太阳光度计 CE318 等外场光谱辐射计的测量精度很容易受到环境温度的影响，特别是在典型的大陆性气候区，如敦煌，其昼夜温差相对较大。对于太阳光度计 CE318，当环境温度变化 1°C 时，硅 (Silicon，Si) 探测器在 1020nm 处的测量误差可达到约 0.3%，铟镓砷 (Indium Gallium Arsenide，InGaAs) 探测器在 1639nm 处的测量误差可达到约 1%，CE318 在敦煌站点的最大工作温差可超过 70°C，这可能会造成巨大的测量误差。如果不考虑温差引起的测量误差，则由 CE318 观测数据得到的定标系数和反演结果将是不正确的。因此，对 CE318 进行温度校正是相当重要的。

基于此，本研究基于 AOD 与波长的对应关系，利用非线性回归方法，提出了一种新的太阳光度计温度校正定标方法，以提高敦煌地区气溶胶光学厚度 (Aerosol Optical Depth，AOD) 的反演精度。温度校正是通过外场观测数据而不是实验室的数据进行的。这会更简单、更方便、成本更低。同时，太阳光度计的定标是在可变 AOD 下进行的，这比常规方法更容易实现。

研究过程与结果

本研究是基于太阳光度计 CE318 在敦煌辐射校正场地 (40.09° N, 94.40° E) 在 2020 年~2021 年的观测数据进行的。算法流程如下：

(1) 基于太阳光度计的数字电压值 (Digital Number，DN) 对观测数据进行粗筛。去除受到风霜雨雪以及沙尘影响比较明显的异常点；

(2) 选用加权 Langley 定标法，获取太阳光度计 CE318 在各个通道上的定标系数并反演出对应的 AOD；Langley 定标法如公式 a 和公式 b 所示，加权 Langley 定标公式如公式 c 所示。

(3) 基于反演出的 AOD，对观测数据进行进一步的筛选；

(4) 建立太阳光度计 CE318 的温度校正公式，建立过程如下 

1) 联立公式 a 和公式 b，得到下面的公式 d：

2) 选取 870nm、440nm 这两个通道上的数据，并根据公式 d、公式 e，建立方程组 f。其中，公式 e 描述的是 Angstrom 提出的计算理论 AOD 的方法。

3) 计算得到未知数，如方程 g 所示。

建立异常通道上的温度校正公式，如公式 h。

由于 1020nm 和 1639nm 受温度影响很大，所以对这两个波段中的每一个都进行了温度校正。利用全年 870nm 和 440nm 的定标系数，分别得到 1020nm 和 1639nm 定标系数随温度变化的模型，选用的是公式 h 的二次拟合。结果如图1所示。

图1. 全年随温度 (℃) 变化的校准系数 (℃): (a) 1020nm; (b) 1639nm。

固定上述温度校正模型中的二次项和一次项，结合每个月的定标系数微调常数项，最终分别求出 1020nm、1639nm 每个月的温度校正模型。将求出的温度校正模型用到对应月份、对应通道上的校正，校正结果以 2020 年 1 月 30 日这天为例，如下图2所示。

图2. 2020 年 1 月 30 日温度校正前后的结果: (a) AOD随温度的变化 (℃); (b) 归一化 AOD 随着温度的变化 (℃)。

并计算理论 AOD 和估算 AOD 的相对误差 (Relative Error，RE) 以及绝对误差 (Absolute Error，AE)，如下图3所示。

图3. 2020 年 1 月 30 日估算 AOD 和理论 AOD 随温度 (℃) 变化的 RE 和 AE: (a) 1020nm；(b) 1639nm。

如下图4和图5，表示本研究提出的温度校正算法对太阳光度计 CE318 的温度校正效果。

图4. 温度校正前后的估算 AOD 随理论 AOD 的变化，共有 8969 个数据点: (a) 1020nm; (b) 1639nm。

图5. 估算 AOD 和理论 AOD 的 RE 分布: (a) 校正前 1020nm；(b)校正前 1639nm；(c)校正后1020nm；(d)校正后  1639nm。

图4 (a) 显示，在 1020nm 处，从 0.994 增加到 0.999，拟合线的斜率从 0.983 增加到 0.989。图4 (b) 显示从 0.910 增加到 0.984，并且在 1639nm 处拟合线的斜率从 0.781 增加到 0.881。这意味着估算 AOD 更接近于理论的 AOD，并且在 1020nm、 1639nm 这两个通道上受温度的影响更小。

在 1020nm 和 1639nm，估算 AOD 与理论 AOD 的 RE 分布分别如图5所示。如图5 (a)–(d) 所示，1020nm 和 1639nm 处 RE 在 5% 以内的数据点比率分别从 0.195 和 0.14 增加到 0.894 和 0.355。温度校正前的 RE 分别集中在 70% 和 200% 以内，校正后控制在 15% 和 50% 以内。

研究总结

本文提出了对位于敦煌辐射校正场的太阳光度计 CE318 的外场温度校正方法。在该方法中，通过一系列辐射数据来模拟具有温度含义的校准系数，以校正受温度影响的波段，而不是将仪器运送到实验室进行温度校正。同时，该温度校正方法中所用到的加权 Langley 定标方法将不依赖于完美的天气条件，这大大减少了 Langley 方法引起的不确定性。利用这种方法，我们成功地校正了受温度影响较大的太阳光度计 CE318 的 1020nm 和 1639nm 通道。校正后这两个通道AO 遵循随波长增加而减小的规律。此外，估 AOD 与理论 AOD 的 RE 和 AE 在这两个波段上大大降低，估算 AOD 与理论 AOD 更加一致。

因此，在外场环境中校正包括 CE318-T593 在内的受温度影响的太阳光度计比在实验室中更简单、更方便、成本更低。这种新的带温度校正的自动太阳光度计校正方法也适用于位于其他观测基地的其他类型的太阳光度计。太阳光度计不再局限于实验室进行温度校正，为提高场地自动化校正的精度打下了坚实的基础。

原文出自 Remote Sensing 期刊

Chen, S.; Li, Y.; Cao, F.; Zhang, Y. Calibration of Automatic Sun Photometer with Temperature Correction in Field Environment. Remote Sens. 2022, 14, 66.

Remote Sensing 期刊介绍

主编：Prasad S. Thenkabail, USGS Western Geographic Science Center (WGSC), USA

期刊范围涵盖遥感科学所有领域，从传感器的设计、验证和校准到遥感在地球科学、环境生态、城市建筑等各方面的广泛应用。

2021 Impact Factor：5.349

2021 CiteScore：7.4

Time to First Decision：19.9 Days

Time to Publication：44 Days