。計算經過數據質量檢驗后的2019、2020年每一組三重觀測數據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，將差值結果由小到大進行排序，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%處差值結果設置為閾值，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顯示原始數據在多個時間點上三次觀測值有明顯的差異，未經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，經過穩定性檢驗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太陽光度計觀測的每組數據的偏差統計

圖1 2020-12-30 CE318太陽光度計觀測的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Beer-Lambert定律闡述的物質對光的吸收程度和吸收介質厚度之間的關系，地面上測得的太陽單色輻射照度E可以由如下公式計算：

E=E0R-2Tgexp(-mτ)。

(1)

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

根據儀器輸出電壓轉換得到的太陽光度計觀測值V與儀器光學窗口入射的太陽單色輻照度E成正比，儀器定標常數V0表示太陽單色輻照度為E0時太陽光度計的觀測值，將V、V0帶入式(1)，可以得到以觀測值為參數的式(2)，將式2兩邊取對數得到式(3)。

V=V0R-2Tgexp(-mτ) ，

(2)

LnV=LnV0-LnR2+LnTg-mτ。

(3)

在大氣狀態穩定的情況下，大氣垂直氣溶膠光學厚度τ保持不變，以相對大氣質量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的線性關系，如式(4)所示。

LnV+LnR2=-mτ+LnV0。

(4)

根據式(4)利用觀測值V求解V0的過程即為Langley定標法。

涇河觀測站距離緊鄰西安市，大氣消光穩定性受人為因素影響在一天內可能發生較大波動[16]，因此對上、下午數據分別進行擬合。線性回歸擬合系數是由最小二乘原理計算得到，回歸系數容易受到離群值的影響而失去客觀性和準確性，因此在線性回歸分析中，在相關系數r2<0.99時，剔除線性擬合殘差最大的點，為了防止過擬合，設定剔除離群數據量占原始數據量的比值<30%，并且剩余觀測數據量>15個、相關系數r2>0.99、大氣質量數變化范圍mmax-mmin>3.5時才能用來計算定標值V0。為了防止氣溶膠光學厚度隨大氣質量線性變化導致的定標失真，將擬合結果帶入式(5)

τ=-(LnV0-LnV-LnR2)/m。

(5)

以大氣質量m為自變量x，氣溶膠光學厚度τ為因變量y進行線性擬合，若擬合斜率絕對值<0.02且相關系數r2<0.5，則認為大氣質量與氣溶膠光學厚度不存在線性變化關系[12]，擬合結果可以用于下一步計算。

圖2顯示了2019年4月1日上午380 nm處觀測數據在剔除離群值前后線性回歸擬合的變化，經過處理后，離群值被剔除，重新線性擬合后相關系數由0.987提升到0.997，擬合系數也隨之發生細微變化。

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

2.4 三倍標準差檢驗

在這一步中，對2.3中獲得的回歸方程在y軸上的截距LnV0進行篩選，在多次線性回歸中得到的LnV0理論上符合正態分布。在正態分布中，平均值為ū，標準差為σ，測量值在ū±3σ范圍內的概率為99.7%，超出這個范圍的觀測值視為極不可能值，將其排除。經過3σ檢驗后對LnV0進行統計，結果如表3所示，AOD均值隨波長增加而增加。這是因為太陽光通過大氣時，波長較短的紫、藍、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[17]，相應的AOD均值越大。

表3 涇河站CE318太陽光度計各個波段定標值

3 結論與討論

通過對涇河站CE318太陽光度計數據進行處理，提出了一套自動篩查檢測的Langley定標方法，并進行了實際操作，得出了具體的定標值。主要結論如下。

(1)經過數據質量檢驗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致的無效數據。

(2)三重觀測穩定性檢驗對云層引起的觀測極端值去除有明顯的效果，經過三重觀測穩定性檢驗的結果更具有真實性。

(3)在利用Beer-Lambert進行定標的過程中，通過刪除最大殘差值得方法可以得到擬合度更優的線性方程，顯著增加了符合定標條件的數據量，這對于氣溶膠狀態不穩定的區域尤為重要。

(4)對最后得到的定標值進行三倍標準差檢驗可以有效地去除極值，縮小測量值與真值的誤差。