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.     

大气气溶胶偏振遥感研究进展

POLDER-1是国际上第一个可以获取偏振光观测的星载对地探测器, 随着POLDER/PARASOL等偏振仪器的应用, 偏振遥感在国际上已成为一个快速发展的研究领域, 并在大气气溶胶监测等方面发挥了重要的作用, 取得了一系列研究成果。从POLDER/PARASOL,APS(aerosol polarimetry sensor)和航空偏振相机、地基偏振观测平台三个方面综述了大气气溶胶偏振遥感近20年(1993-2013)的研究进展, 重点介绍: (1)POLDER/PARASOL陆地上空和海洋上空气溶胶参数反演算法; POLDER/PARASOL气溶胶光学厚度(AOD)产品精度验证、应用以及与MODIS等卫星AOD产品的对比分析。(2)MICROPOL,RSP和APS陆地上空和海洋上空气溶胶参数反演算法; 国产多角度航空偏振相机(directional polarimetric camera, DPC)的气溶胶参数反演算法。(3)CE318-2和CE318-DP的气溶胶地基偏振反演算法。其中卫星、航空和地面气溶胶参数反演的结果包括总的AOD、细粒子AOD、粗粒子AOD、粒子谱分布、粒子形状、复折射指数、单次散射反射率、散射相函数、偏振相函数以及云顶AOD。在以上研究基础上, 提出了大气气溶胶偏振遥感研究存在的问题及展望, 为大气气溶胶偏振遥感研究提供有价值的参考。     

基于多角度多光谱Stokes参数Q和U测量反演气溶胶偏振相函数

偏振相函数是气溶胶重要的光学参数之一,它对气溶胶复折射指数、粒子尺度和形状都十分敏感。多角度多光谱偏振遥感可以有效获取气溶胶偏振相函数信息。新一代CIMEL太阳-天空偏振辐射计CE318-DP作为高精度地基气溶胶偏振遥感仪器已被引入全球气溶胶自动观测网AERONET(AErosol RObotic NETwork),并作为扩展多波长偏振测量的太阳-天空辐射计观测网SONET(Sun/sky-radiometer Observation NETwork)的主要仪器,已在不同类型气溶胶观测站点积累了多年的偏振数据。但目前偏振反演仅能利用线偏振度或偏振辐亮度。与线偏振度和偏振辐亮度相比,Stokes参数Q和U不仅包含天空光线偏振强度信息还包含偏振方向信息。利用CE318-DP多光谱多角度测量的天空光Stokes参数Q和U反演气溶胶偏振相函数的方法。针对CE318-DP标准主平面偏振观测模式PPP(Polarized Principal Plane)下Stokes参数U对气溶胶特性变化不敏感、信息难以利用的不足,测试了新的平纬圈偏振扫描模式ALMP(ALMucantar Polarization)获取Stokes参数Q和U,并成功应用于偏振相函数的反演。系统分析了340～1 640 nm多光谱通道上典型生物质燃烧型气溶胶和水溶性气溶胶的-P₁₂/P₁₁反演结果并测试了反演方法在晴朗和灰霾不同大气条件下的适用性。无论在主平面还是平纬圈观测几何下,反演结果在可见光和近红外通道上均与真实值具有较好的一致性。进一步讨论了模型中基于气溶胶参数初始值和大气气溶胶参数真实值计算的“大气单次散射/大气散射”的比值近似相等的假设条件在短波通道不能很好地满足是造成紫外波段反演结果偏差较大的原因之一。后续有待进一步提高反演模型在短波通道的适用性,为利用不同光谱通道上-P₁₂/P₁₁的变化特征改进气溶胶微物理参数反演奠定了基础。     

湿度影响下的气溶胶粒子的偏振特性

气溶胶散射特性对大气辐射和气候研究具有重要意义。为研究气溶胶在不同相对湿度下的散射特性,根据Mie散射理论建立了湿度偏振模型,在0.55μm的可见光下,分析比较了3种气溶胶的单粒子和粒子群在不同相对湿度下的偏振特性。结果表明,相对湿度变化对气溶胶偏振度有规律性的影响,尤其在120°～150°的后向散射角区域,3种粒子偏振度都随相对湿度的增大而增大,说明了部分后向散射角上散射光偏振度能有效反映气溶胶粒子随相对湿度变化的信息。     

利用HITRAN资料研究黑碳和沙尘气溶胶粒子的光学特性

在IDL程序语言中实现Mie理论的数值算法,利用HITRAN资料提供的气溶胶粒子复折射指数,计算分析了沙尘、黑炭2种气溶胶粒子在不同半径（1μm,2.5μm和10μm）时,对波长为400nm和860nm光的散射效率以及散射相函数矩阵元素。结果表明：黑炭与沙尘有明显的光学性质差别,沙尘粒子不仅散射效率大于黑碳,而且后向散射比黑碳粒子强。 2种粒子对400 nm和860 nm太阳光的偏振也不同,可以利用此特性鉴别这2种气溶胶。     

沙尘气溶胶粒子群的散射和偏振特性

根据Mie散射理论,以对数正态分布函数描述沙尘气溶胶粒子群的粒径尺度分布,计算了沙尘气溶胶粒子群在0.2～40μm波段间对太阳短波辐射和地球大气长波辐射的单次散射反照率、散射相矩阵函数,揭示了不同相对湿度时,沙尘粒子群对入射辐射的散射和偏振的特征。结果表明,沙尘粒子群的单次散射反照率随着入射波长的增加有较大起伏,不同相对湿度条件下,变化趋势基本一致;在可见光、近红外波段单次散射反照率随湿度增加而变大,湿度95%时非常接近于1;大于10μm的热红外波段单次散射反照率随相对湿度增加而减小,具有较强的吸收辐射能力。散射辐射强度受湿度影响较小,随散射角的增加呈现先减小后增大的趋势,且增大的趋势随着波长的增加而减弱;不同波段上,线偏振和圆偏振随散射角和相对湿度变化存在差异;在前向和后向仅对入射辐射为圆偏振辐射产生圆偏振散射;散射光的偏振特性及其湿度差异主要表现在后向散射区,多以拱形形式体现。拱顶峰值散射角位置存在差异,且峰值散射角随相对湿度的降低向后向漂移。     

包容性非球形气溶胶粒子的散射特性及其对激光传输的影响研究

针对局部地域大气气溶胶的生成、演化的特点,在分析典型对称结构的包容性非球形气溶胶粒子的形态学特征基础上,利用T矩阵法进行了椭球形粒子含非球形粒子的包容性粒子光散射特性计算和分析.以1 064nm波长激光传输为例分别计算了两种典型分布状况的包容性非球形粒子的散射相函数等散射特性,并针对稠密气溶胶大气路径上激光传输的多散射现象,利用蒙特卡罗方法进行了典型大气状况下包容性粒子多次散射对激光信号大气传输中脉冲展宽的应用分析,在传输3km和5km距离时多次散射效应造成激光脉冲峰值半宽分别为3μs和4μs左右.指出气溶胶的基本散射特性与粒子的形态学特征、尺度因子、化学成分及颗粒密度等有密切的关系,其散射特性对激光信号的大气传输具有明显的影响.     

光学粒子计数器测量结果的订正

本文根据球形粒子的米(Mie)散射原理计算了光学粒子计数器的散射相函数和仪器响应曲线。根据被测粒子的折射率对测量结果做出订正。在研究大气气溶胶粒子尺寸谱变化规律时,这种订正是很重要的。文中举例说明了实际订正方法。     

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。     

灰霾组分的多角度偏振反射特性模拟

基于气溶胶和云光学特性库(OPAC)以及灰霾的地基研究结果,研究了水溶型(WASO)、黑碳型(BC)、沙尘型(DUST)及伴随雾云生消产生的亚微米细粒子(Sub M)4种类型的灰霾组分。利用米氏理论计算了各组分的消光系数、散射相函数、偏振相函数等光学特性,并分析了相对湿度(RH)对水溶型粒子光学特性的影响,利用辐射传输(RT3)模拟了卫星观测到的各灰霾组分多角度标量和偏振信号。结果表明:在大部分卫星观测角度,WASO和Sub M的标量信号较强,而BC和WASO的偏振信号较强;随着RH的增加,WASO粒子的消光系数有着较大的增长,而散射相函数和偏振相函数则随之整体减小,这种变化主要是由于粒子半径吸湿增大引起的。因此,为实现灰霾的遥感反演,需结合多角度偏振和标量观测信号。     

A new polar nephelometer for measurement of atmospheric aerosols

The angular dependence of light scattered by aerosol particles in the atmosphere—the aerosol phase function—is one of the key properties of every radiative transfer and climate model. Side-scattering in the atmosphere is currently believed to be underestimated by most of the radiative transfer models in certain cases. The aerosol phase function can be measured with polar nephelometers.An innovative polar nephelometer able to measure the phase function of ambient aerosol directly is presented in this publication. The performance of the device was simulated completely using ray-tracing techniques. The results of these simulations are used to interpret the measurement data precisely. The measurements with the new polar nephelometer are fully automated. The quality of the measurement results was verified using different approaches. The values of the statistical and systematic error in measuring atmospheric aerosol are about 4% each. Scattering angles from 10° to 160° were measured and it is shown that with the same design this range can be extended to 3-177° in steps of 0.16° with an aperture of less than 1.8°.Measurements of the aerosol phase function are presented and compared with data taken with an integrating nephelometer and measurements of the particulate matter concentration. All data correlate very well. The described polar nephelometer can measure the phase function and the scattering coefficient of atmospheric aerosol with high accuracy and can be used for continuous monitoring measurements as well as in field campaigns.     

紫外波段多分散系气溶胶散射相函数随机抽样方法研究

基于电磁散射与辐射传输中的基本理论,对紫外波段霾尺度范围内满足特定分布的多种气溶胶粒子的散射相函数进行了研究.提出了一种直接随机抽样拟合散射相函数的方法.比较了H-G相函数、改进的H-G相函数及随机抽样拟合的相函数与多分散系Mie相函数的偏离程度.数值计算了不同相函数拟合方法对应气溶胶的传输特性.计算结果表明,相函数的准确模拟计算对于蒙特卡罗方法等辐射传输问题的解决具有十分重要的意义.     

基于电荷耦合器件探测气溶胶散射相函数与大气能见度的研究

提出一种测量大气气溶胶散射相函数及能见度的方法,并且设计了以半导体激光器为光源和以电荷耦合器件(CCD)为探测器的实验装置,利用该实验装置测量了15°～45°的散射灰度值角分布。根据激光雷达方程和Henyey-Greenstein散射相函数理论,拟合气溶胶的相函数分布,计算其能见度。将拟合得到的相函数和计算的能见度的结果分别与POM天空辐射计和Belfort能见度得到的观测结果进行对比,结果表明两者一致性较好,证明了利用激光光源和CCD测量气溶胶相函数和能见度的可行性。     

多次散射辐射传输计算中的相函数处理

在实际大气中,分子和粒子不仅遭受单次散射,还遭受多次散射。本文首先计算了多次散射在总散射量中的贡献。结果表明当光学厚度大于0.1时,多次散射在总散射量中的贡献将超过10%,因此必须考虑多次散射的作用。在多次散射辐射传输计算时,一般需把散射相函数展开为勒让德(Legendre)函数的多项式。有些介质如云或气溶胶粒子,散射相函数前向非常尖锐。展开的Legendre多项式需数百项甚至上千项才能收敛,而计算时间与展开项数的3次方成正比。本文介绍了在辐射传输计算时对尖锐相函数的δ-M和δ-fit处理方法,比较了两种方法的计算结果。当计算用的流数相同时,δ-fit方法的计算结果比δ-M方法的计算结果要精确得多;当计算结果精确度相同时,δ-fit方法的流数比δ-M方法的流数少得多,运算速度也快很多。δ-fit方法是目前处理散射相函数的理想方法,可以大大提高计算的精度以及缩减运算时间。     

非球形气溶胶粒子散射相函数经验公式

散射相函数是研究电磁波传输特性的重要参数，直接影响电磁波传输方程的简化程度和解的精度。基于电磁散射与辐射传输中的基本理论，对非球形粒子散射相函数的经验公式进行了研究。为了很好的模拟非球形粒子的后向散射峰值，提高辐射传输方程的简化程度和解的精度，提出了一种新的相函数经验公式。分析新的相函数对非球形粒子的适用性，以单个沙尘性气溶胶为例，计算了不同形状粒子的Henyey-Greenstein*相函数和新的相函数随角度的变化，并与T矩阵法的计算结果进行了对比，发现椭球形粒子的长短轴比和有限长圆柱形粒子的径长比大于0.5时，新的相函数在大角度后向散射部分与T矩阵法的吻合程度较高。考虑波长变化，对比了尺寸谱满足对数正态分布的四种气溶胶粒子的Henyey-Greenstein*相函数和新的相函数与T矩阵法的计算结果。研究表明，对于椭球形粒子和有限长圆柱形粒子，在大角度(大于90°)后向散射部分，除了0.694时的椭球形海洋性气溶胶，新的相函数均方根差较小的占100%，证明了新的相函数可以较好的模拟非球形粒子的后向散射特征。新的相函数对准确模拟辐射传输过程具有重要意义。     

团簇自然气溶胶散射相函数的数值分析

针对不同比例的灰尘和海盐团簇自然气溶胶,利用离散偶极子近似(DDA)法,通过考察成分的影响,使用波长为0.55 m,尺度参数变化范围为0.1~25时,研究了散射相函数和激光雷达比的影响,结果表明二者的变化趋势大体相同。尺度参数为13~24时,团簇自然气溶胶散射相函数有明显的后向散射加强,其中尺度参数为18附近,后向散射加强效应最明显。灰尘比海盐对散射相函数影响更大,二者的影响主要集中在尺度参数为15~25范围内,但除了散射角为180附近的后向外,影响的散射角方向略有不同。不同比例下的团簇自然气溶胶激光雷达比在尺度参数为3左右有最大值,其值约为180。在尺度参数为0.2~25范围内,成分对激光雷达比的影响不大,相对偏差小于10%,特别是尺度参数为0.5~2时的影响可以忽略,相对偏差小于1%。     

内混合强吸收气溶胶粒子光散射的等效性

 以黑碳和水两种成分组成的内混合单分散气溶胶粒子为例，根据其各消光效率因子、吸收效率因子和散射相函数，分析了用等效折射率来描述含有不同成分的内混合气溶胶系统的适用性。结果表明：在瑞利散射区和几何光学区内，内核（碳粒）体积比为0.01,0.1,0.5,0.9时，消光效率在大多数尺度参数下等效性都很好，但在米散射区内相对较差；当体积比大于0.3时，其吸收效率、消光效率等效性较好；除瑞利散射区外，散射相函数在各体积比下的等效性都很差。当考虑内混合气溶胶粒子系统的散射和吸收特性时，一般不难找到等效折射率，但在光散射技术中，应用相函数反演等效折射率的可靠性还有待商榷。     

Solar Radiation Scattering by Aerosol Axially Symmetric Objects

We have obtained analytical expressions for the scattering coefficient and the angular distribution of radiation for the aerosol train (tail) modeled by a homogeneous cylinder with given scattering coefficient and phase function of the elementary volume. The analytical formulas for the angular distribution of scattered radiation have been obtained in the single-scattering approximation. Using the Monte Carlo method, we have calculated the directional scattering coefficients of a homogeneous monodisperse tail consisting of spherical water particles with a mean radius of 1 μm for various diametrical optical thicknesses of the tail. The relations obtained can be used for passive remote sensing of aerosol air pollutions. __________ Translated from Zhurnal Prikladnoi Spektroskopii, Vol. 72, No. 5, pp. 604–610, September–October, 2005.