《Atmosphere》：Operational Simulation and Validation of Slant-Path Atmospheric Transmittance at a High-Altitude Tibetan Site Using MERRA-2
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本研究评估了位于阿里-CPT站（海拔5250 m）的光学至近红外（NIR）波段（400–1050 nm）业务化大气透过率模拟。研究人员将20年现代研究与应用再分析第二版（MERRA-2）再分析月平均廓线，与POM-02太阳光度计的可降水量（PWV）约束相结合，
本研究评估了位于阿里-CPT站（海拔5250 m）的光学至近红外（NIR）波段（400–1050 nm）业务化大气透过率模拟。研究人员将20年现代研究与应用再分析第二版（MERRA-2）再分析月平均廓线，与POM-02太阳光度计的可降水量（PWV）约束相结合，并在固定气溶胶参数（能见度75 km，Clean Continental模式）下，使用DTF-8太阳光度计测量数据进行验证。模式1使用实时激光雷达消光廓线；模式2使用按气溶胶光学厚度（AOD）缩放的内置气溶胶模式。两种模式的相关系数均大于0.93。模式1在400–870 nm范围内的均方根误差（RMSE）为0.034–0.040，而模式2表现出系统性负偏差（RMSE 0.040–0.052），原因是固定能见度假设与冬季更为清洁的条件不匹配。940 nm水汽吸收波段的误差主要由高PWV夏季条件下MERRA-2水汽廓线的垂直结构偏差主导。结果证实了基于再分析的业务化透过率模拟在数据稀疏高海拔站点的可行性。
高海拔站点的可见—近红外大气透过率业务化模拟：基于MERRA-2的研究
青藏高原被称为“第三极”，其平均海拔超过4000 m，大气极其干燥洁净，为大气遥感和地基天文观测提供了独特条件。然而，在这些数据稀疏区域，针对大气辐射传输模拟的系统性实测验证仍然有限，尤其在可见光至近红外波段。南极点和阿塔卡马等台址已利用亚毫米波望远镜和傅里叶变换光谱仪开展了长期大气不透明度测量，并结合ATM、AM等辐射传输模型进行毫米/亚毫米波段透过率模拟验证。阿里站（5250 m）位于青藏高原西部，是北半球最高海拔的天文台候选址之一，具有优异的毫米波观测条件，年均可降水量（PWV）中位数约1 mm，云量少，可观测夜占比高。但以往对阿里站大气透过率的评估仅局限于毫米波段和基于再分析资料的气候统计，缺乏类似南极点和阿塔卡马那样的测量验证模拟。为填补这一空白，研究人员依托阿里站现有硬件监测设施，引入再分析资料构建代表长期气候态的大气廓线，并在固定业务参数配置下用实测数据严格验证其精度，进而系统模拟和评估阿里站可见—近红外波段的大气透过率特征。
研究人员选取2005年1月1日至2024年12月31日共20年的MERRA-2模型层瞬时三维场，筛选目标站点（32.5° N, 80.0° E）的晴空时刻，提取温度、气压、位势高度、水汽比湿和臭氧比湿，换算为水汽体积混合比、臭氧体积混合比和分子数密度，插值到固定高度网格，并按自然月平均得到局地月平均大气廓线。对超出MERRA-2模型层顶的高度，以美国标准大气（1976）补充。由于台站缺乏长期准确的气溶胶成分和能见度实测，研究人员采用固定业务参数集：能见度75 km、气溶胶模式为Clean Continental（OPAC）。在该参数下，定义两种气溶胶参数化方案：模式1（激光雷达基）使用TML-01米散射激光雷达反演的实时气溶胶消光廓线；模式2（AOD缩放基）使用CART内置气溶胶模式作为气候形态函数，并按POM-02太阳光度计反演的整层AOD严格缩放。两种模式均采用POM-02 PWV约束的水汽廓线。验证数据来自DTF-8多波段太阳光度计的斜程透过率实测。样本共12个观测实例，覆盖干冬季和夏季季风期，空气质量因子（AM）为1至3.54，包含高AOD低PWV、高AOD高PWV、高PWV低AOD以及极清洁等多种气溶胶和水汽组合。
研究结果分为两部分。4.1 逐样本误差分布：分析12个实例发现，模式1在可见和近红外波段（400–870 nm）表现出随季节变化的偏差。夏季季风期（6月，PWV > 0.3 cm，AOD最高0.13），相对误差（RE）呈+4%至+12%的正偏差，且该正偏差随波长从400 nm的+12.3%单调降至870 nm的+7.4%，符合?ngstr?m指数描述的波长依赖性气溶胶消光放大效应。这归因于激光雷达消光廓线从532 nm外推至更短波长的光谱转换不确定性，以及固定能见度75 km在夏季高AOD条件下低估了气溶胶负荷。冬季干旱期（11–12月，PWV < 0.1 cm，AOD < 0.06），模式1转为?3%至?7%的负偏差，原因是米散射激光雷达在极清洁条件下接近信噪比极限，近地面消光系数反演误差累积，同时固定VIS=75 km也贡献了部分偏差。模式2在400–870 nm波段主要在冬季清洁条件下出现系统性负偏差（RE通常?5%至?10%），大天顶角（3日，m=3.54）时偏差加深至?14%；夏季高AOD实例（6月9日，AOD=0.087）模式2接近中性（400 nm处RE=?0.2%），表明固定能见度75 km更接近夏季实际状态，但无法跟踪台站从近无气溶胶冬季到中度浑浊夏季的宽动态范围。在940 nm水汽吸收带，两种模式在夏季季风期均出现较大正偏差（模式1为+19%至+26%，模式2为+15%至+20%），而冬季则显著减小（模式1为+3.6%至+5.8%，模式2为?0.5%至+3.0%），表明高PWV条件下940 nm误差主要由平均水汽廓线的垂直结构偏差主导，而非气溶胶参数化。
4.2 累积误差统计：对所有12个实例的全波段数据汇总，在400–870 nm波段，模式1的RMSE为0.034–0.040，平均RE接近零（400 nm处?0.12%，500 nm处+0.24%，870 nm处+0.10%），说明MERRA-2背景廓线结合高分辨率激光雷达消光数据在平均意义上保持良好保真度。模式2的RMSE为0.040–0.052，平均RE为?6.12%（400 nm）至?2.74%（870 nm），呈现持续负偏差，确认固定能见度75 km对冬季清洁大气引入了额外气溶胶光学厚度。在940 nm水汽吸收带，模式1的RMSE为0.076，平均RE为+10.43%；模式2的RMSE为0.059，平均RE为+7.46%，模式2在该通道仍具相对优势。在1050 nm近红外窗口，模式1平均RE为+0.34%，RMSE为0.032；模式2平均RE为?2.15%，RMSE为0.035，两者性能差距显著缩小。总之，在固定业务参数下，模式1在400–870 nm保留边际精度优势，模式2的系统性负偏差是其主要业务限制，而940 nm波段两种模式均在高PWV夏季出现较高误差。
讨论部分指出，阿里-CPT站大气透明度极高，但AOD和PWV季节性变化明显（AOD约0.03–0.13，PWV约0.03–0.64 cm）。可见—近红外波段主要误差源是固定能见度与实际气溶胶负荷的不匹配；940 nm波段误差主要由MERRA-2水汽廓线的垂直结构偏差主导。MERRA-2在青藏高原表现出系统性湿偏差，虽然柱总量被缩放至与POM-02 PWV一致，但单参数约束无法校正错误的垂直分布，导致夏季高PWV时有效水汽被低估，进而产生正偏差。研究结论为：本研究首次在青藏高原高海拔站点证明，由20年MERRA-2再分析构建的月平均廓线，结合实时地面光度计约束，可支持可见—近红外波段斜程大气透过率业务化模拟，精度达到相关系数R ≥ 0.93，RMSE < 0.05。该框架可推广至安第斯山脉、南极高原和中亚等其他高海拔数据稀疏区域，用于天文观测规划和业务化大气监测。当前方法存在两个主要局限：固定能见度无法追踪气溶胶宽动态范围，冬季产生系统性负偏差；以及MERRA-2水汽廓线垂直结构偏差无法通过单参数柱总量校正，主导了夏季940 nm误差。未来工作将开发季节或动态能见度参数化，结合GNSS或探空资料校正水汽垂直结构，并扩大样本至全年以增强统计稳健性。
