Name: 用 GLOBE 手持式太阳测光仪测量大气气溶胶光学厚度 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2019-05-29T13:00:00.000+00:00
Duration: 6 min 27 s
Description: 学习使用GLOBE手持式太阳测光仪测量大气气溶胶光学厚度的方法。该技术适用于高中至大学生，可在偏远地区进行环境监测，为气候与空气质量研究提供可靠数据。

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本研究工作得到了美国国防部陆军研究办公室（DOD ARO）基金项目 #W911NF-15-1-0510 以及美国国家科学基金会启动研究奖（Grant No. 1411209）的资助。我们衷心感谢泽维尔大学物理与计算机科学系以及教育学部的支持。

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。
<ol>
	<li>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”。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
	<li>将旋转开关设置到太阳光度计的绿色通道。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
	<li>将旋转开关设置到红色通道，并重复步骤 1.4–1.7。</li>
	<li>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。</li>
	<li>再次按照步骤 1.2 的方法测量空气温度。</li>
</ol>
2. 元数据的收集
<ol>
	<li>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。
	<ol>
		<li>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</li>
		<li>使用气压计测量并记录大气压力。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>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）。</li>
</ol>
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。
<ol>
	<li>如果室外温度比室温低 5 度以上&#160;，在不使用时应将太阳光度计用隔热泡沫包裹。</li>
	<li>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。</li>
</ol>

<ol><li>Mondol, P. K., Mamun, M. M. I., Islam, M. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Construction+of+an+inexpensive+sun+photometer+to+measure+aerosol+optical+depth+and+comparisons+between+the+measured+data+and+satellite+observations%5BTitle%5D)+AND+%22American+Journal+of+Remote+Sensing%22%5BJournal%5D)">Construction of an inexpensive sun photometer to measure aerosol optical depth and comparisons between the measured data and satellite observations.</a> American Journal of Remote Sensing. 2 (5), 37-43 (2014).</li>
<li>Toledano, C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Overview+of+sun+photometer+measurements+of+aerosol+properties+in+Scandinavia+and+Svalbard%5BTitle%5D)+AND+%22Atmospheric+Environment%22%5BJournal%5D)">Overview of sun photometer measurements of aerosol properties in Scandinavia and Svalbard.</a> Atmospheric Environment. 52, 182-188 (2012).</li>
<li>Aerosol Protocol - GLOBE.gov. , Available from:
 <a target="_blank" href="https://www.globe.gov/documents/348614/e9acbb7a-5e1f-444a-bdd3-acff62b50759 ">https://www.globe.gov/documents/348614/e9acbb7a-5e1f-444a-bdd3-acff62b50759 </a> (2019).</li>
<li>Heintzenber, J., et al. The life cycle of the atmospheric aerosol. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aHeintzenber%2C+J+%22Topics+in+atmospheric+and+terrestrial+physics+and+chemistry%22">Topics in atmospheric and terrestrial physics and chemistry</a>. Boutron, F. , ISBN 2-86883-241-5, 2512-70 (1994).</li>
<li>Gong, W., Zhang, S., Ma, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Aerosol+Optical+Properties+and+Determination+of+Aerosol+Size+Distribution+in+Wuhan%2C+China%5BTitle%5D)+AND+%22Atmosphere%22%5BJournal%5D)">Aerosol Optical Properties and Determination of Aerosol Size Distribution in Wuhan, China.</a> Atmosphere. 5, 81-91 (2014).</li>
<li>Cisek, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Aerosol+Optical+Depth+variations+due+to+local+breeze+circulation+in+Kongsfjorden%2C+Spitsbergen%5BTitle%5D)+AND+%22Oceanologia%22%5BJournal%5D)">Aerosol Optical Depth variations due to local breeze circulation in Kongsfjorden, Spitsbergen.</a> Oceanologia. 59, 422-430 (2017).</li>
<li>Charlson, R. J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Climate+forcing+by+anthropogenic+aerosols%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">Climate forcing by anthropogenic aerosols.</a> Science. 255, 423-430 (1992).</li>
<li>Kohil, E. E., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+study+of+atmospheric+aerosol+optical+properties+over+Alexandria+city%5BTitle%5D)+AND+%22Egypt+Journal+of+Physics+Conference%22%5BJournal%5D)">A study of atmospheric aerosol optical properties over Alexandria city.</a> Egypt Journal of Physics Conference. 810, 012033(2017).</li>
<li>Altaratz, O., Bar-Or, R. Z., Wollner, U., Koren, I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Relative+humidity+and+its+effect+on+aerosol+optical+depth+in+the+vicinity+of+convective+clouds%5BTitle%5D)+AND+%22Environmental+Research+Letters%22%5BJournal%5D)">Relative humidity and its effect on aerosol optical depth in the vicinity of convective clouds.</a> Environmental Research Letters. 8, 034025(2013).</li>
<li>Jung, C. H., Shin, H. J., Lee, J. Y., Kim, Y. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Sensitivity+and+Contribution+of+Organic+Aerosols+to+Aerosol+Optical+Properties+Based+on+Their+Refractive+Index+and+Hygroscopicity%5BTitle%5D)+AND+%22Atmosphere%22%5BJournal%5D)">Sensitivity and Contribution of Organic Aerosols to Aerosol Optical Properties Based on Their Refractive Index and Hygroscopicity.</a> Atmosphere. 7 (65), (2016).</li>
<li>Sharma, N. P., Sapkota, B. K., Bhattarai, B., Kjeldstad, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Study+on+Aerosol+Optical+Depth+in+winter+and+Summer+Season+in+Bhaktapur%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+the+Institute+of+Engineering%22%5BJournal%5D)">Study on Aerosol Optical Depth in winter and Summer Season in Bhaktapur.</a> Journal of the Institute of Engineering. 8 (1), 269-276 (2009).</li>
<li>Mims, F. M. III <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((An+international+haze-monitoring+network+for+students%5BTitle%5D)+AND+%22Bulletin+of+the+American.+Meteorological+Society%22%5BJournal%5D)">An international haze-monitoring network for students.</a> Bulletin of the American. Meteorological Society. 80, 1421-1431 (1999).</li>
<li>Mielonen, T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Temperature-dependence+of+aerosol+optical+depth+over+the+southeastern+US%5BTitle%5D)+AND+%22Atmospheric+Chemistry+and+Physics+Discussion%22%5BJournal%5D)">Temperature-dependence of aerosol optical depth over the southeastern US.</a> Atmospheric Chemistry and Physics Discussion. , (2016).</li>
<li>Coakley, J. A., Cess, R. D., Yurevich, F. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+effect+of+tropospheric+aerosols+on+the+earth%E2%80%99s+radiation+budget%3A+A+parameterization+for+climate+models%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Atmospheric+Science%22%5BJournal%5D)">The effect of tropospheric aerosols on the earth’s radiation budget: A parameterization for climate models.</a> Journal of Atmospheric Science. 40, 116-138 (1983).</li>
<li>Stachlewska, I. S., Zawadzka, O., Engelmann, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Effect+of+Heat+Wave+Conditions+on+Aerosol+Optical+Properties+Derived+from+Satellite+and+Ground-Based+Remote+Sensing+over+Poland%5BTitle%5D)+AND+%22Remote+Sensing%22%5BJournal%5D)">Effect of Heat Wave Conditions on Aerosol Optical Properties Derived from Satellite and Ground-Based Remote Sensing over Poland.</a> Remote Sensing. 9, 1199(2017).</li>
<li>Brooks, D. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Development+of+an+inexpensive+handheld+LED-based+Sun+photometer+for+the+GLOBE+program%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Geophysical+Research%22%5BJournal%5D)">Development of an inexpensive handheld LED-based Sun photometer for the GLOBE program.</a> Journal of Geophysical Research. 106 (5), 4733-4740 (2001).</li>
<li>Sellitto, P., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+novel+methodology+to+determine+volcanic+aerosols+optical+properties+in+the+UV+and+NIR+and+%C3%85ngstr%C3%B6m+parameters+using+Sun+photometry%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Geophysical+Research+Atmospheres%22%5BJournal%5D)">A novel methodology to determine volcanic aerosols optical properties in the UV and NIR and Ångström parameters using Sun photometry.</a> Journal of Geophysical Research Atmospheres. 122 (8), (2017).</li>
<li>Schmid, B., Wehrli, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Comparison+of+Sun+photometer+calibration+by+use+of+the+Langley+technique+and+the+standard+lamp%5BTitle%5D)+AND+%22Applied+Optics%22%5BJournal%5D)">Comparison of Sun photometer calibration by use of the Langley technique and the standard lamp.</a> Applied Optics. 34, 45014512(1995).</li>
<li>Shiobara, M., Spinhirne, J. D., Uchiyama, A., Asano, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Optical+depth+measurements+of+aerosol%2C+cloud+and+water+vapor+using+sun+photometers+during+theFIRE+Cirrus+II%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Applied+Meteorology%22%5BJournal%5D)">Optical depth measurements of aerosol, cloud and water vapor using sun photometers during theFIRE Cirrus II.</a> Journal of Applied Meteorology. 35, 364-366 (1991).</li>
<li>Aïssani, O., Mokhnache, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Aerosol+size+distribution+retrieved+from+optical+depth+measurements+in+Tamanrasset+and+Blida%5BTitle%5D)+AND+%22Revue+des+Energies+Renouvelables%22%5BJournal%5D)">Aerosol size distribution retrieved from optical depth measurements in Tamanrasset and Blida.</a> Revue des Energies Renouvelables. 15 (2), 207-218 (2012).</li>
<li>Bucholtz, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Rayleigh-scattering+calculations+for+the+terrestrial+atmosphere%5BTitle%5D)+AND+%22Applied+Optics%22%5BJournal%5D)">Rayleigh-scattering calculations for the terrestrial atmosphere.</a> Applied Optics. 34, 2765-2773 (1995).</li>
<li>Brooks, D. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Monitoring+Solar+Radiation+and+Its+Transmission+through+the+Atmosphere%5BTitle%5D)+AND+%22The+GLOBE+Program%27s+Aerosols%2C+Water+Vapor%2C+and+UVA+Monitoring+Projects%22%5BJournal%5D)">Monitoring Solar Radiation and Its Transmission through the Atmosphere.</a> The GLOBE Program's Aerosols, Water Vapor, and UVA Monitoring Projects. , (2006).</li>
<li>Holben, B. N., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((AERONET+-+A+federated+instrument+network+and+data+archive+for+aerosol+characterization%5BTitle%5D)+AND+%22Remote+Sensing+of+the+Environment%22%5BJournal%5D)">AERONET - A federated instrument network and data archive for aerosol characterization.</a> Remote Sensing of the Environment. 66, 1-16 (1998).</li>
<li>Toledo, F., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((AOT+retrieval+procedure+for+distributed+measurements+with+low-cost+Sun+photometers%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Geophysical+Research+Atmospheres%22%5BJournal%5D)">AOT retrieval procedure for distributed measurements with low-cost Sun photometers.</a> Journal of Geophysical Research Atmospheres. 123, 1113-1131 (2017).</li>
<li>Giles, D. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Advancements+in+the+Aerosol+Robotic+Network+%28AERONET%29+1+Version+3+Database+-+Automated+Near+Real-Time+Quality+Control+Algorithm+with+Improved+Cloud+Screening+for+Sun+Photometer+Aerosol+Optical+Depth+%28AOD%29+Measurements%5BTitle%5D)+AND+%22Atmospheric+Measurement+Techniques+Discussions%22%5BJournal%5D)">Advancements in the Aerosol Robotic Network (AERONET) 1 Version 3 Database - Automated Near Real-Time Quality Control Algorithm with Improved Cloud Screening for Sun Photometer Aerosol Optical Depth (AOD) Measurements.</a> Atmospheric Measurement Techniques Discussions. , (2018).</li>
<li>Zawadzka, I., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Studies+of+aerosol+optical+depth+with+the+use+of+Microtops+II+sun+photometers+and+MODIS+detectors+in+coastal+areas+of+the+Baltic+Sea%5BTitle%5D)+AND+%22Acta+Geophysica%22%5BJournal%5D)">Studies of aerosol optical depth with the use of Microtops II sun photometers and MODIS detectors in coastal areas of the Baltic Sea.</a> Acta Geophysica. 62 (2), 400-422 (2014).</li>
<li>Bovchaliuk, V., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Aerosol+Microtops+II+sunphotometer+observations+over+Ukraine%5BTitle%5D)+AND+%22Advances+in+Astronomy+and+Space+Physics%22%5BJournal%5D)">Aerosol Microtops II sunphotometer observations over Ukraine.</a> Advances in Astronomy and Space Physics. 3, 46-52 (2013).</li>
<li>More, S., Kumar, P. P., Gupta, P., Devara, P. C. S., Aher, G. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Comparison+of+Aerosol+Products+Retrieved+from+AERONET%2C+MICROTOPS+and+MODIS+over+a+Tropical+Urban+City%2C+Pune%2C+India%5BTitle%5D)+AND+%22Aerosol+and+Air+Quality+Research%22%5BJournal%5D)">Comparison of Aerosol Products Retrieved from AERONET, MICROTOPS and MODIS over a Tropical Urban City, Pune, India.</a> Aerosol and Air Quality Research. 13, 107-121 (2013).</li>
<li>Boersma, K. F., de Vroom, J. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Validation+of+MODIS+aerosol+observations+over+the+Netherlands+with+GLOBE+student+measurements%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Geophysical+Research%22%5BJournal%5D)">Validation of MODIS aerosol observations over the Netherlands with GLOBE student measurements.</a> Journal of Geophysical Research. 111, D20311(2006).</li>
<li>Porter, J. N., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Handheld+Sun+Photometer+Measurements+from+Light+Aircraft%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Atmospheric+and+Oceanic+Technology%22%5BJournal%5D)">Handheld Sun Photometer Measurements from Light Aircraft.</a> Journal of Atmospheric and Oceanic Technology. 24, 1588-1597 (2007).</li>
</ol>

作者声明无利益冲突。

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<sup class="xr...

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）。部分气溶胶由人类活动产生，另一部分则由自然过程生成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发生显著变化，存在季节性和年际变化，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太阳光和热辐射，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指标。目前有多种基于地面的方法可用于监测AOT9,10,11。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是一个遍布全球的监测网络，包含400多个监测站12,13。尽管监测站数量众多，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气溶胶监测网络中学生使用的理想仪器14,15。全球学习与观测促进环境（GLOBE）项目为此类网络提供了平台，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学生使用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各地最偏远的地区。过去，已成功使用其他小型便携式仪器在偏远和难以到达的地区开展研究工作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 研究点的气溶胶光学厚度（AOT）在年度、每日和每小时的变化，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 月至 2018 年 8 月为期 12 个月的数据，这是 XULA 站点首次记录的 AOT 数据。GLOBE 太阳光度计在两个波长（505 nm 和 625 nm）测量 AOT，而位于 Wave CIS Site 6 的 AERONET 站点则在 15 个不同波长测量 AOT。在本研究的比较中，我们重点关注以下四个波长：667 nm、551 nm、532 nm 和 490 nm。选择这些波长的原因是它们是 AERONET 波长中最接近 GLOBE 太阳光度计测量波长的四个。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显示了各月完全晴朗天空的天数。总体而言，约有 47% 的采集数据被排除。
<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>月份</td>
			<td>9月</td>
			<td>10月</td>
			<td>11月</td>
			<td>12月</td>
			<td>1月</td>
			<td>2月</td>
			<td>3月</td>
			<td>4月</td>
			<td>5月</td>
			<td>6月</td>
			<td>7月</td>
			<td>8月</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>天数</td>
			<td>18</td>
			<td>20</td>
			<td>16</td>
			<td>15</td>
			<td>15</td>
			<td>15</td>
			<td>16</td>
			<td>15</td>
			<td>18</td>
			<td>15</td>
			<td>15</td>
			<td>16</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>
表1：&#160;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 和暗电压 Vdark 的值。这五次测量的平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值通过下述公式获得16：
<img alt="公式 1" src="/files/ftp_upload/59257/59257eq1.jpg" />
V0 是太阳光度计的校准常数， R 是地球与太阳之间的距离，以天文单位表示， V暗的 当光线被阻挡无法通过太阳光度计顶部支架上的孔洞时，所记录的暗电压， V 当光线穿过顶部支架上的孔洞时，太阳光度计记录的太阳光电压是否已获取， aR 表示由于瑞利散射导致的光衰减， P 和 P0 分别为测得的大气压和标准大气压， m 是相对大气质量。相对大气质量由美国国家海洋和大气管理局提供的数据计算得出&#160;（美国国家海洋和大气管理局，NOAA）。同时测量其他气象数据，如温度、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数值以及对大气中臭氧含量的假设进行计算的。19. Bucholtz20,21 已生成表格数值 aR 基于标准大气条件。对于505 nm通道 aR &#8776; 0.13813，625 nm 通道的值约为 0.05793。
本文提供的数据展示了如何组织学生团队进行长期且持续的气溶胶光学厚度（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，监测了我们位于XULA的研究站点处大气气溶胶光学厚度的年际、日际和小时变化。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之间的一致性

<table><tbody><tr><td>经过校准的 GLOBE 手持式太阳光度计</td><td>IESRE, 美国 (GLOBE 太阳光度计) 和 TERNUM, 英国 (Calitoo 太阳光度计)</td><td></td><td>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)。</td></tr><tr><td>气压计</td><td>Forestry Suppliers, 美国, 货号# 43316</td><td>43316</td><td>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。</td></tr><tr><td>GLOBE 云图识别卡</td><td>Forestry Suppliers, 美国, 货号#33485</td><td>33485</td><td>免费的云图识别图表可从 www.globe.gov 获取。</td></tr><tr><td>湿度计</td><td>Forestry Suppliers, 美国, 货号# 76254</td><td>76245</td><td>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。</td></tr><tr><td>Labquest2 GPS</td><td>Vernier, 美国, 货号 LABQ2</td><td>LABQ2</td><td>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。</td></tr><tr><td>Taylor 兰花专用温度计</td><td>Forestry Suppliers, 美国, 货号# 89129</td><td>89129</td><td></td></tr><tr><td>手表</td><td>Forestry Suppliers, 美国, 货号# 39137</td><td>39137</td><td>手表必须为数字式，并能精确测量到秒。</td></tr></tbody></table>

使用globe手持式太阳光度计测量大气气溶胶光学厚度

Measurement of Aerosols Optical Thickness of the Atmosphere using the GLOBE Handheld Sun Photometer

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 Vdark 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。

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 观测站可在15个不同波长下测量 AOT。在本研究的对比分析中，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。为了实现两个站点之间的比较，我们利用 XULA 站点的 Ångström 系数，将该站点的 AOT 外推至 667 nm、551 nm、532 nm 和 490 nm。对于任意特定站点和仪器，光学厚度 τ、波长 λ 以及大气浑浊度系数 β 可通过 Ångström 浑浊度公式相互关联
<img alt="公式 2" src="/files/ftp_upload/59257/59257eq2.jpg" /> (2)
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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。

使用GLOBE手持式太阳光度计测量大气气溶胶光学厚度

在此，我们介绍使用 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 ... 处进行了测量。

利用本方案，我们可以使用手持式GLOBE太阳光度计测量大气气溶胶光学厚度，其精度可被大气科学界所接受。该技术的优势在于，从高中生到大学生均可使用。GLOBE太阳光度计结构坚固，可在偏远及难以到达的地区使用。气溶胶光学厚度的测量协议在此处有明确说明，易于遵循。在进行AOT测量时，最好两人一组协作操作。通过直观演示，有助于理解如何将太阳光度计与太阳对准的技术。看到该界面后，从传感器菜单中选择传感器设置以启动 GPS，并选择 GPS 选项。一旦 GPS 接收到足够多的卫星信号，即会显示纬度和经度值。然后，按下“收集数据”并点击“保存”。如果室外温度比室温低五度以上，在不使用时应将太阳光度计用隔热泡沫包裹。在炎热的夏季进行测量时，不使用时应将太阳光度计置于阴凉处。检查太阳光度计在室内是否产生约 0.03 伏的稳定电压，当光线照射到探测器时，电压是否在 1 伏至 5 伏之间。为记录空气温度，将旋钮开关转至 T 档，读取电压表上的电压值。将电压读数乘以 100，即可得到以摄氏度为单位的空气温度。然后，将旋钮开关设置到太阳光度计的绿色通道，并让一人坐在椅子上，手臂放在桌面上静止不动。调整太阳光度计，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。由第二人记录伏特表上的读数，确保光斑稳定地位于圆点上。若电压读数波动，应记录其最大值。在30秒内记录时间。为获得暗电压，让受试者坐好，用一只手将太阳光度计对准太阳，然后用另一只手的指尖盖住顶部支架上的孔。由第二人记录电压读数。接下来，将旋转开关调至红色通道并重复上述步骤，记录明暗电压。分别获取绿色通道的五个电压读数和红色通道的五个电压读数。再次测量空气温度。观察太阳附近的云，并使用GLOBE云图记录所观测到的特征。卷云具有典型的纤细丝状结构，易于观测。在看似晴朗的日子里，如果无法直接看到卷云，但阳光电压读数低于0.5伏，则建议推断存在不可见的卷云。测量相对湿度时，将湿度计伸展手臂远离身体持握。将其在空气中静置约三分钟，然后先读取干球温度读数，再读取湿球温度读数。计算两次读数的差值，并利用相对湿度对照表确定相对湿度。然后，使用气压计测量并记录大气压力。将测得的数值和常数代入 AOT 方程，计算气溶胶光学厚度。在路易斯安那泽维尔大学为期 12 个月的月平均 AOT 值测量结果显示，AOT 在 2 月和 5 月达到峰值。泽维尔大学路易斯安那分校站点的气溶胶光学厚度（AOT）季节变化将十二月、一月和二月划分为冬季，三月、四月和五月划分为春季，六月、七月和八月划分为夏季。九月、十月和十一月为秋季。根据外推法，比较了路易斯安那泽维尔大学站点与AERONET站点在四个波长（667 纳米、551 纳米、532 纳米和 490 纳米）处的气溶胶光学厚度（AOT）。两个站点的二月和五月的 AOT 峰值由箭头标出。通过将两台独立校准的仪器相互比对，检验了GLOBE太阳光度计的可靠性。两台太阳光度计在505纳米红光通道的测量结果比625纳米绿光通道具有更高的一致性。这种差异的原因在于，红光LED对温度的敏感性高于绿光LED。红光通道的AOT日变化范围在早晨为0.265，傍晚为0.06，变化幅度约为77%。数据显示在上午9:00和下午3:00分别出现峰值，其中上午9:00的峰值为0.265。红色通道的值为0.182。绿色通道显示出类似的峰值。最重要的是要记住，当太阳被卷云遮挡时，这些测量将无法正常进行。卷云的存在可能导致气溶胶光学厚度（AOT）出现虚假数值。在此之后的合理步骤是使用配备蓝、绿和红通道的Calitoo太阳光度计，以验证GLOBE太阳光度计，并将这两种仪器均纳入AERONET站点。目前全球有超过400个AERONET监测站，但即便如此，仍不足以覆盖整个地球。我们希望，GLOBE 手持式太阳光度计结合此处所述的协议，能够填补 AERONET 所遗留的空白。

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用 GLOBE 手持式太阳测光仪测量大气气溶胶光学厚度

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学习使用GLOBE手持式太阳测光仪测量大气气溶胶光学厚度的方法。该技术适用于高中至大学生，可在偏远地区进行环境监测，为气候与空气质量研究提供可靠数据。

使用GLOBE手持式太阳光度计测量大气气溶胶光学厚度

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