非球形椭球粒子参数变化对光偏振特性的影响

针对自然界中多数沙尘、烟煤粒子的非球形问题, 在球形粒子偏振特性的基础上, 进一步研究非球形椭球粒子的折射率、有效半径、粒子形状等参数变化对光偏振特性的影响, 采用基于T矩阵的非球形粒子仿真方法, 模拟非偏振光经椭球粒子传输后光的偏振特性及其与球形粒子间的差异, 并以实际沙尘、海洋、烟煤三种气溶胶粒子为例说明结果的正确性. 结果表明: 当折射率实部越小, 虚部越大时, 球形粒子与非球形粒子的偏振差异越不明显; 当粒子有效半径增加时, 球形粒子偏振度的变化比非球形粒子更为明显, 且最大值分别出现在散射角为150°和120°的位置; 当粒子形状不同时, 不同形状椭球及球形粒子的差异在散射角小于60° 时并不明显, 且当椭球粒子纵横比互为倒数时, 两种粒子的偏振特性近似相同. 通过以上分析可知, 在光传输过程中, 椭球粒子多数情况下无法被近似为球形粒子进行计算.     

用于偏振云粒子探测系统的典型非球形粒子散射特性模拟

为进一步了解云物理过程,探测冰云及混合相云云粒子特性,提出了一种带有偏振通道的云粒子探测器模型,可以同时探测前向散射和后向散射一定立体角内的散射能量和退偏比。模拟了椭球,圆柱和球形粒子的相函数,不同角度的退偏比,总散射截面,发现球形粒子几乎不产生退偏,其退偏与椭球、圆柱粒子退偏有数个量级的差距,探测时可以直接以退偏分辨球形粒子。计算了在探测器前后两个接收立体角内非球形粒子的散射截面和退偏比均值,粒子退偏比和散射截面随粒子的横纵比变化比较连续,一定条件下可以分辨部分粒子的形状。粒子退偏比随粒子的等效半径变化波动,不利于探测时分辨粒子大小。在模拟的粒径范围内,粒子等效半径和散射截面大致成正相关,探测时可以以此分辨粒子大小。粒子散射模拟结果表明,该探测系统除可以进行球形粒子探测能力外,具有一定的非球形粒子探测能力。     

激光雷达探测绝热水云退偏振特性模拟研究

本文模拟了偏振激光雷达探测绝热水云微物理特性时由多次散射引起的退偏振问题,绝热水云的数密度在垂直方向上为定值,液态水含量和云滴有效半径随高度非线性增长,其变化规律由云层的大气压、温度以及绝热水云形成的热力学过程共同决定。激光雷达波长取0.355!m,分别计算了云底高度为1km和2km的绝热水云退偏振比随穿透深度的变化,计算结果表明,绝热水云的退偏振比随穿透深度的增加而增大,随观测视场角的增大而增大,且其变化规律与均匀各向同性云层差距很大。另外,云层高度为2km的云层有效半径比云底高度为1km的更小,在同样数密度和观测条件下,退偏振比也更小。     

基于散射比值的粒子特性提取

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τ1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(De10μm),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。     

星载高光谱分辨率激光雷达大气气溶胶和云探测研究

为实现对全球气溶胶光学参数剖面的高精度测量,采用基于碘分子滤波器的高光谱分辨率探测技术。结合欧洲中期天气预报中心（ECMWF）的大气再分析数据集（ERA5）的温度和压强数据,选取在轨期间途经撒哈拉沙漠和加拿大山火区域的星载高光谱分辨率激光雷达（HSRL）的观测数据,对沙尘类气溶胶和烟尘类气溶胶的光学特性进行分析,包括气溶胶的后向散射系数、消光系数、退偏振比和雷达比。结果表明：撒哈拉沙漠地区近地面5 km以内的气溶胶分布主要以沙尘类气溶胶为主,其退偏振比集中在0.2～0.4,雷达比数值集中在40～60 sr;加拿大山火地区的气溶胶主要以烟尘类气溶胶为主,其退偏振比集中在0.02～0.15,雷达比在50～70 sr范围。激光雷达特有的高光谱探测技术,在气溶胶和云的精细化探测和分类方面具有重要应用,将在环境监测中发挥重要作用。     

沙尘气溶胶粒子模型的线退偏比特性

利用离散偶极子近似法研究了旋转椭球体沙尘气溶胶粒子模型在尺度参数变化范围为0.1~23时(波长0.55μm对应有效半径为0.01~2μm)的线退偏比特性。通过分析比较不同轴半径比时线退偏比特性的差别,研究了粒子非球形性程度对单分散和多分散沙尘气溶胶粒子退偏比特性的影响。对单分散系,旋转椭球体沙尘气溶胶的线退偏比在瑞利散射区和米散射区随散射角的变化有不同的分布特征;在瑞利散射区,散射角分别为0°和180°的前后向散射方向,线退偏比较小,其值在1%的量级,而在散射角为90°附近的侧向,线退偏比有最大值,可达100%;在米散射区,线退偏比则无明显的极值分布,但有明显的后向增强;单分散沙尘粒子明显的非球形性特征,会增加在瑞利散射区的线退偏比,但却不会明显增加米散射区的线退偏比。而对多分散系,除了出现线退偏比最大值的侧向附近(80°~100°)之外,沙尘粒子非球形性特征越明显,其线退偏比越大。     

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。     

利用T-matrix计算非球形粒子散射特性的研究

本文用T-matrix方法计算了非球形气溶胶粒子的光学特性,得到了气溶胶粒子的消光截面、散射截面、吸收截面与气溶胶粒子形状的关系,不同形状气溶胶粒子的有着相同的散射相函数和不同的偏振度,非球形气溶胶粒子的散射相函数对其复折射指数的实部和虚部都不太敏感,而偏振相函数对其实部和虚部都比较敏感.此结论为研究大气辐射传输提供了较好的方法,尤其是偏振度与偏振相函数的提出为用偏振的方法进一步的反演气溶胶的光学参数提供了理论基础.     

非球形灰霾的紫外脉冲回波特性

为了区分不同物理特性的非球形灰霾粒子,基于T矩阵理论和蒙特卡洛方法,建立了"日盲"紫外光后向散射探测灰霾模型,仿真了非球形灰霾条件下的紫外光后向散射过程,并分析了不同宽度的紫外脉冲后向散射回波的峰值功率和半高全宽等特征.研究结果表明,当灰霾浓度在500μg/m~3以内时,紫外脉冲后向散射回波峰值功率随着灰霾浓度的增大而增大,且不同浓度灰霾的脉冲回波峰值功率之间呈线性关系,脉冲回波半高全宽随着灰霾浓度的增大而减小.对于椭球形和圆柱形灰霾粒子,在相同浓度条件下,当粒子的形变量越小时,脉冲回波的峰值功率和半高全宽越大;对于切比雪夫形灰霾粒子,在相同浓度条件下,当形变参数和波纹参数越大时,脉冲回波的峰值功率和半高全宽越大.本文研究结果可为紫外光探测灰霾浓度以及区分非球形灰霾粒子提供依据.     

非球形气溶胶粒子及大气相对湿度对自由空间量子通信性能的影响

当量子光信号在自由空间中传输时,不可避免地会穿过大气,而存在于大气的气溶胶的光散射与吸收必然会影响量子光信号的传输.本文根据气溶胶粒子谱分布及其消光系数,提出了圆柱形、椭球形、Chebyshev三种非球形气溶胶粒子与链路衰减、量子纠缠度的关系;分析了大气相对湿度与量子纠缠度、保真度的定量关系.仿真结果表明,圆柱形、椭球形、Chebyshev三种非球形气溶胶粒子对链路的衰减程度依次递增;随着圆柱形、椭球形粒子的取向比和Chebyshev粒子的等效半径的增加,纠缠度呈不同的变化趋势;当大气相对湿度为0.2和0.9时,纠缠度和保真度分别为0.72,0.32和0.75,0.22.由此可见,非球形气溶胶粒子及大气相对湿度对量子通信系统的性能影响极大.所以,在实际的量子通信系统中,应根据不同非球形气溶胶粒子和大气相对湿度,自适应调整系统的各项参数,以提高量子通信的可靠性.     

A review of optical measurements at the aerosol and cloud chamber AIDA

This paper provides a survey of recent studies on the optical properties of aerosol and cloud particles that have been conducted at the AIDA facility of Forschungszentrum Karlsruhe (Aerosol Interactions and Dynamics in the Atmosphere). Reflecting the broad accessible temperature range of the AIDA chamber which extends from ambient temperature down to 183 K, the investigations feature a broad diversity of research topics, such as the wavelength-dependence of the specific absorption cross sections of soot and mineral dust aerosols at room temperature, depolarization and infrared extinction measurements of ice crystal clouds generated at temperatures below 235 K, and the optical properties of polar stratospheric cloud constituents whose formation was studied in chamber experiments at temperatures well below 200 K. After reviewing the AIDA research activity of the past decade and introducing the optical instrumentation of the AIDA facility, this paper presents illustrative examples of ongoing and already published work on optical measurements of soot aerosols, mineral dust particles, and ice crystal clouds.     

一种无需定标的地基激光雷达气溶胶消光系数精确反演方法

如何对低云下雾霾的激光雷达探测数据进行准确定标,一直是米散射激光雷达数据反演中一个有待解决的问题.对于低云和雾霾同时出现的天气,激光很难穿透云层,不能利用大气清洁层对激光雷达信号定标.而对于探测高度小于6 km的便携式米散射激光雷达,由于探测高度较低,也很难利用大气清洁层对激光雷达数据进行定标.本文根据Fernald前向积分方程的特点,提出了一种气溶胶消光系数迭代算法.通过对反演过程进行特定设置,每经过一次迭代,利用气溶胶消光系数迭代算法得到的气溶胶消光系数反演值与其真实值之间的差值就会相应减小.经过几次迭代后,气溶胶消光系数反演值与真实值之间的差值就会小到可以忽略不计.初步反演结果表明:利用气溶胶消光系数迭代算法,无需对激光雷达探测数据定标就能精确反演出气溶胶消光系数廓线.     

Identification of aerosol species using polarization lidar

This paper presents a new approach that has been developed to identify individual aerosol species using polarization lidar measurements. Individual aerosols can be identified based on their distinct ratios of extinction to backscatter, which are related to the depolarization ratio profile. Aerosol backscatter coefficients can be obtained from these ratios. Differential aerosol backscatter coefficients are proportional to the variation of the ratio of extinction to backscatter coefficient, and the coefficients increase, reach a peak value, and then decrease again, with increasing range.     

云和气溶胶探测星载激光雷达及其应用

介绍了在轨飞行的云和气溶胶探测星载激光雷达系统的原理和结构,该激光雷达能够探测全球范围内30km以下的云和气溶胶的消光系数和退偏比。利用CAUPSO实测数据,对发生在华北的一次沙尘天气进行分析,得到了河北省内沙尘消光系数和退偏比分布。结果表明,由沙尘气溶胶导致的消光系数最大可以达到0．22／kin;该次沙尘具有典型的层状结构,最可几层数为2,沙尘层的最大退偏比可以达到0．23。     

Raman散射探测南京地区气溶胶光学特性

利用位于中国气象局南京综合观测基地的Rayleigh-Raman-Mie激光雷达Raman通道实测数据反演分析南京北郊气溶胶光学特性。在反演计算消光系数的过程中发现Raman信号波动很大、起伏很多,对我们反演结果带来了很大的困难,导致消光系数值波动范围达到-0.1~0.4km~(-1)。经过反复试验计算,用小波去噪解决这个问题,并将其反演结果与同一时刻同一仪器不同通道(Mie通道)反演结果进行对比,2011年3月30日晴天条件下二者消光系数都在0.05km~(-1)左右,它们的趋势具有很好的一致性,表明小波去噪能提高Raman散射反演气溶胶光学特性的准确性。     

Comparison of indigenously developed micro pulse polarization lidar with EZ lidar profiles

A Micro Pulse Polarization LIDAR (MPPL) has been designed and developed for aerosol and cloud studies at National Physical Laboratory, New Delhi, India (28° 35′ N, 77° 12′E) using a low-energy pico-second pulsed Nd:YAG laser at 532 nm and single PMT detector. This has been used for detecting depolarization characteristics with back-scatter coefficient of atmospheric aerosols and clouds. The back-scattered signals are detected at the emitted wavelength with co-polarization and cross-polarization discrimination with a mirror on stepper motor for aerosols and cloud. Data are obtained by MPPL and are inter-compared with a well-established commercial Leosphere made EZ LIDAR, industry standard at the same site and time, and the results are found to be in good agreement. In the present communication the back-scattered coefficient, aerosols optical depth, depolarization ratio etc. obtained using MPPL & EZ LIDAR are discussed in detail.     

气溶胶消光系数与质量浓度的相关性研究

为了利用激光雷达探测的消光系数垂直分布来反演气溶胶质量浓度的垂直分布,研究气溶胶消光系数与质量浓度之间的关系就显得十分重要.根据Mie散射理论,分析了气溶胶的质量消光系数、消光系数和质量浓度之间的关系,引进了等效参数,分析了Junge指数对等效参数的影响.用实际测量的粒子谱分布、能见度、相对湿度和气溶胶质量浓度验证了气溶胶消光系数和质晕浓度之间的关系.这对利用激光雷达测量的气溶胶消光系数垂直分布来反演气溶胶质量浓度的垂直分布是很有实用价值和指导意义的.     

相态对冰水混合云微观特性反演的影响研究

当云层的温度在－40℃~0℃之间时, 云层中会存在冰和水两种相态的云滴, 其散射特性与纯水云以及纯冰云特性有较大差异, 因此遥感反演混合相云层的微观和宏观物理特性具有重要的意义。本文采用冰水双层球模型模拟了冰水混合云中的云滴, 利用Mie理论计算了纯水、纯冰和冰水颗粒的单次散射特性, 分析了单次散射相函数, 不对称因子, 单次散射反照率等随着有效半径、相态、内外半径比等的变化特性。利用离散纵标法(DISORT)计算了水云和冰云对0.75 μm、2.16 μm和3.3 μm的双向反射函数, 讨论了利用纯水滴和纯冰滴反演冰水混合云滴的误差。分析结果表明, 利用0.75 μm和2.16 μm的太阳光反演冰水混合云的光学厚度和有效半径时, 光学厚度误差较大, 有效半径误差较小; 结合0.75 μm和3.3 μm的太阳光反演冰水混合云的光学厚度和有效半径时, 光学厚度误差较小, 有效半径误差较大, 其会高估其有效半径; 另外结合0.75 μm和3.3 μm这两个波长的反射函数反演冰水云的冰水混合比更为有效。     

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。     

Synchronous detection of multiple optical characteristics of atmospheric aerosol by coupled photoacoustic cavity

Owing to the influence of sampling loss, cavity difference and detecting source, the multi-optical parameter measurement of atmospheric aerosol cannot be detected simultaneously in the same reference environment. In order to solve this problem, a new method of simultaneously detecting the aerosol optical parameters by coupling cavity ring-down spectrometer with photoacoustic spectroscopy is proposed. Firstly, the coupled photoacoustic cavity is formed by the organic fusion of the photoacoustic cavity and the ring-down cavity. Secondly, the integrated design of the coupling spectroscopy system is carried out. Finally, the extinction coefficient and absorption coefficient of aerosol are measured simultaneously by the system, and then the aerosol scattering coefficient and single albedo are calculated indirectly. The accuracy of the system is verified by comparing with the data from the environmental quality monitoring station, which provides a new idea for the detection of multi-optical characteristics of atmospheric aerosol.