光谱型太阳辐射计可以直接测量得到太阳辐射变化, 反映各个波段对应的辐射度信息, 其直射通道全波段的仪器定标精度直接影响大气参数的反演精度。 常用的Langley拟合法在大气强吸收波段定标精度不高, 最终计算的可降水量、 强吸收波段透过率数据均存在一定的误差。 为了满足可见-近红外全波段太阳光谱的高精度测量需求, 提出一种非吸收波段的Langley定标法和基于理论计算强吸收波段大气层顶太阳辐照度相结合的混合定标法, 得到光谱辐射计全波段的定标值。 因为仪器响应函数是随波长缓慢变化的, 通过非吸收波段定标的仪器响应函数按波长线性插值得到强吸收波段下的仪器响应函数, 再结合大气层顶太阳辐照度和仪器定标值之间的关系得到强吸收波段下的仪器定标值。 通过对比Langley定标法、 改进Langley法以及混合定标法的仪器定标值变化曲线发现, 前两种方法在强吸收波段的定标值有明显的突变, 而混合定标法计算的强吸收波段仪器定标值变化更平缓, 符合仪器响应规律; 通过对比不同定标法测量的大气透过率与CART理论计算透过率的相对偏差, 发现混合定标法平均偏差减少了1.15%, 误差的减小主要归因于混合定标法提高了强吸收波段大气透过率的测量精度。 将改进Langley法和混合定标法计算得到的可降水量数据与国外同类型的POM辐射计测量得到的可降水量数据进行对比, 混合定标法计算得到的可降水量与POM辐射计的计算结果几乎一致, 相对误差在10%以下, 而相对于改进Langley定标法平均减少了40%; 对于测量的大气透过率, 与POM辐射计测量的透过率数据进行对比, 在940 nm水汽强吸收带处, 混合定标法测量的相对误差减小了25%。 因此混合定标法对于光谱型太阳辐射计直射通道全波段定标、 可降水量计算以及强吸收波段透过率计算有应用价值, 较好地改善了强吸收波段的定标精度。

研制出一种可以在船载平台下完成气溶胶测量的太阳光度计。仪器采用两段式图像跟踪方法，首先利用鱼眼成像系统对太阳进行粗跟踪，之后通过精跟踪成像系统来提高跟踪精度，并阐述了二维转台、图像跟踪系统、测量光路的工作流程。利用船载平台太阳光度计在渤海湾进行长期观测，渤海湾日平均气溶胶光学厚度多集中在0.1~0.3范围内，大气较为洁净，且夏季大气以细粒子为主，而深秋大粒子占据主导地位。将所得结果与日本POM-01 MKⅢ船用太阳光度计的测量结果进行对比，发现气溶胶光学厚度日变化趋势基本相近，决定系数可达到0.968，其平均相对测量误差为4.83%，?ngstr?m 指数平均相对测量误差为2.55%。所得结果验证了船载太阳光度计的可靠性与稳定性，并且可以进一步利用可见光到近红外的辐射信息反演其他大气参数的光学特性。

为了同步获取夜间晴空视线无云下整层大气透过率和水汽总量,将望远镜、多波段滤光片与近红外增强型CCD相结合,搭建了利用恒星辐射进行测量的研究平台。首先通过望远镜收集恒星辐射,辐射通过分波段滤光片滤光,利用CCD采集恒星图像。进一步提取拍摄图像的灰度值,采用Langley标定法计算整层大气透过率,同时利用改进的Langley法计算大气水汽总量。对测量结果、激光雷达和微波辐射计的测量值进行比较,验证了测量方法的可靠性。所开展的工作丰富了夜晚同步测量整层大气透过率和水汽总量的手段,对空间遥感和气象研究有一定的应用价值。

为了实时测量多个波段激光大气透过率, 研制了ISP02型近红外太阳辐射计。详细阐述了该仪器的硬件组成、光学系统设计以及工作流程, 并对仪器进行了定标, 给出仪器能达到的性能指标。依据建立的基于太阳宽谱直接辐射测量获取激光波段大气透过率的方法, 实测得到1.064, 1.315, 1.54 μm大气透过率, 将结果与POM02型太阳辐射计采用外推法获取的激光大气透过率进行对比, 误差均小于6%, 测量的水汽总量与POM02对比, 误差均小于7%; 然后, 将两者外推的3.78 μm透过率进行对比, 误差均小于5%。秋冬季实测的1.315 μm透过率与激光大气传输评估软件对比, 误差小于2%。该仪器测量结果可靠、性能稳定, 可为同时获取多个波段激光大气透过率提供有效测量手段。

随着激光技术在众多科学领域的应用,激光波段大气透过率的实时获取尤为重要。基于测量和模拟结果研究,提出基于太阳辐射计的宽谱直接辐射测量提取红外波段激光大气透过率的方法,该方法低成本、高时效、可同时获得多波段的激光大气透过率。对比研制的ISP型近红外太阳辐射计与POM02的实测结果可知:对应波段透过率和水汽总量误差都小于7%;由1.31 μm与1.32 μm分别提取到1.315 μm波段的透过率,两者误差小于4%,提取的误差与水汽含量成正比,并由1.32 μm反演得到水汽总量,与0.94 μm反演得到的水汽总量结果对比,误差小于10%。因此,在无0.94 μm波段测量时,可以考虑用1.32 μm波段反演水汽总量。将该方法与激光传输评估软件根据实时测量的大气参数模拟计算得到的1.315 μm激光大气透过率进行对比,误差小于6%。该方法对激光工程在实际大气中的应用具有参考价值。

与气溶胶粒子相比,前向小角度太阳透射比值变化对卷云中的冰晶粒子更加敏感。研发了一种基于图像跟踪、自动快速变视场的太阳光度计VFOVSP,它可快速测量窄视场到宽视场太阳的透射辐射,为地基测量卷云提供了新的技术手段。介绍了仪器的系统组成与测量原理。在大气无吸收波段,将仪器VFOVSP经Langley法标定后的测量结果与POMO2的测量结果进行对比,以验证仪器测量精度的可靠性。在不同的天气条件下进行测量,结果表明:不同小角度视场下透射比值的变化与粒子的种类有关,这为区分薄卷云和气溶胶粒子提供了可能。该仪器弥补了传统太阳光度计在有云天气下实时性、单一视场探测的不足,可以较好地识别出当前大气下是否有卷云存在,能够更好地满足实际科研需求。

前向小角度的散射辐射分布与散射介质的粒子大小和光学厚度有关。基于一种新型变视场光度计,测量不同天气条件下的前向小角度散射比值、大气光学厚度τ和气溶胶粒子的Angstrom指数α,并与DISORT方法模拟结果进行对比分析。研究结果表明:散射比值随光学厚度的增大而增大;但当光学厚度τ <1时,散射比值取决于粒子有效尺度,粒子尺度越大,散射比值越小。卷云冰晶尺度较大时 (D_e>10 μm),其散射比值小于气溶胶粒子和水云,这为区别薄卷云与气溶胶提供了一种新方法。给出一种提取卷云光学厚度的简单方法,证明了卷云的消光系数在短波段与波长无关。以上研究为地基探测大气特性提供了一定参考价值。