随机取向气溶胶凝聚粒子光学特性研究北大核心CSCD

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.     

气溶胶凝聚粒子散射特性的数值计算

利用Cluster-cluster aggregation (CCA)模型,模拟了由相同数目球形原始微粒凝聚而成的四种随机取向气溶胶凝聚粒子.根据物质的电结构,将气溶胶凝聚粒子离散为一系列偶极子,结合离散偶极子近似方法,在获得每一个偶极子的电偶极矩之后,数值计算了气溶胶凝聚粒子散射强度的角分布,并分析了散射强度随入射光入射角度和气溶胶凝聚粒子尺寸参数变化的规律.结果显示:当散射角较小时,气溶胶凝聚粒子取向和入射光的入射角度对散射强度影响不大,当散射角增大时,散射强度则明显依赖于气溶胶凝聚粒子取向和入射光的入射角度;对于不同尺寸参数的气溶胶凝聚粒子,在同一角度入射情况下,随尺寸参数的增加,气溶胶凝聚粒子的散射主要集中于前向散射.     

气溶胶凝聚粒子散射特性的数值计算

利用Cluster-cluster aggregation (CCA)模型,模拟了由相同数目球形原始微粒凝聚而成的四种随机取向气溶胶凝聚粒子．根据物质的电结构,将气溶胶凝聚粒子离散为一系列偶极子,结合离散偶极子近似方法,在获得每一个偶极子的电偶极矩之后,数值计算了气溶胶凝聚粒子散射强度的角分布,并分析了散射强度随入射光入射角度和气溶胶凝聚粒子尺寸参数变化的规律．结果显示：当散射角较小时,气溶胶凝聚粒子取向和入射光的入射角度对散射强度影响不大,当散射角增大时,散射强度则明显依赖于气溶胶凝聚粒子取向和入射光的入射角度;对于不同尺寸参数的气溶胶凝聚粒子,在同一角度入射情况下,随尺寸参数的增加,气溶胶凝聚粒子的散射主要集中于前向散射．     

孔隙率对气溶胶凝聚粒子光学特性的影响

采用Monte-Carlo方法,对气溶胶凝聚粒子进行了模拟,讨论了凝聚粒子的孔隙特性,分析了空间结构、原始粒子数目对凝聚粒子孔隙率和等效折射率的影响。结合物质的电结构,将气溶胶凝聚粒子离散为一系列偶极子,利用离散偶极子近似方法,数值计算了不同孔隙率气溶胶凝聚粒子的散射、吸收和消光截面各种取向的统计平均值。结果表明,气溶胶凝聚粒子的孔隙率明显取决于其空间形状和所含原始微粒的数目;气溶胶凝聚粒子的等效折射率、吸收、散射和消光截面则随孔隙率的增加而减小。研究结果可为全面理解气溶胶粒子光学特性提供参考;也可为某些涂层材料光学性能的改变提供参考,通过改变涂层材料中凝聚粒子的孔隙率来改变涂层材料的等效折射率,进而改变涂层材料对光的散射和吸收。     

随机取向团簇自然气溶胶光学特性

利用离散偶极子近似法计算分析了随机取向团簇自然气溶胶(包含灰尘和海盐)在等效半径变化范围为0.01～2 m（波长为0.55 m时对应尺度参数为0.1～23)时的光学特性。通过考察成分和形状的影响,计算结果表明:成分对团簇自然气溶胶的散射、后向散射效率因子,不对称因子,以及米散射区范围内的消光效率因子的影响均较小,其中对尺度参数为9～23时的消光效率因子和尺度参数小于2.3时的不对称因子几乎没有影响;成分对瑞利散射区范围内的消光效率因子及吸收效率因子的影响相对较大。形状对团簇自然气溶胶在尺度参数小于0.7时的消光、吸收、散射效率因子及后向散射效率因子的影响可以不计;当尺度参数大于4.6时,粒子的内在对称性和表面的突变会带来明显的影响。另外,团簇自然气溶胶在米散射区内、尺度参数较大时,散射相函数有明显的后向散射加强效应。     

随机分布黑碳-硅酸盐混合凝聚粒子的消光特性研究

基于分形理论,采用蒙特卡罗方法对随机分布的混合凝聚粒子的空间结构进行了仿真模拟。利用Bruggeman有效介质理论得到了占有不同体积份额黑碳的内混合凝聚粒子的等效复折射率。采用离散偶极子近似方法对随机分布混合凝聚粒子在内外混合状态下的吸收、散射和消光效率因子等消光特性参量进行了数值计算,深入探讨了混合方式、容积含量、入射波长以及基本粒子粒径和数量对混合凝聚粒子消光特性的影响规律。通过将所得数值结果与T矩阵方法的数值结果进行比较发现,两种数值方法计算的结果非常相近。结果表明,随机分布混合凝聚粒子的散射效率因子对混合方式非常敏感,消光效率因子对混合方式较敏感,而吸收效率因子对混合方式不敏感。随着凝聚粒子尺度参数的增大,混合方式对散射和消光效率因子的影响逐渐显著。内外混合方式下,随着黑碳体积比的增大随机分布混合凝聚粒子的吸收、散射和消光效率因子均近似线性增大,并且增大的幅度随着粒子尺度参数的增大而增大。     

一种内混合气溶胶粒子模型光散射的等效性

以包含灰尘、黑碳和水三种成分的单分散内混合初次气溶胶为例,利用消光、吸收、散射效率因子和不对称因子,探讨了以等效折射率描述具有不同成分的内混合气溶胶粒子系统的适用性。结果表明,在尺度参数为0.1～25时不同半径比下,消光、吸收和散射效率因子的等效性较好,相对误差分别在3%、3%和4%以内;不对称因子的等效性相对稍差,相对误差在13%以内。当半径比a/b小于1/5,即内混合体中所含灰尘和黑碳较少时,等效折射率实部和虚部值基本可以确定,而不必考虑尺度参数的影响。用除散射相函数之外的其他光学量来等效时,较为容易找到等效的气溶胶粒子。     

取向比对椭球气溶胶粒子散射特性的影响

利用T矩阵和离散坐标法研究了取向比对椭球粒子散射特性的影响, 计算了小尺度范围内椭球粒子的散射特征参量, 包括消光效率因子、不对称因子、单次散射反照率、散射相矩阵及双向反射函数(BRDF). 结果表明, 椭球粒子的散射特性与取向比密切相关, 粒子取向比会影响散射参量的振荡频率和振幅, 与球形粒子散射参量的相对差异也呈周期振荡趋势. 研究还发现, 某些特殊粒子尺寸的散射参量与粒子取向比基本无关. 在多次散射条件下, 分析不同取向比粒子群的BRDF随反射角和光学厚度的变化特性. 结果显示: 不同取向比粒子群的BRDF随反射角的变化趋势基本一致, 球形粒子群比非球形粒子群的BRDF曲线波动振幅更大; 球形-非球形粒子的BRDF相对差异随光学厚度和取向比的增大而减小, 随入射角的增大而增大.     

随机取向非球形沙尘气溶胶粒子的光学特性

利用离散偶极子近似法分析了一种随机取向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0.55!m对应有效半径为0.01~2!m)的光学特性,研究了沙尘粒子非球形性程度对其光学特性的影响,并考察了非球形粒子的随机取向能否用等体积球体来代替。就随机取向单分散和多分散旋转椭球体沙尘气溶胶而言,粒子非球形特征越明显,消光效率因子、不对称因子和单次散射反照率基本上偏离其等体积球体越大;对于相同的非球形,不对称因子偏离其等体积球体的相对偏差要比消光效率因子和单次散射反照率要大。非球形粒子的随机取向并不能使其光学特性严格等效为其等体积球体的光学特性。如果粒子形状偏离球体较小,则非球形粒子的随机取向的平均效果能使其消光效率因子、不对称因子和单次散射反照率近似用等体积球体的对应光学参量来等效;而如果粒子形状偏离球形较大,仅有单次散射反照率可以近似用等体积球体的单次散射反照率来等效,例如,轴半径比为16的旋转椭球体沙尘粒子的单次散射反照率偏离其等体积球体仅在3%以内。     

近红外波段气溶胶的衰减特性研究

在已知大气气溶胶折射率和气溶胶谱分布的基础上, 对近红外波段的气溶胶衰减特性进行了研究。利用Mie散射理论计算并讨论了气溶胶的消光、散射、吸收效率因子随尺度参数的变化和消光系数随半径和波长的变化, 并且在MATLAB中对各种变化情况进行了仿真。结果表明, 三种气溶胶粒子的消光和散射能力依次为沙尘性粒子, 水溶性粒子, 烟煤。消光系数在粒子半径和入射波长相近时达到最大, 并且粒子半径对消光、散射、吸收系数的影响比入射波长更明显。这些结论可以为红外辐射在大气中的衰减计算和分析提供依据。     

Influence of complex component and particle polydispersity on radiative properties of soot aggregate in atmosphere

The effects of morphological structure, water coating, dust mixing and primary particle size distribution on the radiative properties of soot fractal aggregates in atmosphere are investigated using T-matrix method. These fractal aggregates are numerically generated using a combination of the particle-cluster and cluster-cluster aggregation algorithms with fractal parameters representing soot aggregate in atmosphere. The radiative properties of compact aggregate notably deviate from that of the branched one, and the effect of morphology changes on the radiative properties in wet air cannot be neglected. However it is reasonable to use realization-averaged radiative properties to represent that of the aggregates with certain morphology. In wet air, the scattering, absorption and extinction cross-section and symmetry parameter of soot aggregates coated with water notably increase with water shell thickness. The mixing structures of dust have little effect on radiative properties of aggregates, but the volume fraction of dust has an obvious effect on extinction, scattering and absorption cross-section of aggregates when the size parameters are above the Rayleigh limit. Although the primary particle size distribution of soot aggregate has mild effect on the scattering albedo and asymmetry parameter, the deviations of the extinction, scattering, absorption cross-section among the three size distributions are significant in this study. The size distribution has a significant effect on forward scattering of phase function, while the effect can be neglected as the size parameter approaches to the Rayleigh limit.     

The single scattering properties of the aerosol particles as aggregated spheres

The light scattering and absorption properties of anthropogenic aerosol particles such as soot aggregates are complicated in the temporal and spatial distribution, which introduce uncertainty of radiative forcing on global climate change. In order to study the single scattering properties of anthorpogenic aerosol particles, the structures of these aerosols such as soot paticles and soot-containing mixtures with the sulfate or organic matter, are simulated using the parallel diffusion limited aggregation algorithm (DLA) based on the transmission electron microscope images (TEM). Then, the single scattering properties of randomly oriented aerosols, such as scattering matrix, single scattering albedo (SSA), and asymmetry parameter (AP), are computed using the superposition T-matrix method. The comparisons of the single scattering properties of these specific types of clusters with different morphological and chemical factors such as fractal parameters, aspect ratio, monomer radius, mixture mode and refractive index, indicate that these different impact factors can respectively generate the significant influences on the single scattering properties of these aerosols. The results show that aspect ratio of circumscribed shape has relatively small effect on single scattering properties, for both differences of SSA and AP are less than 0.1. However, mixture modes of soot clusters with larger sulfate particles have remarkably important effects on the scattering and absorption properties of aggregated spheres, and SSA of those soot-containing mixtures are increased in proportion to the ratio of larger weakly absorbing attachments. Therefore, these complex aerosols come from man made pollution cannot be neglected in the aerosol retrievals. The study of the single scattering properties on these kinds of aggregated spheres is important and helpful in remote sensing observations and atmospheric radiation balance computations.     

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。     

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。     

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。