使用GLOBE手持式太阳光度计测量大气气溶胶光学厚度

摘要

本文所介绍方法的目的是测量大气的气溶胶光学厚度。将太阳光度计对准太阳，并记录内置数字电压表上获得的最大电压读数。同时进行大气参数测量，如大气压和相对湿度。

摘要

本文介绍了使用 GLOBE 手持式太阳光度计测量气溶胶光学厚度的方法。气溶胶光学厚度（AOT）在中国台湾路易斯安那泽维尔大学（XULA，北纬 29.96°，西经 90.11°，海拔 3 米）进行测量。测量在两个不同波长（505 nm 和 625 nm）下进行，每天测量 6 次（上午 7 点、上午 9 点、上午 11 点、太阳正午、下午 3 点和下午 5 点）。本文展示的数据为太阳正午时段测得的月平均 AOT 值。在每次测量时，每个通道至少采集五个太阳光电压 V 和暗电压 V_dark 的读数，取这五次测量的平均值作为该时段的代表值。同时测量其他气象数据，如温度、地表气压、降水量和相对湿度。整个测量流程在 10–15 分钟内完成。利用在 505 nm 和 625 nm 波长下测得的 AOT 值，进一步外推得到 667 nm、551 nm、532 nm 和 490 nm 波长下的 AOT 值。将实测和外推的 AOT 值与最近的 AERONET 站点 Wave CIS 第 6 号站（AERONET，北纬 28.87°，西经 90.48°，海拔 33 米）的数据进行比较，该站点位于 XULA 以南约 96 公里处。本研究追踪了从 2017 年 9 月至 2018 年 8 月共 12 个月期间 AOT 的年际和日变化。我们还比较了在 XULA 站点两台独立校准的 GLOBE 手持式太阳光度计所获取的 AOT 数据。结果表明，两台仪器的测量结果高度一致。

引言

大气气溶胶是悬浮在空气中的微小固体和液体颗粒（尺寸范围从亚微米到毫米级）。一些气溶胶由人类活动产生，另一些则由自然过程产生^1,2,3,4。大气中的气溶胶通过散射或吸收太阳光和热辐射，减少到达地球表面的太阳能量。大气中气溶胶的含量随地点和时间有显著变化。其变化包括季节性和年际变化，也包括由大规模沙尘暴、野火或火山喷发等事件引起的偶发性变化^5,6,7,8。

气溶胶对气候和公共健康的影响是当前环境科学研究中的主要课题之一。气溶胶通过散射或吸收来自太阳的光和热辐射，以及在云的形成过程中充当凝结核，从而影响天气。气溶胶还在空气中病原体的传播中发挥作用，并可能引发或加剧呼吸系统和心血管疾病。气溶胶光学厚度（AOT）是衡量这些气溶胶吸收或散射太阳光程度的一个指标。目前有多种基于地面的方法可用于监测AOT^9,10,11。其中规模最大的地面AOT监测系统是气溶胶机器人网络（AERONET）项目。AERONET是一个由遍布全球的400多个监测站组成的网络^12,13。尽管监测站点数量众多，但全球范围内仍存在大量未被覆盖的监测空白区域。例如，距离我们研究地点最近的AERONET站点约有90公里远。本文介绍了一种便携式手持太阳光度计的使用方法，可用于填补AERONET监测站之间的空白。这种便携式手持太阳光度计是全球范围内学生参与全球气溶胶监测网络的理想仪器^14,15。全球学习与观测促进环境项目（GLOBE）为这一网络提供了平台，覆盖美国全部50个州以及近120个其他国家的数千所学校^16,17。GLOBE项目的核心理念是利用全球各地的学生，借助低成本设备获取具有科学价值的环境参数测量数据。在适当指导下，学生和其他非专业人员可以组成手持太阳光度计网络，填补AERONET监测站之间的空白。手持太阳光度计的最大优势在于其可被带往世界最偏远的地区。过去，使用其他小型且可移动的仪器进行AOT测量已成功应用于偏远和难以到达地区的科学研究^17,18

本研究的主要目标是利用 GLOBE 手持式太阳光度计，追踪 XULA 研究站点气溶胶光学厚度（AOT）的年度、每日及每小时变化，并与附近 AERONET 站点的测量结果进行比较。本文展示了从 2017 年 9 月到 2018 年 8 月为期 12 个月的数据。这是首次在 XULA 站点记录的 AOT 数据。GLOBE 太阳光度计在两个波长（505 nm 和 625 nm）测量 AOT。位于 Wave CIS 第 6 号站点的 AERONET 站点则在 15 个不同波长测量 AOT。在比较中，我们重点关注以下 4 个波长：667 nm、551 nm、532 nm 和 490 nm。选择这些波长的原因是它们是 AERONET 中最接近 GLOBE 太阳光度计测量波长的 4 个波长。为了进行比较，我们对 XULA 站点在这些波长处的 AOT 值进行了外推。

在天气条件允许的情况下，每天都会进行 AOT 测量。当太阳附近存在卷云时所进行的测量将被排除在分析之外。表 1 显示了每个月天空完全晴朗的天数。总体而言，约有 47% 的采集数据被排除。

月份	9月	10月	11月	12月	1月	2月	3月	4月	5月	6月	7月	8月
天数	18	20	16	15	15	15	16	15	18	15	15	16

表1：AOT测量每天进行6次（上午7:00、上午9:00、上午11:00、太阳正午、下午3:00和下午5:00）。 图中显示的数据为太阳正午时测得的月平均AOT值。在每次测量时，每个通道至少采集五个太阳光电压V值和暗电压V_dark值。这五次测量的均值被用作该测量时刻的平均值。这些测量的误差由这五次测量值的标准偏差计算得出。AOT值通过以下公式获得¹⁶：

V₀ 是太阳光度计的校准常数，R 是以天文单位表示的地球-太阳距离，V_dark 是当光线被阻挡无法通过太阳光度计顶部支架上的孔时记录的暗电压，V 是当光线通过太阳光度计顶部支架上的孔时记录的太阳光电压，a_R 表示由瑞利散射引起的光衰减，P 和 P₀ 分别表示测量的大气压和标准大气压，m 为相对空气质量。相对空气质量由美国国家海洋和大气管理局（NOAA）提供的数据计算得出。同时测量的其他气象数据还包括温度、降雨量和相对湿度。上述公式1包含了臭氧对光学厚度的贡献。臭氧对气溶胶光学厚度（AOT）值的影响是基于臭氧吸收系数的查表值以及对大气中臭氧含量的假设进行计算的¹⁹。Bucholtz^20,21 已根据标准大气模型提供了 a_R 的查表值。对于505 nm通道，a_R ≈ 0.13813，而对于625 nm通道，其值约为0.05793。

本文展示的数据示例说明了如何组织学生团队开展长期、持续的大气气溶胶光学厚度（AOT）测量。在本研究中，两个学生团队使用两台独立校准的GLOBE手持式太阳光度计，对中国台湾XULA观测点的大气气溶胶光学厚度的年际、日间和小时变化进行了监测。本研究所使用的两台GLOBE太阳光度计购自地球科学研究与教育研究所（IESRE）；其中一台序列号为RG8-989，另一台序列号为RG8-990。在合并两台仪器的数据之前，进行了回归分析以确定二者数据的一致性

方案

1. 光度计操作

注意：这些实验方案最好由两人协作完成。一人负责持握并校准太阳光度计，另一人记录测量结果。

1. 使用 GPS 测量该地点的经度和纬度。在现场，首先通过从传感器菜单中选择传感器设置并选择 GPS 来启动 GPS。一旦 GPS 接收到足够多的卫星信号，就会显示纬度和经度值。数值显示后，按下“采集数据”，然后按下“保存”。
2. 确保太阳光度计工作正常。经过适当校准的太阳光度计在室内应产生约 0.03 V 的稳定电压，当光线直接照射到探测器时，电压可高达 5 V。Globe 太阳光度计上的电压表已内置在仪器中。
3. 记录空气温度。如果使用玻璃酒精温度计，请在记录稳定读数前让温度计有 3–5 分钟时间适应外界温度。如果使用太阳光度计内置的温度计，请将旋转开关调至 T 档，并记录电压表上的电压读数。将该电压读数乘以 100，即可得到当时以摄氏度为单位的空气温度。
4. 将旋转开关设置到太阳光度计的绿色通道。
5. 由一人将太阳光度计对准太阳，使穿过顶部支架小孔的光线在底部支架的彩色圆点上形成一个居中的光斑。为获得最佳效果，建议使用桌子和椅子。操作者应坐在椅子上，并将手臂放在桌面上，以保持读数稳定。
6. 由第二人记录电压表上的读数。在读取数据前，确保光斑稳定地位于圆点上。如果电压读数波动，仅记录所显示的最大值。
7. 记录读数获取的时间。时间必须精确到最近的 30 秒。数字手表比模拟手表更适合此用途。
8. 获取暗电压。由坐着的人用一只手保持太阳光度计对准太阳，同时用另一只手的手指遮住顶部支架的小孔。第二人记录此时的电压读数。
9. 将旋转开关设置到红色通道，并重复步骤 1.4–1.7。
10. 重复步骤 1.4–1.8 四次，共获得绿色通道的五个电压读数和红色通道的五个电压读数。
11. 再次按照步骤 1.2 的方法测量空气温度。

2. 元数据的收集

1. 使用Globe云图观察并记录太阳附近的云。方法是仰望天空，并根据GLOBE云图（https://www.globe.gov/documents/348614/24331082/GLOBE+Cloud+Chart.）勾选所观察到的特征。卷云通常具有细丝状的特征，因此可见的卷云较容易识别。若在看似晴朗的日子里，太阳光电压读数低于0.5 V，则可推断存在不可见的卷云。
   1. 使用湿度计测量并记录相对湿度：将湿度计水平伸出远离身体，置于空气中约3分钟，先读取干球温度，再读取湿球温度。计算两个读数之差，并利用相对湿度对照表确定相对湿度
   2. 使用气压计测量并记录大气压力。
2. 将测得的数值和常数代入上述公式1，计算气溶胶光学厚度（AOT）。

3. 温度调节

注意：太阳光度计的电子元件对温度敏感。为获得最佳性能，建议采取以下步骤。

1. 如果室外温度比室温低 5 度以上 ，在不使用时应将太阳光度计用隔热泡沫包裹。
2. 在炎热的夏季进行测量时，不使用太阳光度计时应将其置于阴凉处。

结果

GLOBE 太阳光度计在 λ = 505 nm 和 λ = 625 nm 波长下测量气溶胶光学厚度（AOT）。位于 Wave CIS 第6号站点的 AERONET 站点在15个不同波长下测量 AOT。在本研究的比较中，我们重点关注 AERONET 站点的以下4个波长：667 nm、551 nm、532 nm 和 490 nm。为了在两个站点之间进行比较，我们利用 XULA 站点的 Ångström 系数，将 XULA 站点的 AOT 外推至 667 nm、551 nm、532 nm 和 490 nm。对于任意给定站点和仪器，光学厚度 τ、波长 λ 与大气浑浊度系数 β 之间通过 Ångström 浑浊度公式相关联

讨论

本方案的第一步是确定研究地点。这一步通过使用GPS获取研究地点的经度和纬度来完成。经度和纬度数值对于利用公式1计算AOT至关重要。在测量过程中，必须将手持式太阳光度计准确且稳定地对准太阳。手持式太阳光度计顶部支架上的小孔可减少到达其内部LED探测器的散射光量。公式1是一个近似计算公式，其假设条件为没有散射光能够通过顶部支架的小孔。如果太阳光度计正确对准太阳，则该假设引入的误差相比于测量中的其他误差来源可忽略不计^22,23,24。太阳光度计中的LED对极端温度敏感。在炎热的夏季，不使用时必须将太阳光度计置于阴凉处。在寒冷的冬季，两次测量之间必须用保温防护布包裹太阳光度计。在极寒环境中，整个测量过程中都必须采取保温防护措施。当正常工作时，太阳光度计在黑暗中读数应为几毫伏，直接对准太阳时读数应在1.0 V至3.0 V之间。当太阳无云遮挡时，使用太阳光度计进行的测量结果是可靠的。佩戴琥珀色镜片的太阳镜有助于识别肉眼难以察觉的淡薄云层

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
经过校准的 GLOBE 手持式太阳光度计	IESRE, 美国 (GLOBE 太阳光度计) 和 TERNUM, 英国 (Calitoo 太阳光度计)		GLOBE 太阳光度计用于测量 505 nm 和 625 nm 波长下的气溶胶光学厚度 (AOT)。
气压计	Forestry Suppliers, 美国, 货号# 43316	43316	无液气压计必须具有清晰的刻度，压力测量范围应在 940 至 1,060 毫巴之间。
GLOBE 云图识别卡	Forestry Suppliers, 美国, 货号#33485	33485	免费的云图识别图表可从 www.globe.gov 获取。
湿度计	Forestry Suppliers, 美国, 货号# 76254	76245	任何能够测量 20% 至 95% 相对湿度范围、精度为 ±5% 的数字湿度计均可使用。
Labquest2 GPS	Vernier, 美国, 货号 LABQ2	LABQ2	Vernier LabQuest 2 是一种独立式数据采集接口，内置图形绘制和数据分析应用程序，GPS 是其内置传感器之一。
Taylor 兰花专用温度计	Forestry Suppliers, 美国, 货号# 89129	89129
手表	Forestry Suppliers, 美国, 货号# 39137	39137	手表必须为数字式，并能精确测量到秒。