空间垂直方向气溶胶消光特性的研究

在已知大气气溶胶折射率和气溶胶谱分布的基础上,对空间垂直方向的气溶胶消光特性进行了研究。文章利用Mie散射理论计算讨论了气溶胶的消光、散射、吸收系数随各参数的变化,并在MATLAB中对变化情况进行了仿真。结果表明,粒子半径与入射波长大小相近时气溶胶的消光最强,并且随着能见度的增大,气溶胶衰减系数减小。这些结论可以为红外辐射的大气衰减计算和分析提供依据。     

大气气溶胶消光特性和折射率的测量

 介绍了一种综合利用能见度仪、微脉冲激光雷达和光学粒子计数器测量大气气溶胶折射率的新方法。首先使用能见度仪和激光雷达测量出大气气溶胶的消光系数和消光后向散射比，然后使用粒子计数器测量出粒子谱分布，结合气溶胶粒子折射率，根据球形粒子的米（Mie）散射理论，可以得到气溶胶消光系数和消光后向散射比。通过分析消光系数、消光后向散射比、粒子谱分布和折射率之间的关系，结合已知的消光系数和消光后向散射比，反演出大气气溶胶粒子的折射率。     

基于Mie散射理论的C@H_2O复合粒子散射特性研究

大气中大量存在的复合粒子会对激光传输效率产生很大影响。由于空气中水蒸气含量较高,以C作为凝结核外层包裹以水的核壳结构微粒对光传输具有明显的散射效应。本文应用Mie散射理论对C@H_2O核壳结构微粒的散射特性进行了理论分析和数值计算,首先给出了不同入射波长、核粒子半径以及水膜厚度条件下散射强度分布变化曲线;其次给出了不同入射波长、核粒子半径以及水膜厚度条件下偏振变化情况;最后讨论了光学截面与粒子半径之间的关系。结果表明各参数对前向散射强度影响较大,入射波长越大散射强度越弱,C核半径增大粒子的前向散射增强,水膜厚度增大粒子的前向散射增强,而后向散射无明显影响;入射波长较大时,粒子在多个角度出现线偏振光,入射波长增大、碳核半径变大、水膜厚度增大,偏振度峰值都会增多;随着入射波长的增大,散射截面最大峰值位置向着半径增大的方向移动,并伴随一定的振荡现象,散射和消光截面在碳核半径为0.1μm左右达到最大值。     

具有复折射率微粒的Mie散射光学特性研究

利用Mie散射理论,对大气溶胶中烟灰颗粒的Mie散射、消光和吸收截面以及散射场进行了计算,同时给出了Mie散射的散射场强度随散射角的变化以及内部场强随粒子半径的变化。     

激光在云雾中传输的消光特性（英文）

研究了大气分子和云雾粒子对入射激光的吸收与散射效应.采用Kruse模型、单次散射近似法和蒙特卡洛法计算了谱分布参量不同的三种云雾对0.86μm波长激光的消光特性,结果表明:能见度小于0.5km时,Kruse模型不再适用于云雾消光系数的计算;能见度相同时,消光系数的单次散射近似结果大于蒙特卡洛的仿真结果,导致传输距离相同时,云雾对0.86μm波长激光透过率的单次散射近似结果小于蒙特卡洛的仿真结果;同一能见度下谱分布参量不同的三种云雾,消光特性的差别较小,云雾粒子尺度分布对消光特性的影响不明显.     

激光雷达遥感地表气溶胶消光吸湿因子及其对波长的依赖特性

介绍了一种在开放大气环境下、利用水平探测的双波长-偏振米氏散射激光雷达遥感地表气溶胶消光吸湿增长因子的新方法。在激光雷达垂直观测气溶胶吸湿性质相关研究报道的数据筛选方法的基础上,利用消光系数与实测相对湿度(RH)之间的强相关性,以及实测的粒子质量浓度和粒子退偏振比的变化规律作为判据,说明吸湿增长作用是引起地表气溶胶消光系数增大的主要原因。相比于激光雷达垂直方法观测气溶胶吸湿性质,该筛选过程更加严格地约束了激光雷达水平观测吸湿性质的筛选判据,且对气象条件的约束相对简单。利用筛选得到的有效数据,计算得到气溶胶消光吸湿增长因子,并分析其对波长的依赖特性。观测结果表明,在开放大气条件下,合肥地区粒子谱分布可能会出现单模态、双模态甚至多模态的复杂情况,导致Angstrom波长指数与相对湿度之间的变化规律表现为正相关、负相关和不相关3种结果;同样也导致短波的气溶胶消光吸湿增长因子弱于、等于或强于长波的气溶胶消光吸湿增长因子的多样性现象。     

基于组合拟合法的冰晶粒子的光散射计算

利用组合拟合法计算了冰晶粒子的单次散射特性。给出了消光效率因子、单次散射反照度及非对称因子的拟合公式,利用拟合公式对有效粒子尺度为20μm和120μm的六种冰晶粒子的消光效率因子、单次散射反照度及非对称因子进行了计算。结果表明,粒子的消光效率因子、单次散射反照率和非对称因子随着入射波长的增加有着较大的起伏,后两者随着波长的增加而变化趋势基本一致;对于单次散射反照率来说,在可见光波段,反照率非常接近于1;在短波段,粒子的非对称因子变化较小,并且随着波长的增加,非对称因子会逐渐增大。     

北京奥运前期典型天气喇曼激光雷达观测研究

以自行研制的双波长三通道拉曼激光雷达、振荡天平(PM10、PM2.5)、碳黑(BC)气溶胶分析仪及能见度仪相结合对"好运北京"2008年奥运会前期典型天气状况进行了测量与分析,给出了北京奥运主场馆上空气溶胶消光系数的垂直分布及其时空变化关系,计算了气溶胶的消光散射比,并分析了灰霾天气条件下大气能见度、气溶胶颗粒物PM10、PM2.5、BC及气溶胶消光系数垂直分布之间的相互关系.研究结果表明,灰霾天气条件下,大气能见度、颗粒物质量浓度与气溶胶颗粒物消光系数之间具有直接的相关性.     

沿海和内陆地区多波长光谱气溶胶标高的比较分析

大气气溶胶的光学特性是大气环境、大气辐射、激光大气传输和进行空中目标识别的重要影响因子之一,而光谱气溶胶标高(spectral aerosol scale height, 简称SASH)是反映气溶胶高度分布特征的关键参量;在考虑无云状态下可见和红外波长范围的太阳辐射情况时,不仅仅要考虑总的气溶胶消光的组成,而且还要估计不同空间间隔范围内的有效高度。文章基于大气气溶胶浓度随高度指数衰减的原理,利用前向散射能见度仪和连续光谱的太阳辐射计,并辅以必要的温湿探测设备,同时测量了典型地区大气柱光学特性以及近地面层的大气水平光谱消光系数,建立多波长SASH的计算方法,获得了可见光波段(波长400,440,532,550和690 nm)的大气SASH的变化特征：无论是沿海还是内陆地区,随着波长值的增加,SASH减小;对于东南沿海某地,一般地,冬季SASH要大于夏季的SASH;而对于内陆合肥地区,冬季SASH要小于夏季的SASH。     

用Mie散射理论计算大气气溶胶光学特性

本文在已知厦门海域气溶胶粒子谱分布的基础上,用MIE散射理论计算了该地区气溶胶粒子的光学特性,得到了气溶胶粒子的散射截面、吸收截面、消光截面与波长的关系,散射相函数以及偏振相函数,并用实验对两个相函数加以了验证。此结论为研究大气矢量辐射传输提供了很好的方法;尤其偏振相函数的提出为今后用偏振的方法研究大气提供了理论依据。     

双光路DOAS系统获取大气颗粒物粒谱分布方法研究

当前大气复合污染日趋严重,造成大气氧化性增强,气体向颗粒物的转化加快。大气颗粒物粒径大小及谱分布决定其在大气中的行为,以差分吸收光谱法（DOAS）为基础,结合双光路设计技术,开展实时、在线、获取近地面大气气溶胶颗粒物的粒谱分布的光谱方法研究。首先构建低噪声性能稳定的宽带氙弧灯为光源的双光路差分吸收光谱系统,基于干净天气条件下大气的能见度数据对系统进行校准,通过两个不同光路获得的光谱信号强度之比获取近地面紫外-近红外波段的大气总宽波段消光系数。基于宽波段消光系数,在去除瑞利散射以及气体吸收对消光系数的影响后,解析出气溶胶颗粒物的消光系数。基于核函数准则,利用均匀球型粒子的电磁场Mie理论来反演气溶胶物理特性,获得气溶胶粒子在该测量谱段的体积谱分布,利用体积谱与数密度谱的关系,反演出气溶胶粒子的数密度谱分布。开展利用直方图方法来表现颗粒物的粒谱分布方法研究,首先将DOAS测量波段近似等分为若干谱段,利用谱段处平均值,获取气溶胶粒谱直方分布图。最后把该系统和方法应用于外场实验,获得了气溶胶颗粒物在300～650 nm范围内的消光系数,将测量波段等分为11个谱段,反演了颗粒物的在0.1～1.25 μm粒径范围的数密度谱分布。该研究为整治我国灰霾天气,研究大气气相/粒子非均相化学反应提供科学依据。同时将推动DOAS技术的进一步发展和应用。     

相对湿度对大气气溶胶消光系数的影响

消光系数是气溶胶颗粒物光学性质的关键参数之一。基于Mie散射理论和气溶胶颗粒粒径及折射率的湿度增长模型,本文详细研究了气溶胶吸湿性对其消光系数的影响。计算结果表明:当入射光波长为808nm、相对湿度在60%~95%之间增加时,因颗粒粒径的增长及折射率的减小,导致颗粒物消光系数曲线右移且其波动性更加明显;而对于同一球形颗粒,小粒径颗粒的消光系数随相对湿度的增加呈指数规律增大,较大粒径颗粒的则表现为波动减小趋势。此外,在不同入射光条件下,小颗粒消光系数与相对湿度之间的关系保持不变。本文的计算结果对气溶胶光学性质与大气环境质量的研究具有一定的参考价值。     

Extinction coefficients of surface atmospheric aerosol above LHAASO

We investigate the extinction coefficients of the surface atmospheric aerosol over the Large High Altitude Air Shower Observatory(LHAASO),located at the Haizi Mountain,Daocheng County,China.To this end,we utilize the Longtin model,Mie scattering theory,and experimental data obtained by the Cloud-Aerosol Lidar and Infrared Pathfinder Satellite Observation(CALIPSO).Our theoretical calculations show that the total extinction coefficients of the atmospheric aerosol at the wavelength of 200-500 nm are inversely proportional to the laser wavelength,and influenced by the wind speed.From July 2015 to October 2016,the extinction coefficient of the surface atmospheric aerosols at 532 nm wavelength reached 0.04 km~(-1) with no wind,while it increased to 0.1 km~(-1) with gusts.In this period,the extinction coefficients of the surface atmospheric aerosol at 532 nm wavelength,obtained by the CALIPSO,change from 0.01 to 0.07 km~(-1),which is less than the values obtained the theoretical calculation and larger than the average of Tibetan Plateau in 2006-2016.These calculations and experimental evidence provide important arguments to the model of atmospheric aerosol to be applied in the calibration of LHAASO.Our results suggest that the extinction coefficients over LHAASO require further study,including research on the size distribution,shape,concentration of aerosols particles,wind dependence,relative humidity dependence,etc.     

随机取向气溶胶凝聚粒子光学特性研究

利用Cluster-cluster aggregation (CCA)模型,模拟了由64个球形原始微粒凝聚而成的四种随机取向气溶胶凝聚粒子。结合离散偶极子近似方法,分别得到了不同入射角和不同尺寸参数情况下气溶胶凝聚粒子的吸收、散射、消光效率因子和不对称因子的数值结果,并比较分析了四种形状气溶胶凝聚粒子吸收、散射、消光效率因子和不对称因子的差异。结果显示：对于相同数目原始微粒的气溶胶凝聚粒子,其光学特性明显依赖于入射光的入射角度和气溶胶凝聚粒子的形状;对于不同尺寸参数的气溶胶凝聚粒子,当入射光波长给定时,吸收、散射和消光效率因子最初随尺寸参数增大而快速增大,随后又随尺寸参数增大缓慢变小,但在尺寸参数变化过程中存在一个极大值;不对称因子则随尺寸参数的增大一直呈增大趋势,且随尺寸参数的增大趋近于1。     

利用DDA方法计算大气气溶胶粒子光学特性

大气气溶胶是大气的重要组成部分,其光学特性是研究大气辐射传输特性的重要参量。本文基于DDA方法,对不同形状气溶胶粒子的光学特性进行计算,得到气溶胶粒子的消光因子、吸收因子随波长变化的数值结果。结合Muller散射矩阵,给出了气溶胶粒子散射强度和极化度的角分布,为研究大气辐射传输提供了有效的方法。     

太赫兹波在雾中的多重散射特性

太赫兹(THz)波作为微波和毫米波的延伸,它所提供的通信带宽和容量远大于毫米波。在随机介质中传播时,不但会发生时域和空域的形变,介质中的粒子还会对入射波发生散射,这些都会使得脉冲信号发生衰减。根据Mie理论与随机离散分布粒子的波传播与散射理论,计算了THz波信号入射下雾滴粒子的消光系数。结合雾滴粒子谱分布,得到了雾媒质的平均体系散射特性,采用蒙特卡罗法得到了平流雾对THz信号的多重散射特性,计算了THz波段信号对平流雾的透过率与反射率,分析了THz波段信号的前向、后向散射特性随散射角的分布。结果表明,低能见度大气环境中,雾对THz波产生的吸收和衰减不容忽视。相关研究结果对THz在大气传输、通信等方面的应用具有重要意义。     

皮肤组织可见与近红外Mie散射光学特性分析

依据Mie单次散射理论, 并考虑到皮肤组织复折射率实部的色散, 分析了在可见与近红外波段皮肤组织对光的吸收、散射及散射的方向特性。研究表明, 散射系数和吸收系数均随皮肤组织中散射粒子半径的增加而增加, 而且, 对于大粒子, 在某一波长处表现出强烈的散射和吸收特性。当粒子半径大于临界半径时, 散射系数呈现振荡特性, 随着折射率虚部的增加, 振幅减小。皮肤组织呈现前向散射特性, 且散射粒子的半径越大, 前向散射特性越明显。     

大气气溶胶消光系数检测系统设计

利用半导体激光器照射大气气溶胶试样后光强衰减得到大气气溶胶消光系数。光束经过气溶胶后检测透射方向的光强值,经光电转换、信号调理、AD采样后根据朗伯比尔定理计算气溶胶消光系数。采用双通道测量气溶胶消光系数的方法,减小了由于半导体激光器光强不稳定和大气分子对测量结果的影响。对设计的系统以不同浓度的气溶胶进行了检测,其线性度良好,相对误差小于4%。所设计的大气气溶胶检测装置体积小、操作简单、探测速度快,对监测大气污染和能见度等有一定的应用价值。     

基于多轴差分光学吸收光谱探测的北京春季气溶胶垂直廓线

气溶胶垂直廓线是评估污染物来源、输送等途径的必要手段。气溶胶污染对环境和人体健康带来直接的影响。该研究于2019年4-5月,利用中国科学院大气物理研究所（39.98°N,116.39°E）的地基多轴差分光学吸收光谱（MAX-DOAS）仪,对北京地区春季大气光谱垂直廓线进行了观测。凭借MAX-DOAS实时、在线、连续的观测优势,能有效的对气溶胶进行监测。MAX-DOAS基于最优估算法（OEM）以及最小二乘光谱拟合法,并以辐射传输模型SCIATRAN作为前向模型,利用海德堡廓线（HEIPRO）算法反演得到气溶胶消光系数的垂直廓线,通过对气溶胶消光系数在其路径的积分获得气溶胶光学厚度（AOD）。利用地基太阳光度计观测的AOD和高塔观测的颗粒物质量浓度垂直廓线,分别与MAX-DOAS观测的AOD和气溶胶消光系数垂直廓线进行对比,验证MAX-DOAS算法的适用性。研究结果表明,MAX-DOAS与太阳光度计观测AOD结果,相关系数为0.92,斜率为0.89。三层气溶胶消光系数与PM_2.5质量浓度的皮尔森相关系数从低处到高处分别达到0.69（60 m）,0.77（160 m）和0.75（280 m）。并且,将气溶胶平均消光系数和对应三层（60,160和280 m）的PM_2.5平均质量浓度对比,发现两者趋势一致。同样的,为了验证MAX-DOAS是否具备准确识别污染物的长距离输送的能力,我们通过Angstrom指数确定沙尘天气,通过计算梯度理查森数和边界层高度确定静稳天气,分析了在特殊天气条件下,MAX-DOAS能够对沙尘和静稳天气做出及时、准确的响应。分析气溶胶平均消光系数,发现气溶胶垂直廓线随高度升高呈现指数衰减变化的趋势,并且气溶胶消光系数均值在1.5 km高度处约为近地面的50%左右,而在1.5 km以上消光系数会随着高度的增加而快速减小。当高度达到2 km左右时,气溶胶消光系数均值下降到了0.1 km-1。以上结果表明MAX-DOAS探测大气气溶胶垂直廓线具有较高的适用性。