南海区域红外波段大气透过特征分析

吉 微，齐琳琳，安 洁

（空军装备研究院航空气象防化研究所，北京 100085）

南海区域红外波段大气透过特征分析

吉 微，齐琳琳，安 洁

（空军装备研究院航空气象防化研究所，北京 100085）

利用MODTRAN大气辐射传输模型，输入我国南海区域大气廓线数据，对比分析气溶胶对红外波段大气透过特性的影响。研究表明，气溶胶、温度和季节对该波段在大气中传输均有一定影响；南海区域大气透过率随季节变化很大，夏季比冬季小10%以上，00时大气透过率略大于12时；采用近似国外模式大气带来的误差最大可达到50%以上。该研究结果充分说明：在红外波段大气透过率计算中引入实际大气廓线数据具有重要的军事和工程应用意义。

大气透过率；实际大气廓线；MODTRAN

大气参数廓线是计算大气透过率过程中非常重要的参数。目前国内外流行的辐射传输软件中所用到的大气参数廓线都是前美国空军地球物理实验室(AFGL)建立的6种标准大气模式，分别为热带(15°N)、中纬度夏季(45°N，7月)、中纬度冬季(45°N，1月)、副极地夏季(60°N，7月)、副极地冬季(60°N，1月)和1976年美国标准大气。这6种模式只考虑了大气参数随地理纬度和季节的变化[1]。我国幅员辽阔，不同地区、不同海域制大气廓线存在较大差异，对透过率的影响也各不相同。

由于目前缺少我国标准大气模式，因此在大气透过率研究方面多采用国外大气模式来近似计算，特别在海洋范围内，缺乏相应观测资料，海洋环境下红外波段的大气透过率特征更无参考资料[2]。饶瑞中等[3]指出，简单套用国外标准大气模式不仅在技术上不可靠，而且会产生不同层面的误导作用，甚至可能带来严重后果。鉴于此，本文详细分析了南海区域各个季节及年度平均大气廓线数据，并将分析所得数据带入大气辐射传输模型MODTRAN，详细分析了实际大气廓线对3～5 μm和8～12 μm红外波段大气透过率变化特性，为后续基于实际大气廓线的探测距离计算提供可靠的数据保障，具有十分重要的军事和工程应用价值。

1 南海区域大气参数廓线

收集南海区域504个站点的00时和12时4个季节及年度平均NCEP资料，提取几何高度（km）、气压（hPa）、温度（K）、相对湿度（%）廓线，覆盖 122°E～145°E，5°N～25°N。由于探测能力有限，现有探空数据缺乏CO2、O3、N20、CO、CH4、O2等主要吸收气体的密度数据，而这些气体含量随时间和地域变化不大，因此采用中纬度相应季节的标准大气数据代替[4]。

从图1可以看出，季节气压变换趋势非常接近，不同季节温度和水汽廓线差异较大。无论任何季节，气温均随高度上升而递减。而影响大气传输的主要因子是水汽，在2 km以下各季节相对湿度相差不大，且随高度的变化也不大，但在2 km以上，差别就变得十分明显了。在2 km以下相对湿度均较大，一般都在70%以上，2 km以上随高度减小，特别是冬季，在2～5 km相对湿度直减率最大，到5 km以上相对湿度基本维持在10%以下。在同一高度上，均以夏季的相对湿度大，冬季小。由此可初步判定相同区域不同季节对红外辐射衰减的程度存在差异。从夏季水汽廓线看，在5 km以下有较明显的逆温层，而冬季则不存在；整体看来10 km以上水汽含量非常少，由于该区域纬度在5°N～25°N，因此可以看出冬、夏季气温差异较大；总的来说温度和水汽含量在夏季的值大于冬季。

2 MODTRAN辐射传输软件

目前较为常见的大气透过率计算主要采用实验室模拟和辐射传输模型计算两种方式[3]。研究采用MODTRAN辐射传输模型分别就3～5 μm和8～12 μm红外波段计算路径上的平均大气透过率[5]。MODTRAN软件由美国空军地球物理实验室研发，适用于非常宽的电磁波谱范围（0～50 000 cm-1，0.2 μm-∞），其光谱分辨率可达 2 cm-1，能够计算复杂大气条件下多种辐射传输量。

MODTRAN包括以标准大气作为高度函数的温度、压力、密度以及水汽、臭氧、甲烷、一氧化碳和一氧化二氮等30种气体混合比的6种自带标准大气模型，同时预留用户自定义大气模型接口，方便用户接入实际大气廓线数据。此外，模式中还包括具有代表性的气溶胶、云、雨、雾模型，为复杂大气环境下的大气透过特性研究提供支持，用户还可根据实际需要选择水平、垂直、倾斜向上和向下传输路径[6]。

本文利用MODTRAN提供的标准大气模型和南海区域实际大气廓线数据分别计算不同气溶胶类型下大气环境对红外波段大气透过率的影响，同时对比分析标准大气模式和实际大气廓线两种情况下计算所得透过率的相对误差。

3 不同气溶胶模式下平均大气透过率变化特征

气溶胶是指悬浮在地球大气中具有一定稳定性、沉降速度小、尺度范围在0.001 μm到几十微米之间的分子团、液态或固态粒子所组成的混合物。由于在分析气溶胶的衰减影响时，对具有明显时空特征的气溶胶粒子尺度、复折射指数、浓度及其高度分布等物理特征难于现场测量，因此通常都是利用依据试验观测结果总结而成的各类特征模型来加以应用的。目前模型中常用的气溶胶模型有乡村气溶胶、城市气溶胶、海洋气溶胶。下面首先考虑不同的气溶胶类型对3～5 μm和8～12 μm红外波段平均大气透过率所造成的影响。

分析中传输路径为斜程，只考虑大气分子的影响，不考虑云雨气溶胶的影响，目标位于地面，传输距离为5 km，天顶角取55°，将上述路径数据和实际大气廓线数据带入MODTRAN辐射传输模式进行计算[7]。对比分析结果如图2～图5所示。可知，相同时次，相同气溶胶类型下标准模式大气与实际大气廓线计算所得透过率有明显差异，夏季的平均透过率比冬季小10%以上，特别是8～12 μm波段，夏季的平均透过率比冬季小40%以上，00时透过率略大于12时次，主要因为8～12 μm波段大气透过率受水汽影响最大，因此在计算大气透过率时必须考虑季节和时间变化。

对3～5 μm波段而言，平均大气透过率由大到小的顺序是无气溶胶、23 km乡村、23 km海洋、5 km乡村、5 km城市；而8～12 μm除热带大气模式和中纬度夏季模式中23 km海洋和5 km城市影响较为特殊外，其余均与3～5 μm波段气溶胶影响效果一致。

4 国外模式近似误差分析

由于国际上流行的辐射传输软件缺乏我国的大气模型，一些科研人员多采用标准模式大气对我国区域进行替代，如西北地区用中纬度冬季大气模式代替，沿海地区用热带大气代替，大陆用中纬度夏季代替。图6～图7显示用近似大气模型代替我国实际区域计算得平均大气透过率的相对误差，由图6可以看出，对3～5 μm波段透过率来说5 km城市气溶胶模型的标准大气误差最小，仅为0.21%，5 km城市热带大气模式误差最大达20.66%；图7中对8～12 μm波段透过率来说热带大气模式下几种气溶胶模型误差均在57%以上，误差最小的中纬度冬季也在5%左右。由此可知，用近似大气模式计算将造成很大误差，具体差别视月份、波段而定，最大可达50%以上。

5 总结和展望

我国幅员辽阔、地形复杂决定了我国的大气条件各个区域千差万别，通过引入南海区域大气廓线数据计算红外波段大气透过率，分析红外大气透过率随季节变化特征得出以下结论：在南海区域基于实际大气廓线数据的红外大气透过率随季节变化非常明显，夏季比冬季小10%以上，特别是在8～12 μm波段，00时大气透过率略大于12时，但差别较小。同时分析了采用国外大气模式近似计算可能带来的误差，该误差大小在不同波段、不同季节均有较大差异，可达50%以上。

[1]王充，汪卫华.红外辐射大气透过率研究综述[J].装备环境工程,2011,8(4)∶73-76.

[2]周祖刚，王伟民，姜勇强，等.沿海地区大气透过率的特征分析[J].解放军理工大学学报（自然科学版）,2003，4（5）：89-91.

[3]饶瑞中，乔延利，魏合理，等.中国典型地区大气光学特性及其应用[J].大气与环境光学学报，2007，2（6）：401-408.

[4]陈秀红,魏合理.基于中国典型地区大气模式的红外透过率变化特征[J].激光与红外，2008，11（38）：1090-1093.

[5]叶玉堂，刘爽.红外与微光技术[M].北京：国防工业出版社，2010：19-29.

[6]刘伟超，齐琳琳，何宏让，等.1.06μm激光大气透过特性的数值计算研究[J].激光与红外，2011，5（5）：520-524.

[7]路远.斜程红外辐射大气透射率的简易计算[J].红外与激光工程，2007，36（增刊）：423-426.

Analysis of Infrared Band Atmospheric Transmittance over the South China Sea

JI Wei,QI Lin-lin,AN Jie
(Institute of Aviation Weather,Air Force Academy of Arming,Beijing 100085,China)

Inputting the South China Sea actual atmospheric profile data to the MODTRAN model,comparative analysis of aerosol transmission characteristics of the infrared band was given.The studies show that the aerosol,temperature and season could affect this band’s transfer in the atmosphere;the atmospheric transmittance changes with the seasons,in summer less than in winter 10%,under the same circumstances atmospheric transmittance 0:00 is slightly larger than the 12:00.The error caused using approximate model atmosphere abroad can reach more than 50%.The results fully explained that the introduction of the actual atmospheric profile data have important significance of the military and engineering applications.

atmospheric transmittance;actual atmospheric profile data;MODTRAN

TP79

A

1003-2029（2013）01-0056-04

2012-09-20

国家高技术研究发展计划（863计划）资助项目（2012AA091801）；预研基金资助项目（9140A220611JB09）；国家自然科学基金资助项目（41205044）

吉微（1981-），女，工程师，主要研究方向为大气红外制导仿真。Email:k7sjiwei@sina.com