大气气溶胶质谱研究进展

文中较为详细地介绍了大气气溶胶粒子质谱研究的发展概况，从离线的质谱测量技术到实时在线的测量技术，特别是目前应用较为广泛的激光电离气溶胶飞行时间质谱技术——一种可以同时测量气溶胶粒子的大小和化学成分的方法的原理和应用。     

激光衍射法测量粒子群粒径分布的反演新算法

通过分析粒子群的Fraunhofer衍射环的能量分布情况，从中值定理出发，建立了以有限种等效单径粒子群组合来确定实际粒子群粒分布的数学模型，大量的模拟实验结果表明，基于此模型的反演算法不需任何先验信息，峰值粒径定位精度较高，不确定度在1μm之内，对单峰、双峰结构粒子群测量时都能取得良好的反演效果。     

大气气溶胶对激光传输衰减的影响研究

在大气气溶胶类型、谱分布的基础上,利用Mie散射理论计算气溶胶在可见光和近红外波段的散射和衰减特性,讨论分析了大气气溶胶对可见光和近红外波段激光传输衰减的影响,计算结果表明,激光传输在很大程度上受粒子的折射率和谱分布的影响;不同类型气溶胶粒子具有不同的折射率和谱分布参数,从而决定了其具有不同的散射和吸收特性;气溶胶粒子的数密度越大,其衰减和散射能力就越强,对激光传输的衰减也就越大;但前后向散射的不对称性只与气溶胶谱分布有关,与数密度无关.所得出的结论有助于准确评估大气气溶胶对激光传输的影响以及提高激光传输、通信和激光测风等应用.     

海洋大气气溶胶粒子谱分布及其消光特征分析

为研究海洋大气气溶胶粒子数浓度时空分布和粒径谱分布特征,2014年8月至2016年3月期间,利用光学粒子计数器和自动气象站等设备在广州茂名海边、东海和南海海域、三亚近海海域以及太平洋和印度洋海域对海洋大气气溶胶粒子数密度谱及大气温度、湿度、气压、风速等进行了测量。对不同海域不同气象条件下的谱分布特征进行了统计分析,并对谱分布进行了拟合。结果表明海洋大气气溶胶粒子谱分布是由一个细粒模和一个中间模组成,但近海的粒子数浓度大于远海。远海气溶胶粒子谱型稳定,海面风力是引起粒子数浓度变化的主要原因。东海和南海的粒子谱分为二段,小于0.5 m时用Junge谱的指数分布来描述,0.5~4 m段用对数正态分布来描述。大风天气下海洋气溶胶的消光系数明显增加,且在1~3 m波段的消光特征基本不受波长的影响。     

基于散射矩阵的气溶胶识别与粒径分布反演研究

散射矩阵是描述介质散射特性的重要参数,该参数对介质的理化特性敏感。为研究利用该参数对气溶胶进行识别及理化特性获取的可行性,设计并实验测量了聚α烯烃和氯化钠两种气溶胶样品的散射矩阵,讨论了二者矩阵元素的角度分布规律,并基于Mie散射理论,采用模板匹配的方法利用测量结果对聚α烯烃气溶胶的粒径分布进行了反演。结果表明通过矩阵元素的角度分布规律可以对两种气溶胶进行有效识别与区分,结合相关散射模型与反演方法还可以获得气溶胶的理化特性。该研究为气溶胶识别及其理化特性的获取提供了方法参考。     

气溶胶粒径数密度谱的激光大气传输工程应用

气溶胶粒径数密度谱分布是激光大气传输计算的重要参量,鉴于气溶胶的时空变化和难于现场测量的特点,以实测数据为依据,从工程应用角度出发,使用数据拟合的方法得到气溶胶粒径数密度谱与能见度的函数表达式,并通过仿真计算验证该函数的实用性.     

分析细小气溶胶粒子的质谱仪

美国Delaware大学Johnston等人研制出用做超细粒子分析的激光质谱仪,用激光烧蚀法实时分析单个气溶胶粒子,粒子直径为10～150 nm,比现有同类仪器能测量的粒子直径小一个量级.     

基于二甘醇的气溶胶粒径谱仪在测量3 nm 以下颗粒物时的性能比较

近年来, 基于二甘醇的气溶胶粒径谱仪被广泛用于 3 nm 以下气溶胶颗粒物的粒径谱测量, 探究比较这些仪器 的性能对于粒径谱的准确测量有着重要的意义。对基于二甘醇的扫描电迁移率粒径谱仪 (DEG-SMPS) 和颗粒物粒径 放大器 (PSM) 进行了比较研究。在实验室标定过程中, 为让 PSM 获得更可靠的数据, 建议尽可能将标定范围设定至 大于 4 nm, 以减少 3 nm 以上的颗粒物在数据反演过程中的影响, 还可以增加 PSM 数据反演的粒径范围。研究表明, PSM 和 DEG-SMPS 在测量小于 3 nm 的颗粒物数浓度时, 结果较为一致。在外场观测的每个新粒子生成天, 这两种仪 器之间的数浓度相关性均很好 (r2 >0.75)。但 PSM 与 DEG-SMPS 总数浓度比值的斜率在 1.4 到 4.5 之间变化, 推测可 能是由于新粒子生成的颗粒物化学组分的不同导致的。此外, 一些不可忽略的不确定因素, 如两台仪器标定检测效 率所产生的不确定度以及 DEG-SMPS 使颗粒物带电时荷电效率的不确定度等, 也可能导致该比对结果的差异。由于 DEG-SMPS 使用静电气溶胶分级器 (DMA) 对颗粒物的粒径进行区分, 而 PSM 是通过改变二甘醇的过饱和度以激活 不同粒径的颗粒物, 进而通过数据反演来对粒径进行区分, 因此 DEG-SMPS 的粒径分辨率比 PSM 要高。但 PSM 在低 颗粒物数浓度的环境中表现更好, 包括一些较弱的新粒子生成天, 这是因为 PSM 不需要使颗粒物带电, 从而避免了 3 nm 以下颗粒物的极低的荷电效率的问题。因此相比于 DEG-SMPS, PSM 不容易受到凝聚核粒子计数器 (CPC) 的计数 误差带来的影响。总的来说, PSM 和 DEG-SMPS 都足以用于测量 3 nm 以下颗粒物的粒径谱分布, 有助于更好地进行 新粒子生成过程的研究, 结果中仍然存在的部分不可忽略的不确定性问题需要在未来的研究中进一步解决。     

典型地区大气气溶胶谱分布和复折射率特征研究

为了研究典型地区大气气溶胶的谱分布和复折射率的特性,综合运用了黑碳仪、能见度仪、积分浊度仪以及光学粒子计数器等仪器对大气气溶胶进行测量。根据球形粒子的Mie散射理论,利用各仪器测量的数据反演得到气溶胶复折射率,并分析了各个地区的粒子谱分布特征,消光系数和吸收系数随波长的变化关系。结果表明,新疆地区、天津地区、厦门地区及合肥地区的大气气溶胶折射率实部nr都在1.5左右,虚部ni分别为0.01、0.017、0.008和0.016。新疆地区的数浓度谱分布可以用Junge分布来描述,天津地区、合肥地区和厦门地区数浓度谱分布可以用Junge分布和对数正态分布来共同描述。最后还对四地区气溶胶消光和吸收特性随波长的变化关系进行描述,这对于研究气溶胶气候效应具有一定的参考价值。     

激光遥测大气污染

前言 随着现代工业的发展，大气污染将是一个不可忽视的严重问题，为了防治这种污染，必需首先对大气进行监测。早期监测必需对空气取样，然后带回实验室，利用常见的气体分析仪器，如色谱仪和红外分光光度计进行分析。在大范围内进行取样，不单是耗费时间，而且常常造成误差，有时根本无法取样。由于激光具有高的指向性和高的单色亮度，特别是可调谐激光器的出现，使得可以直接利用激光束对污染气体的成份和浓度分布进行监测。目前激光雷达的各项技术亦趋于完善，再把它和激光光谱技术接合起来，就将产生完整而又实用的大气污染监测装置。     

大气气溶胶飞行时间激光质谱仪实时数据采集处理系统

自行研制了一台大气气溶胶飞行时间激光质谱仪(ATOFLMS),它可以实时地对气溶胶单粒子进行物理和化学特性分析,是大气气溶胶研究和测量的一个有力工具.该仪器在运行过程中将产生海量的实验数据,对这些数据的实时、自动处理、提取有价值的信息是整机系统的关键之一.我们基于面向对象的技术为它开发了配套计算机软件MS-ACS,该软件能够自动地实现气溶胶单粒子的粒径和化学成分信息的实时采集、分析和存储功能.     

反常衍射近似在测量圆柱形粒子粒径分布中的应用

在光全散射法颗粒粒径测量中,基于米氏(Mie)理论的计算方法只能求出均匀球形粒子的消光系数,而且计算复杂。通过反常衍射近似(ADA)代替米消光系数,可以简化粒径分布的反演过程。对使用反常衍射近似方法计算圆柱形粒子消光系数的可行性以及限制条件进行深入的研究,并在非独立模式算法下,采用遗传算法反演粒径分布。仿真结果表明,当粒子的相对折射率在一定范围内时,利用反常衍射近似反演圆柱形粒子的粒径分布是完全可行的,反演结果稳定、可靠。对消光值测量结果加入3％相对误差时,反演误差为5．7％。该方法具有简单、直观、计算速度快等优点,适合颗粒粒径的在线测量。     

中国东部海域大气气溶胶光学性质及其气溶胶模型分析

利用5个航次的海上实测资料,分析了东中国海域上空气溶胶的光学性质,并利用实测资料对SeaDAS软件中的气溶胶模型在该海域的适用性进行了评估。结果表明:在该海域气溶胶大部分为弱吸收性类型(约占60%),同时也存在强散射性类型(约20%)和强吸收性类型(约20%)。气溶胶粒径体积谱主要呈双峰模式,但是在双峰之间还存在着一个不显著的次峰,因而用三个对数正态函数之和来描述气溶胶粒径体积谱要优于用两个对数正态函数之和来描述。实测资料和SeaDAS气溶胶模型的单次散射反照率的对比结果显示,在该海域具有吸收性的沙尘和烟尘气溶胶的影响不可忽略,而目前的SeaDAS气溶胶模型主要针对非吸收或弱吸收气溶胶,不能完全满足东中国海域海色遥感大气校正的需要。     

基于SPSO算法的粒子群粒径分布反演

针对粒径分布反演传统算法收敛精度不高、易陷入局部最优的缺点,根据粒子群的激光透射模型,提出一种基于随机微粒群算法(SPSO)反演粒子系粒径分布的快速有效方法,对于非独立模式下的R-R分布、正态分布、对数正态分布等粒子粒径分布情况进行了反演计算,获得了合理的粒径分布.该方法概念简单,易于编程实现,同时对优化目标函数无需连续、可微等苛刻的条件,具有较强的鲁棒性和适应性,提高了粒径分布反演的可靠性和灵敏性.     

大气气溶胶和云雾粒子的激光雷达比

对探测大气气溶胶和云雾粒子的激光雷达的关键参量——激光雷达比问题进行了详细的讨论，利用实际大气气溶胶和云雾粒子的光学特性对0．532μm和l.064μm波长上的激光雷达比进行了计算分析，得到了各种气溶胶粒子组份和典型的集合状态以及云雾粒子的激光雷达比。发现激光雷达比和粒子的物理、光学性质密切相关，不同种类的粒子的激光雷达比有巨大的差异，并且两个波长上激光雷达比的相互关系也不相同，这些结果为激光雷达探测大气气溶胶和云雾粒子提供了依据。     

基于人工神经网络的脉冲激光烧蚀Ag纳米粒子胶体的预测和验证

为有效缩短蒸馏水中脉冲激光烧蚀制备Ag纳米粒子胶体工艺中繁琐的实验过程,采用LinNet PF神经网络平台对制备工艺与平均粒径及粒径分布的关系进行建模,并将其运用到平均粒径及其分布的预测中去,讨论了激光能量密度、激光重复率、烧蚀时间和平均粒径及其分布的关系.克服了以往单因素实验法不能正确反映制备工艺和平均粒径及其分布之间复杂的非线性关系的弱点.预测和验证结果均表明实验值和网络预测值之间相对误差都在10%以内,从而表明神经网络能够更精确、更可靠地逼近它们之间的非线性关系.该方法为有效、快捷、经济地开发研制金属纳米粒子胶体提供了新的思路和有效手段.     

大气气溶胶细粒子谱校正方法实验研究

利用Gilibrator-2电子皂膜流量计对扫描电迁移率粒径分析仪(scanning mobility particle sizer,SMPS)的系统流量进行了校正,同时利用气溶胶发生器对SMPS测量粒径的准确度进行了检测。结果表明:校正SMPS系统流量前,其样流和鞘流的面板显示值与实际值存在偏差。用标准粒径200 nm的聚苯乙烯乳胶球发生气溶胶,得到校正面板流量前后SMPS的峰值直径分别为274.3 nm和198.7 nm,测量结果与标准粒径的偏差从36.1%降低到2.1%,校正后可以实现准确测量。对比分析了校正流量前后SMPS谱分布和数浓度的变化情况以说明校正的必要性。     

500～m激光传输路径大气光学参数遥测系统

本文介绍了500m激光传输路径上大气光学参数遥测系统。它由温度脉动传感器、气象参数传感器、单片机系统、微机及网络系统组成。该系统具有自动采集、处理、存储、实时显示等功能,可得到大气光学湍流强度、温度脉动功率谱、大气温度、湿度、风向和风速等大气光学参数的时间变化和空间分布。     

大气能见度对激光警戒系统作用范围的影响

运用米氏散射理论,计算了大气能见度分别为23、10和6千米,湿度为75％的都市郊区低空条件下,垂直于光轴的截面内直射光束的辐照度分布和大气散射光的最大辐照度分布,得到了合理的结果。