一种大气水汽分子吸收系数廓线测量方法

技术领域

本发明涉及一种测量方法，具体涉及一种大气水汽分子吸收系数廓 线测量方法。

背景技术

激光在实际大气传输过程中，由于大气中水汽分子的吸收，会导致 激光能量的衰减，对于功率较强的激光还会产生非线性热晕效应，导致 光束质量下降、远场光斑扩展，最终影响激光的工程应用。为评估大气 水汽吸收对激光大气传输的影响，需要对大气水汽分子吸收系数廓线进 行测量。在近、中红外光谱区(1～12μm)，是激光工程应用主要的光谱区 间，在该区间水汽分子是最主要的大气吸收因素，所以测量大气水汽分 子吸收系数廓线在激光工程应用方面具有重要价值。

目前常用的测量大气水汽分子吸收系数廓线的方法是，首先利用探 空气球携带探空仪测量大气温度、压强和大气水汽浓度廓线，然后利用 所测大气水汽分子浓度廓线、大气温度廓线、压强廓线等参数，结合 HITRAN数据库，通过计算得到激光大气水汽吸收系数廓线。这种方式 存在以下缺点：探空气球的测量方式实时性差，且测量路径无法控制， 不能满足对激光传输路径上水汽分子吸收系数廓线实时测量的要求。

另外一种技术方案为：首先，利用拉曼激光雷达系统测量给出大气 水汽浓度廓线和大气温度廓线，然后利用其它方法实测或结合模式大气 给出大气压强廓线，最后，结合HITRAN数据库，通过计算得到激光大 气吸收系数廓线。该种方式存在的缺点为：1)测量高度有限，一般拉曼 激光雷达系统白天大致为3km、夜间为6km，且存在盲区(一般为数百米 左右)；2)不能够测量大气温度廓线，由此带来的结果是大气水汽吸收 系数计算精度不够高；3)拉曼激光雷达系统研制经费高，由于大气后向 散射的拉曼信号较弱，为了得到足够的信噪比，除了需要激光器发射功 率高之外，还需要较大的光学接收口径，一般不小于Φ500，所以，一套 系统大约需要数百万元；4)拉曼激光雷达系统运行维护复杂，不适合长 期外场运行。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种大气水汽 分子吸收系数廓线测量方法，该测量方法可以实时测量大气水汽分子吸 收系数廓线，并且测量的精度高，成本低。

为达到上述目的，本发明所述的大气水汽分子吸收系数廓线测量方 法包括以下步骤：

1)利用多通道微波辐射计测量得到大气水汽分子数密度廓线ρ(h_i)、 大气温度廓线T(h_i)，i＝0，1，2，......，N，其中h_i为高度；

利用离地面高度为h₀的近地面气象传感器测量得到高度为h₀处的 大气压强p(h₀)，然后根据高度为h₀处的大气压强p(h₀)计算得到大气压 强廓线p(h_i)，i＝0，1，2，......，N，h_i为高度；

2)利用高度h₀处的大气温度T(h₀)、大气压强p(h₀)和水汽分子数密 度ρ(h₀)，计算得到中心波数为v₀的吸收线在波数v处的大气水汽分子谱 线吸收强度k(v，h₀)：

k(v，h₀)＝Sf(v-v₀，α_L，α_D)    (1)

其中，f(v-v₀，α_L，α_D)为归一化线型函数，α_L为压力加宽的谱线半宽 度，α_D为多普勒加宽的谱线半宽度，S为谱线强度；

3)利用高度h₀处的大气温度T(h₀)、大气压强p(h₀)和水汽分子数密 度ρ(h₀)，计算得到波数v处的水汽分子连续吸收强度k_c(v)：

$k_c(v,h_0)=\rho \left(h_0\right)v\tanh [\mathrm{hcv}/2k_{B}T\left(h_0\right)]\left[\frac{\rho \left(h_0\right)}{{\rho }_s}{\tilde{C}}_s\right[v,T\left(h_0\right)]+\left(\frac{{\rho }_{\mathrm{air}}\left(h_0\right)-\rho \left(h_0\right)}{{\rho }_s}\right){\tilde{C}}_f[v,T\left(h_0\right)\left]\right]---\left(2\right)$

其中，ρ_s为标准大气条件下(大气压强为1013hPa，大气温度为296K) 空气的分子数密度，ρ_air(h₀)为高度h₀处空气的分子数密度，h为普朗克 常数，k_B为Boltzmann常数，c为光速，与分别为高 度h₀处连续吸收自身分量系数和外界分量系数；

4)由式(1)得各条水汽分子吸收谱线在波数v处的谱线吸收强度，再 对各条水汽分子吸收谱线在波数v处进行逐线积分，得到水汽分子全部吸 收谱线在波数v处的谱线吸收强度；再加上水汽分子连续吸收强度k_c(v， h₀)，可以得到高度h₀处在波数v处的总的水汽分子吸收强度γ(v，h₀)：

γ(v，h₀)＝∑k(v，h₀)+k_c(v，h₀)    (3)

由(3)式可以得到高度h₀处水汽分子在波数v处的吸收系数α(v，h₀)：

α(v，h₀)＝γ(v，h₀)p(h₀)    (4)

5)重新调整测量的高度h_i，重复步骤2)至步骤4)，依次得到大气水 汽分子在高度h_i处的大气水汽吸收系数廓线α(v，h_i)。

式(1)中

$f(x,{\alpha }_L,{\alpha }_D)=\frac{{\alpha }_L}{{\alpha }_D{\pi }^{3/2}}{\int }_{-\infty }^{\infty }\frac{1}{x^{\text{'}2}+{\alpha }_L^2}\exp [-{\left(\frac{x-x^{\text{'}}}{{\alpha }_D}\right)}^2]{\mathrm{dx}}^{\text{'}}---\left(5\right)$

其中x表示v-v₀，x′为积分量。

步骤2)中压力加宽α_L为：

${\alpha }_L={\alpha }_s\frac{p\left(h_i\right)}{p_s}{\left(\frac{T_s}{T\left(h_i\right)}\right)}^n---\left(6\right)$

其中α_s为标准大气压和标准大气温度下的谱线宽度，n为温度依赖 指数，p_s为标准大气压，T_s为标准大气温度，p(h_i)、T(h_i)分别为在高度 h_i处大气压强和大气温度。

步骤2)中多普勒加宽半径α_D的表达式为：

${\alpha }_D=\frac{v_0}{c}\sqrt{\frac{2k_{B}T}{m}}---\left(7\right)$

其中，m为分子质量。

由自然加宽的线型因子f_N(v-v₀)、压力加宽的线型因子f_L(v-v₀)及多 普勒加宽的线型因子f_D(v-v₀)得归一化线型函数f(v-v₀，α_L，α_D)。

所述自然加宽的线型因子f_N(v-v₀)的表达式为：

$f_N(v-v_0)=\frac{1}{\pi }\frac{{\alpha }_N}{{(v-v_0)}^2+{\alpha }_N^2}---\left(8\right)$

其中α_N为自然加宽的半宽度，并且，自然加宽的半宽度α_N的表达式为：

${\alpha }_N=\frac{1}{4\mathrm{\pi c\tau }}---\left(9\right)$

其中，τ是高能级的寿命。

所述压力加宽的线型因子f_L(v-v₀)的表达式为：

$f_L(v-v_0)=\frac{1}{\pi }\frac{{\alpha }_L}{{(v-v_0)}^2+{\alpha }_L^2}---\left(10\right)$

所述多普勒加宽的线型因子f_D(v-v₀)的表达式为：

$f_D(v-v_0)=\frac{1}{{\alpha }_D\sqrt{\pi }}\exp [-{\left(\frac{v-v_0}{{\alpha }_D}\right)}^2]---\left(11\right)$

步骤1)中利用多通道微波辐射计测量大气水汽分子数密度廓线及大 气温度廓线；

步骤1)中利用大气压力传感器测量近地面处大气压强，然后根据近 地面处大气压强得到大气压强廓线。

本发明具有以下有益效果：

本发明所述的大气水汽分子吸收系数廓线测量方法在测量大气水汽 分子吸收系数的廓线时，先测量大气水汽分子数密度廓线、大气温度廓 线，并利用近地面气象传感器测量所得近地面大气压强计算得到大气压 强廓线；然后根据大气水汽分子数密度廓线、大气温度廓线及大气压强 廓线，在特定高度处，得到各条水汽分子吸收谱线在波数v处的谱线吸收 强度和连续吸收强度，对谱线吸收强度和连续吸收强度求和后即可得到 总的水汽分子吸收强度，并根据测量的大气水汽分子数密度廓线及在波 数v处总的水汽分子吸收强度得到大气水汽分子在波数v处的吸收系数； 依次计算各个高度上的大气水汽吸收系数，即可得到大气水汽分子吸收 系数廓线。该方法简单易行，操作方便，成本低，并且有很好的实时性， 测量的高度从地表到10km之间，涵盖了水汽的全部高度范围，且距离 分辨率高。

附图说明

图1为本发明的流程图。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参考图1，本发明所述的大气水汽分子吸收系数廓线测量方法包括 以下步骤：

1)利用多通道微波辐射计测量得到大气水汽分子数密度廓线ρ(h_i)、 大气温度廓线T(h_i)，i＝0，1，2，......，N，其中h_i为高度；

利用离地面高度为h₀的近地面气象传感器测量得到高度为h₀处的 大气压强p(h₀)，然后根据高度为h₀处的大气压强p(h₀)计算得到大气压 强廓线p(h_i)，i＝0，1，2，......，N，h_i为高度；

2)利用高度h₀处的大气温度T(h₀)、大气压强p(h₀)和水汽分子数密 度ρ(h₀)，计算得到中心波数为v₀的吸收线在波数v处的大气水汽分子谱 线吸收强度k(v，h₀)：

k(v，h₀)＝Sf(v-v₀，α_L，α_D)    (1)

其中，f(v-v₀，α_L，α_D)为归一化线型函数，α_L为压力加宽的谱线半宽 度，α_D为多普勒加宽的谱线半宽度，S为谱线强度；

3)利用高度h₀处的大气温度T(h₀)、大气压强p(h₀)和水汽分子数密 度ρ(h₀)，计算得到波数v处的水汽分子连续吸收强度k_c(v)：

$k_c(v,h_0)=\rho \left(h_0\right)v\tanh [\mathrm{hcv}/2k_{B}T\left(h_0\right)]\left[\frac{\rho \left(h_0\right)}{{\rho }_s}{\tilde{C}}_s\right[v,T\left(h_0\right)]+\left(\frac{{\rho }_{\mathrm{air}}\left(h_0\right)-\rho \left(h_0\right)}{{\rho }_s}\right){\tilde{C}}_f[v,T\left(h_0\right)\left]\right]---\left(2\right)$

其中，ρ_s为标准大气条件下(大气压强为1013hPa，大气温度为296K) 空气的分子数密度，ρ_air(h₀)为高度h₀处空气的分子数密度，h为普朗克 常数，k_B为Boltzmann常数，c为光速，与分别为高 度h₀处连续吸收自身分量系数和外界分量系数；

4)由式(1)得各条水汽分子吸收谱线在波数v处的谱线吸收强度，再 对各条水汽分子吸收谱线在波数v处进行逐线积分，得到水汽分子全部吸 收谱线在波数v处的谱线吸收强度；再加上水汽分子连续吸收强度k_c(v， h₀)，可以得到高度h₀处在波数v处的总的水汽分子吸收强度γ(v，h₀)：

γ(v，h₀)＝∑k(v，h₀)+k_c(v，h₀)    (3)

由(3)式可以得到高度h₀处水汽分子在波数v处的吸收系数α(v，h₀)：

α(v，h₀)＝γ(v，h₀)ρ(h₀)    (4)

5)重新调整测量的高度h_i，重复步骤2)至步骤4)，依次得到大气水 汽分子在高度h_i处的大气水汽吸收系数廓线α(v，h_i)。

式(1)中

$f(x,{\alpha }_L,{\alpha }_D)=\frac{{\alpha }_L}{{\alpha }_D{\pi }^{3/2}}{\int }_{-\infty }^{\infty }\frac{1}{x^{\text{'}2}+{\alpha }_L^2}\exp [-{\left(\frac{x-x^{\text{'}}}{{\alpha }_D}\right)}^2]{\mathrm{dx}}^{\text{'}}---\left(5\right)$

其中x表示v-v₀，x′为积分量；

步骤2)中压力加宽α_L为：

${\alpha }_L={\alpha }_s\frac{p\left(h_i\right)}{p_s}{\left(\frac{T_s}{T\left(h_i\right)}\right)}^n---\left(6\right)$

其中α_s为标准大气压和标准大气温度下的谱线宽度，n为温度依赖 指数，p_s为标准大气压，T_s为标准大气温度，p(h_i)、T(h_i)分别为在高度 h_i处大气压强和大气温度。

步骤2)中多普勒加宽半径α_D的表达式为：

${\alpha }_D=\frac{v_0}{c}\sqrt{\frac{2k_{B}T}{m}}---\left(7\right)$

其中，m为分子质量。

由自然加宽的线型因子f_N(v-v₀)、压力加宽的线型因子f_L(v-v₀)及多 普勒加宽的线型因子f_D(v-v₀)得归一化线型函数f(v-v₀，α_L，α_D)。

所述自然加宽的线型因子f_N(v-v₀)的表达式为：

$f_N(v-v_0)=\frac{1}{\pi }\frac{{\alpha }_N}{{(v-v_0)}^2+{\alpha }_N^2}---\left(8\right)$

其中α_N为自然加宽的半宽度，并且，自然加宽的半宽度α_N的表达式为：

${\alpha }_N=\frac{1}{4\mathrm{\pi c\tau }}---\left(9\right)$

其中，τ是高能级的寿命。

所述压力加宽的线型因子f_L(v-v₀)的表达式为：

$f_L(v-v_0)=\frac{1}{\pi }\frac{{\alpha }_L}{{(v-v_0)}^2+{\alpha }_L^2}---\left(10\right)$

所述多普勒加宽的线型因子f_D(v-v₀)的表达式为：

$f_D(v-v_0)=\frac{1}{{\alpha }_D\sqrt{\pi }}\exp [-{\left(\frac{v-v_0}{{\alpha }_D}\right)}^2]---\left(11\right)$

步骤1)中利用多通道微波辐射计测量大气水汽分子数密度廓线及大 气温度廓线；

步骤1)中利用大气压力传感器测量近地面处大气压强，然后根据近地面 处大气压强得到大气压强廓线。

多通道微波辐射计是一种常用的测量大气水汽浓度和大气温度廓线 的测量仪器，并且配备有近地面常规气象传感器，可以测量近地面大气 湿度、大气温度和大气压强。利用近地面大气压强测量值通过相关计算 公式就可以得到大气压强随高度分布廓线。这样利用多通道微波辐射计 可以给出大气水汽浓度、大气温度和大气压强这三个参数的高度分布廓 线。

多通道微波辐射计测量22GHz～32GHz以及51GHz～60GHz频率段 中的大气辐射，通过观测来自于水汽线压力增宽的辐射强度和形状的信 息，可以得到大气水汽浓度廓线，即利用22.235GHz水汽吸收峰及其右 边带的谱型反演大气中水汽浓度廓线，利用60GHz氧吸收峰及其左边带 的谱型反演大气温度廓线，并通过测量近地面的大气压强得到大气压强 廓线，进而结合大气分子吸收光谱参数数据库(HITRAN)资料，利用相关 大气水汽分子谱线吸收强度和连续吸收强度算法，以及压力加宽、多普 勒加宽和自然加宽算法，即可给出大气水汽吸收系数廓线。