用 GLOBE 手持式太阳测光仪测量大气气溶胶光学厚度
Summary
本文介绍的方法的目的是测量大气中的气溶胶光学厚度。太阳测光仪指向太阳, 记录了在内置数字电压表上获得的最大电压读数。还进行了气压和相对湿度等大气测量。
Abstract
在这里, 我们描述了使用 GLOBE 手持式太阳测光仪测量气溶胶光学厚度的方法。在路易斯安那州 Xavier 大学 (XULA、北纬29.96°、西经90.1 °和海拔3米) 测量了气溶胶光学厚度 (AOT)。测量结果是在两个不同的波长, 505 纳米和625纳米。AOT 测量每天进行 6次 (上午7时、9时、上午11时、太阳中午、下午3点和下午 5时)。本文所显示的数据是太阳中午取的每月平均 AOT 值。在每个测量时间;每个通道至少有五个阳光电压v和暗电压v暗的值。这五个测量的平均值被作为该测量时间的平均值。同时还测量了温度、地表压力、降雨和相对湿度等其他气象数据。整个协议在10–15分钟的时间范围内完成。然后, 测量到的 505 nm 和 625 nm 的 AOT 值被用来推断波长 625 nm、551 nm、551 nm 和 490 nm 的 AOT 值。然后将测量和推断的 AOT 值与位于 XULA 以南约96公里的 WAVE CIS 站点最近的 AERONET 站的数值进行比较 (AEROET, 北纬28.87 度, 西经 90.48°, 高于海平面约96米)。在这项研究中, 我们跟踪了从2017年9月到 2018年8月12个月的年度和每日变化。我们还比较了 XULA 站点上两个独立校准的 GLOBE 手持太阳测光仪的 AOT 数据。数据显示, 这两种工具意见一致。
Introduction
大气气溶胶是悬浮在空气中的微小固体和液体颗粒 (从亚微米到毫米大小不等)。有些气溶胶是通过人类活动产生的, 而另一些是通过自然过程1、2、3、4产生的。大气中的气溶胶通过散射或吸收来自太阳的光和热辐射, 减少了到达地球表面的太阳能量。大气中的气溶胶量随位置和时间的不同而有很大差异。由于大沙尘暴、野火或火山爆发等事件, 有季节性和年度变化以及偶发变化, 5、6、7、8。
气溶胶对气候和公共卫生的影响是当前环境研究的主要议题。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冷凝核来影响天气。气溶胶也在空气中传播病原体方面发挥作用, 它们可引起或加强呼吸道和心血管疾病。气溶胶光学厚度 (AOT) 是测量这些气溶胶吸收或散射的阳光量的指标。有几种地面方法来监测 aot9、10、11。最大的地面 AOT 监测系统是气溶胶机器人网络 (AERONET) 项目。Aeroet 是一个由400多个监测站组成的网络, 分布在世界各地的 12、13个。尽管监测站数量如此之多, 但全世界仍有很大的差距, 没有对 AOT 进行监测。例如, 离我们的研究地点最近的 AERONET 站大约有90公里。本文介绍了一种便携式手持式太阳测光仪的使用情况, 该测光仪可用于弥补 AERONET 监测站之间的间隙。便携式手持式太阳测光仪是全球 14、15、15全球气溶胶监测网络中学生使用的理想仪器。通过美国所有50个州和近120个其他国家的数千所学校, 全球学习和观察造福环境 (globe)方案为这一网络提供了一个平台.GLOBE 计划的主要思想是利用世界各地的学生, 使用廉价的设备提供科学上有价值的环境参数测量。在适当的指导下, 学生和其他非专业人员可以组成手持式太阳测光仪网络, 以填补 AERONET 监测站之间的空白。手持式太阳测光仪最大的优点是, 即使是世界上最偏远的地方, 也可以把它带到最偏远的地方。Aot 测量与其他小型和可移动仪器已成功地用于在偏远和难以进入的地区进行研究 17,18
这项研究的主要目的是使用 GLOBE 手持太阳测光仪在我们的 XULA 研究现场跟踪 AOT 的年、日和每小时变化, 并与附近 AERONET 站的测量结果进行比较。本文件介绍了2017年9月至 2018年8月12个月期间的数据。这是 XULA 网站首次记录 AOT。GLOBE 太阳测光仪测量 AOT 的波长为505纳米和625纳米。波 CIS 站点6的 AERONET 站点测量15个不同波长的 AOT。为了我们的比较, 我们关注这4个波长, 667 纳米, 551 纳米, 551 纳米和490纳米。我们之所以选择这些, 是因为它们是距离 GLOBE 太阳光光度计波长最近的 4个 AERONET 波长。为了进行比较, 我们在 xula 站点的这些波长上推断了 AOT 值。
在天气情况允许的情况下, 每天都会对 AOT 进行测量。在分析中排除了在太阳附近有卷云时进行的测量。表 1显示了我们天空完全晴朗的每个月的天数。总共约47% 的数据被排除在外。
| 月 | 9 月 | 10月 | 11 月 | 12 月 | 1月 | 2月 | 三月 | 四月 | 可能 | 君 | 七月 | 八月 |
| 天数 | 18 | 20 | 16 | 15 | 15 | 15 | 16 | 15 | 18 | 15 | 15 | 16 |
表1:ot 测量每天进行 6次 (7:00、上午9点、上午11:00、太阳能中午、凌晨3点和凌晨 5点).图中显示的数据是太阳中午取的月平均 AOT 值。在每个测量时间;每个通道至少有五个阳光电压v和暗电压v暗的值。这五个测量的平均值被作为该测量时间的平均值。这些测量中的误差是作为这五个测量值的标准偏差计算的。AOT 值是使用下面所示的公式获得的:
V0 是太阳测光仪的校准常数, r是以天文为单位的地球-太阳距离, v暗是光被阻挡通过顶部支架上的孔时记录的暗电压。太阳测光仪, v是当光线通过顶部支架上的孔时, 从太阳测光仪记录的阳光电压, r 表示瑞利散射、 p 和 p 0 引起的光衰减分别是测量到的和标准的大气压力, m是相对的气团。相对气团是根据国家海洋和大气管理局 (诺阿) 提供的数据计算的。还同时测量了温度、降雨量和相对湿度等其他气象数据。上述公式1包括臭氧对光学厚度的贡献。臭氧对 AOT 值的影响是根据臭氧吸收系数的表格值和对大气中臭氧量的假设计算的,19。Bucholtz20,21基于标准大气生成了r 的表格值。对于 505 nm 通道r 0.13813 和 625 nm 通道, 它是 ~ 0.05793。
这里提供的数据是如何组织学生团队进行长时间和持续的 AOT 测量的一个例子。在这项研究中, 两个学生团队使用两个独立校准的 GLOBE 手持太阳测光仪来跟踪我们的 XULA 研究地点大气气溶胶光学厚度的年、日和每小时变化。本次调查中使用的两个地球太阳测光仪是从 IESRE (地球科学研究和教育研究所) 购买的; 一个是序列号 RG8-989, 另一个是序列号 RG8-990)。在将这两个文书的数据合并起来之前, 进行了回归分析, 以确定协议
Protocol
Representative Results
Discussion
此协议的第一步是定义研究站点。这是通过使用 GPS 来查找研究地点的经度和纬度来完成的。在使用方程1计算 AOT 时, 经纬值是至关重要的。在测量过程中, 太阳测光仪直接而牢固地指向太阳是至关重要的。手持式太阳测光仪顶部支架上的小孔减少了在太阳测光仪中到达 LED 探测器的散射光量。公式1是一个近似值, 假定没有散射光通过顶部支架的孔。如果太阳测光仪对齐得当, 则与测量…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
这项工作得到了国防部反洗钱 #W911NF—-1-01910年赠款和第111209号赠款下的国家科学基金会研究启动奖的财政支持。我们向路易斯安那州 Xavier 大学物理和计算机科学系以及教育司表示衷心感谢。
Materials
| A Calibrated GLOBE handheld sun photometer | IESRE, USA (GLOBE sun photometer) and TERNUM, UK (Calitoo sun photometer | The GLOBE sun photometer measures AOT at 505nm and 625nm. | |
| Barometer | Forestry suppliers, USA, Cat# 43316 | 43316 | The aneroid barometer must have a clear scale with a pressure range between 940 and 1060 millibars. |
| GLOBE cloud chart | Forestry Suppliers, USA Cat#33485 | 33485 | A free cloud identification chart is obtained from www.globe.gov. |
| Hygrometer | Forestry suppliers, USA, Cat# 76254 | 76245 | Any digital hygrometer which measures relative humidity in the range of 20-95% with an accuracy of 5% is acceptable. |
| Labquest2 GPS | Vernier, USA, Cat LABQ2 | LABQ2 | Vernier LabQuest 2 is a standalone interface used to collect sensor data with its built-in graphing and analysis application. GPS is one of its built-in sensors |
| Taylor Orchid Thermometer | Forestry Suppliers, USA Cat# 89129 | 89129 | |
| Watch | Forestry suppliers, USA, Cat# 39137 | 39137 | The watch must be digital and capable of measuring time up to seconds. |
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