云遮挡对海上红外透过率影响分析

吉微,齐琳琳,邢平,杨国鹏

(93213部队, 北京 100085)

0 引 言

电磁波在大气中传输,经过大气衰减后的电磁辐射通量与入射电磁辐射通量的比值即为大气透过率。大气透过率直接影响红外辐射传输,同时大气透过率受大气环境影响很大,地球表面不同区域、不同高度层的大气压强、湿度、温度、气体密度等分布不均,并且在较短时间内会产生明显变化,直接影响大气透过率。大气透过率通常通过直接实测获得或利用间接模式计算,直接实测受场地、设备和天气环境等因素影响,实施较为困难;更多研究利用大气辐射传输软件,通过改变参数输入实现大气透过率模拟仿真计算。计算灵活方便的大气辐射传输软件MODTRAN提供了美国空军地球物理实验室按纬度和季节等划分的6种大气模式,同时提供了实际大气环境参数输入接口。现有相关研究多利用MODTRAN自带的6种大气模式计算特定地区的大气透过率,与输入该地区实际大气参数相比,因此必然会产生较大误差。陈秀红等[1]指出直接使用模型自带的大气或国外标准大气模式研究我国典型地区红外透过率变化,必将存在计算误差,造成一定程度的误导,可能带来严重后果,应该在获取研究范围内各个典型地区大气光学特性统计特征的基础上计算透过率。鉴于实际大气环境的红外辐射特征研究对于提升红外系统性能具有重要意义,而基于真实大气环境的红外辐射特性的研究还远远没达到实际的应用需求,因此了解掌握研究区域海上基本大气环境参数特征,依据大气辐射传输和衰减机理,将海上真实大气参数作为输入,开展云对海上大气透过率分布特征的影响研究,对于深入讨论大气环境对海上红外辐射传输的影响具有重要意义。

此前,根据辐射传输理论就大气对红外制导波段透过特性的影响进行了较为详细的研究[2],分析了不同地区的实际大气条件、不同传输路径和云雨环境对大气透过率的影响。但这些分析结论均是在搜集整理不同区域实际大气数据而云雨条件采用MODTRAN模型自带数据的情况下计算所得,模式自带云雨条件使得计算得以简化,便于分析不同区域实际大气环境(特别是沙漠和海洋等为下垫面)、实际大气条件下不同季节、不同时间以及不同传输路径等因素对大气透过率的影响。但在实际应用过程中,除了真实气象条件和模式自带气象条件对计算结果有一定影响外,很少有人考虑在真实大气条件下天空中的云对计算结果的影响。现实环境中云覆盖着60%以上的天空[3,4],瞬息万变、形态各异、不同尺度的云通过反射太阳辐射、吸收地球红外辐射直接影响地气系统辐射收支,单层或多层垂直分布的云引起的辐射加热和辐射冷却对大气动力、热力、水循环和地球辐射收支等均有重要影响[5]。云在短波段能够反射入射的太阳辐射而在长波段能够吸收和发射长波辐射。王毅等[6]和曹炳炜等[7]分别利用Lund的无云视线概率模和云参数详细分析了有云天气条件对红外目标识别的影响,由此可确信大气环境特别是云对红外成像带来的影响不容忽视。仅简单利用模型自带的大气模式和云参数,计算所得结果无法客观真实反应云对透过率的影响,应该以实际大气环境数据为基础,充分考虑云底高度、云厚等云参数信息。本文以辐射传输原理为基础,利用MODTRAN模型,以区域实际大气数据为输入,通过改变MODTRAN自带云参数,分析了云遮挡对海上大气透过率计算的影响。

1 数据与方法

1.1 研究区域及数据来源

海洋上空的云对短波辐射的影响会直接引起海表温度变化,同时海表温度变化通过影响边界层热量和水汽通量影响云。海表温度和云作为分别表征海洋和大气状况的物理量一直受到研究者关注,本工作选取海上区域100°E～150°E,0°N～35°N开展研究,充分考虑该区域的海表温度和云参数。

数据资料采用2017年NCEP/NCAR再分析数据集,该数据采用当今最先进的全球资料同化系统和完善的数据库,对地面、船舶、无线电探空、探测气球、飞机、卫星等各种来源的观测资料进行质量控制和同化处理,从而获得完整的再分析资料集。其中,逐日再分析资料包含四个时次(02:00,08:00,14:00,20:00)、17个等压面层(1000,925,850,700,600,500,400,300,250,200,150,100,70,50,30,20,10 hPa)的温度、相对湿度等,如表1所示。

表1 等压面资料说明Table 1 Description of isobaric surface information

大气压高公式[8]表示为

式中:Hs为标准等压面的海拔高度,H0为监测站的海拔高度,R=8.3142×103N·m·(kmol·K)−1,g=980 cm·s−1,m=28.9644 kg·kmol−1,P0为地面气压,Ps为气柱平均高度。利用式(1)将数据资料中的等压面转换为等高面,从而获得2017年12个月逐日四个时次的大气廓线数据。

1.2 模型方法

目前国际上通用的计算大气透过率的辐射传输模型主要有低分辨率大气透过率计算软件LOWTRAN、中分辨率大气透过率计算软件MODTRAN和逐线积分辐射传输模式LBLRTM等。其中,MODTRAN光谱分辨率较高,应用广泛,能够计算不同大气条件下的透过率,使用高分辨率分子吸收参数HITRAN数据库,采用带模式方法计算,光谱分辨率可达2.0 cm−1;MODTRAN软件还自带6种标准大气模式,方便选择气溶胶类型、路径、地表类型和云状等,能够自由输入能见度、云底高、云顶高和云厚等参数,留有用户自定义大气廓线接口,满足分析研究需求,因此选用MODTRAN模型按照以下步骤开展计算分析:

1)利用多元大气压高公式,精确计算得到以几何高度为垂直坐标的研究区域逐月大气廓线数据,从地面到10 km高度共分21层,作为MODTRAN用户自定义大气廓线的输入。

2)以3～5µm和8～12µm为研究波段,选取海洋型气溶胶,能见度设为5 km,路径设置为斜程路径,传感器高度H=1.5 km,传感器观察角度为斜下θ=30°,考虑多次散射和分子衰减。

3)在MODTRAN模型云参数选项中选择层云模式,传感器位置和观察角度固定,依据该海域云的卫星统计特征定义云厚为0.5 km,云底高度变化范围为1.4～1.7 km,分别计算两个波段标准大气和12个月实际大气透过率以及2月、8月四个时次的大气透过率。位置关系如图1所示。

图1 位置关系示意图Fig.1 Schematic diagram of location relationship

4)选择层云模式,传感器的位置和观察角度固定,同样依据该海域云的卫星统计特征定义云底高度为1.6 km,云厚变化范围为0.1～0.9 km,分别计算两个波段标准大气和12个月的实际大气透过率以及2月、8月四个时次的大气透过率。位置关系如图2所示。

图2 位置关系示意图Fig.2 Schematic diagram of location relationship

基于上述计算模型和条件得到不同月份、不同时次实际大气下云对红外波段传输透过特性的影响结果。

2 研究区域实际大气参数特征

图3给出了美国标准大气和研究区域内12个月平均温度、气压和湿度的大气廓线图。实际大气和标准大气间温度差异较大,同一高度层上标准大气温度最低;对比12个月的温度发现,同一高度层8月温度最高,2月最低,1 km以下高度温差最大接近8°C,随着高度增加各月份间的温差递减,5 km处温差在4.5°C左右,10 km以上小于2°C,即相同高度冬季温度最低,夏季温度最高,春秋季介于两者之间;标准大气的温度明显低于实际大气,与高度呈递减关系。对比标准大气和实际大气,2 km高度以下冬季气压最高,2～10 km秋季气压最高,2 km以下夏季气压最低,2～10 km标准大气气压最低,同一高度层气压的最大值和最小值之差均在25 hPa以内。从图中可以直观看到,相同高度实际大气和标准大气的气压曲线几乎黏合在一起,差异非常小,不同月份的实际大气气压差异也非常有限。相比温度和气压,湿度曲线差异最为明显,湿度曲线显示1 km以下以及7 km以上标准大气明显区别于实际大气走势,1 km以下标准大气湿度曲线随着高度增加逐渐递减,1～2 km之间湿度随高度变化不大,随后在2 km以上随着高度增加湿度递减,8 km附近出现拐点;实际大气在1 km以下随着高度增加湿度递增,在1～2 km之间随着高度增加湿度明显递减,一直到4 km附近,4 km以上区域随着高度增加湿度变化不大。对比相同高度层最大湿度与最小湿度差,在3 km高度以下,湿度差在10%以内,随着高度增加湿度的最大值和最小值之差逐渐增加,在10 km处达到最大,接近50%。即实际大气12个月湿度间存在较大的数值差异,但走势趋于一致,标准大气与实际大气无论数值还是走势都存在较大差异。由此可初步判断对于红外辐射传输产生影响的主要因素为温度和湿度。

图3 标准大气与实际大气12个月温度(a)、气压(b)、湿度(c)廓线Fig.3 Temperature(a),pressure(b)and relative humidity(c)profile of standard atmosphere and actual atmosphere

图4 标准大气与实际大气2月和8月不同时次温度(a)和湿度(b)廓线Fig.4 Temperature(a)and relative humidity(b)profiles of actual atmosphere at different time in a whole day in February and August and standard atmosphere

以2月和8月4个时次为例,对比分析标准大气与实际大气差异较大的温度和湿度廓线。相同高度标准大气温度最低,8月最高,2月居中,2月和8月各个时次间差异不明显。与温度相比,湿度变化较为复杂,标准大气与实际大气以及实际大气不同月份、不同时次的曲线间均存在较大差异。标准大气湿度曲线的走势随海拔高度的增加而递减,且底层递减速度较快,当高度超过1.2 km后递减速度趋于缓和;海上实际大气湿度变化比较复杂,除去0.4 km以下大气湿度变化更为复杂外,总体看来相同高度8月各个时次的湿度均大于2月。2月12:00湿度最低,8月08:00和02:00最大,8月14:00在0.3 km高度以下比2月12:00小,并且湿度随着高度增加迅速增加。0.4～1.4 km高度区间内2月和8月各个时次湿度变化趋势趋于一致。标准大气湿度廓线的拐点出现在1 km高度附近,1 km以下随着高度的增加湿度递减,且速率较快,在1～2 km高度区间内湿度曲线接近垂直。实际大气的拐点出现在0.7～0.9 km高度区间,各个时次湿度在拐点区间高度以下总体趋势随着高度增加而增加,而在拐点区域以上高度随着高度增加而递减,1.4 km以2月、8月走势差异更为显著,2月各个时次湿度随高度增加锐减,而8月各个时次湿度随高度增加减小速度明显小于2月。

由此可见,实际大气与标准大气间存在较大差异,这些差异在大气红外辐射计算时会导致计算误差,特别是10 km以下误差会比较明显。因此,采用区域实际大气数据进行大气透过率计算,对于有效评估实际大气条件变化对红外辐射传输的影响十分必要。

3 结果分析

大气环境中引发温湿变化的最关键因素之一就是云。考虑到云对红外大气辐射传输的重要影响,基于研究区域实际大气参数环境,以3～5µm和8～12µm为研究波段,开展了既定高度、既定角度下的云底高、云厚对大气透过率影响的研究。

3.1 云底高变化对红外大气透过率的影响

图5为两波段逐月大气透过率随云底高度变化的分布。

计算结果中,当云底高度超过1.63 km,计算所得透过率均与1.63 km高度一致,因此云底高度在1.63～1.70 km范围内的计算结果在图中不再表示。由图可知,云底高在观测点高度之上时,越远离观察点,两波段透过率相对越大,反之,越接近观测点透过率越小,云底高在观测点以下时几乎无透过。云底高在1.55～1.7 km之间变化时,两波段透过率在既定云底高处的逐月分布均呈现凹字形,各月间相差不大,但均与标准大气下的透过率相差明显。相对而言,冬季(2月)最好,春秋次之,夏季(8月)最差。云底高从1.55 km降为1.5 km时,两波段的透过率出现锐减,到1.5 km处仅维持在0.05左右。总体而言,8～12波段的透过率始终明显大于3～5的。由此可见,同一云层厚度下,随着云底高度增加,探测器由云层上方穿越到云层下方。对于云底高度1.4 km的云层,探测光路会穿过全部云层,几乎没有透过能力;对于云底高度1.45～1.5 km的云层,探测光路会穿过部分云层,透过能力很弱;对于云底高度1.55 km以上的云层,探测光路不会穿过云层,透过能力随高度增加而增强,故而透过率变化呈现随云底高度升高而增大的趋势。云底高度对大气透过率的影响,与探测器和云层的几何位置关系相关,探测器分别位于云层下方、内部和上方时,大气透过率随云底高度升高而增加。

以透过特性最好的2月和最差的8月为例,对两个月08:00、14:00、20:00、02:00时次的不同云底高度下的透过率进行了计算,计算结果如图6所示。由图可知,两个波段各月4个时次的透过特性差异不大,但均明显比标准大气差,其中8月最差。

图6 3～5µm(a)和8～12µm(b)波段标准大气及实际大气在2月和8月不同时次的透过率与云底高度关系Fig.6 Relation between transmittance and cloud base height for standard atmosphere,February and August actual atmosphere in different time in the band of 3 ～5 µm(a)and 8～12 µm(b)

3.2 云厚变化对红外大气透过率的影响

通过上文分析可以清楚了解在云厚不变的情况下,探测器在云上、云中、云下不同位置对大气透过率的影响非常显著。以下分析中将云底高度设定为1.6 km,即探测器在云下,且相对目标物的位置不变,云厚度从0.1 km增加至0.9 km,其他计算条件均不改变,从而寻找云厚变化与大气透过率之间的规律和特点。

图7为标准大气和实际大气两个波段大气透过率随云厚变化图。云层在观察点和太阳之间,当云厚较薄时对透过率影响较小,当云层厚度增加到500 m以上时,随着云层厚度增加透过率有较大衰减,即云层的遮光效应直接体现在计算结果上。与云底高影响类似,任何一个云厚条件下,两波段透过率在既定云厚处的逐月分布均呈现凹字形分布,各月间相差不大,但均与标准大气下的透过率相差明显。相对而言,冬季(2月)最好,春秋次之,夏季(8月)最差。相同计算条件下8～12µm波段的透过率始终明显大于3～5µm波段的透过率。由此可见,相同云底高度下,随着云厚的增加,即便观测点和目标点均在云层之下,依然会对大气透过率产生较大影响。

图7 3～5µm(a)和8～12µm(b)波段标准大气和实际大气大气透过率随云厚变化图Fig.7 Changes of atmosphere transmittance with cloud thickness for actual and standard atmosphere in the band of 3～5 µm(a)and 8～12 µm(b)

图8为两个波段标准大气和实际大气2月和8月不同时次的大气透过率与云厚关系图。由图可知,相同条件下标准大气透过率明显大于8月。鉴于2月和8月的实际温度和湿度存在较大差异,8月同时次透过率明显大于2月。相同月份不同时次相同云厚度条件下透过率几乎没有差异。云厚在0.1～0.4 km范围内对大气透过率几乎没有影响,当云厚超过0.5以后,随着云厚增加透过率明显降低。由此可见即便传感器在云层下方,云厚仍然对大气透过率有直接影响。

图8 3～5µm(a)和8～12µm(b)波段标准大气和实际大气2月和8月不同时次的透过率与云厚关系Fig.8 Relation between the transmittance and cloud thickness for standard atmosphere,February and August actual atmosphere in different time in the band of 3～5 µm(a)and 8～12 µm(b)

4 结 论

现有红外大气透过特性研究多以辐射传输理论为依据,利用MODTRAN、SBDRT和CART等大气辐射传输模型/软件,嵌入我国典型地区大气模式,以陆地为下垫面,不考虑云雨影响计算所得;另外部分研究以模式自带标准大气为计算背景[1,9],利用云微物理参数或无云视线概率模型等,开展云天气条件对红外辐射传输的影响研究[6,7]。这些研究或只考虑实际大气,忽略云雨影响,或只针对标准大气开展模型自带云型的影响研究,没有充分考虑海洋下垫面,海上气溶胶模型、海面上空温湿曲线特征与陆地下垫面的差异,缺乏既结合实际大气又同时考虑云型、云底、云厚三要素影响的研究,因此使得红外波段海上实际大气传输透过特性研究存在不足。

本工作以我国沿海地区实际大气构建大气参数廓线并嵌入成熟、通用的大气辐射传输模型,选取海洋气溶胶模型,以3～5µm和8～12µm为研究波段,开展了云底高、云厚变化对海上红外透过特性的影响分析,并与标准大气条件下的计算结果进行比对,得到以下结论:

1)不同区域、不同季节的海上大气环境参数如温度、湿度差异较大,对红外大气辐射传输造成明显影响,因此在实际应用中必须考虑真实大气特征。

2)当探测器与目标物位置确定后,探测器与云层的位置关系,即云底高度的变化直接影响红外透过率的计算结果,当探测器受到云层遮蔽,即云阻挡视线路径上光传播时,对红外探测产生直接影响;当探测器位于云层下方、内部和上方时,大气透过率随云底高度升高而增加,当云层位于探测器上方,并且超过一定距离后,云层的改变将不再影响红外探测的结果。

3)当探测器与目标物的位置确定后,且云层位于探测器上方较近距离时,云厚同样较大程度地影响光线传播。云层较薄时,对探测效果没有影响;随着云层的增厚,云的遮蔽效果直接影响红外探测性能,即当云层增厚到一定程度后,随着云厚增加探测能力递减。由此可见,在云没有阻挡视线路径上光传播的情况下,云厚的变化同样削弱了太阳的影响,视线路径上多次散射占主导作用,从而导致随着云厚增加目标识别同样会变得困难。

综上所述,建立辐射传输模型中区域实际大气廓线和动态云参数信息,对于有效评估实际大气条件变化对海上大气透过率的影响具有重要意义,尤其是云的影响与探测器和云层的几何位置关系相关,利用模型自带云参数,有针对性地分析了传感器与云的空间位置关系对大气透过率计算的影响。如何利用区域内实际云参数结合视线无云概率模型,从云的光学和微物理参数等方面更加准确地还原云对海上红外大气透过特性的影响,是下一步需要开展的研究重点。