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。     

大气气溶胶粒子折射率虚部反演方法研究

提出了反演折射率虚部的方法.以光散射为原理的粒子计数器测量光学等效直径,其结果受折射率虚部的影响较大;以粒子飞行时间为原理的粒子计数器测量空气动力学直径,其结果不受折射率虚部的影响.利用两种仪器的测量结果受折射率影响的差异来反演大气气溶胶的折射率虚部.通过与其它独立的测量结果对比表明,该方法反演气溶胶折射率虚部是合理的.     

大气气溶胶粒子折射率虚部反演方法研究

提出了反演折射率虚部的方法.以光散射为原理的粒子计数器测量光学等效直径,其结果受折射率虚部的影响较大;以粒子飞行时间为原理的粒子计数器测量空气动力学直径,其结果不受折射率虚部的影响.利用两种仪器的测量结果受折射率影响的差异来反演大气气溶胶的折射率虚部.通过与其它独立的测量结果对比表明,该方法反演气溶胶折射率虚部是合理的.     

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。     

双散射角光学粒子计数器测量气溶胶折射率的新方法研究

根据米氏(Mie)散射理论,通过数值模拟分析了气溶胶折射率虚部n_i在不同散射角度上对双散射角激光光学粒子计数器(L-OPC)响应曲线的影响,定义了敏感函数。根据分析,散射角应该在小于20°和40°～60°之间选取。以散射角系统ψ=9°,β=5°,λ=0．65μm和ψ=50°,β=20°,λ=0．65μm为例,其中一个散射角受折射率虚部n_i的影响较小,另一个较大。在测量粒子谱分布的同时,利用n_i对不同散射角度响应曲线的影响差异,来确定n_i值,并提出确定n_i的方法。还给出了双散射角激光光学粒子计数器的模拟测量结果。     

台风对沿海地区气溶胶光学特性的影响分析

利用CE317太阳辐射计对2005年第19号台风登陆前后期问(9月29 H至10月6日)进行观测实验,采用Langley法分析台风对中国大陆沿海地区气溶胶光学特性的影响.指出台风过后气溶胶光学特性明显发生改变,气溶胶大粒子数增多,小粒子数减小.气溶胶光学厚度、Angstr(o)m波长指数α和大气混浊度系数β为测量期间最低分别为0.132(550 nm处),0.861和0.079.同时利用实验期间APS3321空气动力学粒度仪分析的气溶胶单位体积数粗细质粒所占比重、气溶胶粒子尺度谱分布和实测的日际气溶胶粒子数浓度对实验分析结果.α,β进行对比,发现它们之间的一致性很好.     

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。     

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。     

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.     

随机取向椭球粒子的吸收特性

用Ｔ矩阵方法计算了折射率虚部的范围在０．００１至０．１的几种椭球粒子随机取向时在几种等效尺度参数下的光散射与吸收特性，并与等效的球形粒子的光散射结果进行了比较。分析结果表明：椭球粒子的吸收特性与等效的球形粒子的吸收特性存在着差别，这种差别随粒子的形状、尺度和折射率而改变，考虑到目前气溶胶粒子复折射率虚部的测量精度，以等效的球体粒子处理非球形粒子的吸收不会带来显著的误差。     

小口径便携式Mie散射激光雷达的研制和应用

介绍了小口径便携式Mie散射激光雷达的系统结构、技术参数以及激光雷达信号处理的关键技术和处理方法。给出了测量结果,并与Vaisala公司能见度仪的测量结果进行了对比。这种Mie散射激光雷达具有结构紧凑、重量轻的特点,非常适合于进行能见度和大气消光特性时空分布和时间演变特性的研究。同时也可以进行车载或者结合扫描装置进行自动扫描监测,以获取感兴趣的区域颗粒物的时空分布。     

北京奥运前期典型天气拉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。     

探测光波长漂移对能见度测量的影响

为了研究探测光波长的漂移对能见度测量的影响。从Koschmieder经验公式的定义出发,根据实验测得400 nm~1 100 nm波段的气溶胶透过率,分析研究探测光波长漂移对能见度测量结果的影响。结果表明,能见度测量的相对误差与探测光波长和波长的漂移范围以及气溶胶消光特性有关,能见度测量的相对误差随着探测光的波长漂移范围线性增大,随着波长漂移范围的增大,各个波长的能见度测量相对误差线性增大的速率不同,对于相同的波长漂移范围,使用不同的探测光波长产生的能见度测量相对误差不同。对于某一大气环境,使用特定的波长而且中心波长稳定的光作为探测光可以明显减小由于探测光波长漂移引起的能见度测量相对误差。     

用于反演半导体激光云高仪垂直能见度的算法

根据云高仪工作原理,从米散射激光雷达方程出发,推导出一种低层大气中气溶胶消光系数边界值的获取方法,并在此基础上利用Fernald方法反演得到了大气消光系数的垂直分布;通过垂直路径上的消光系数反演得到垂直路径的平均能见度,结果表明,该平均能见度更接近垂直方向真实的能见度。用该算法处理了半导体激光云高仪实际测量的数据,并与Vaisala云高仪测量的垂直能见度进行了对比,结果表明:该算法在反演大气垂直能见度时具有较高的准确性和可靠性。     

差分吸收光谱技术监测气溶胶光学厚度及大气能见度的研究

介绍了一种基于闪烁氙灯光源、利用差分光谱吸收(DOAS)技术监测大气气溶胶的新方法。提出用大气能见度确定系统校正参量的可行做法,解决了差分光谱吸收探测气溶胶领域原始光强难以测量的难题。并对350~650 nm范围内的气溶胶光学厚度进行反演,通过与多道太阳光度计的对比证实方法的可行性,实验中发现气溶胶光学厚度与悬浮颗粒物(SPM)浓度具有很好的相关性。同时,利用气溶胶550 nm处的消光系数确定大气能见度。     

Research on bimodal particle extinction coefficient during Brownian coagulation and condensation for the entire particle size regime

The extinction coefficient of atmospheric aerosol particles influences the earth’s radiation balance directly or indirectly, and it can be determined by the scattering and absorption characteristics of aerosol particles. The problem of estimating the change of extinction coefficient due to time evolution of bimodal particle size distribution is studied, and two improved methods for calculating the Brownian coagulation coefficient and the condensation growth rate are proposed, respectively. Through the improved method based on Otto kernel, the Brownian coagulation coefficient can be expressed simply in powers of particle volume for the entire particle size regime based on the fitted polynomials of the mean enhancement function. Meanwhile, the improved method based on Fuchs–Sutugin kernel is developed to obtain the condensation growth rate for the entire particle size regime. And then, the change of the overall extinction coefficient of bimodal distributions undergoing Brownian coagulation and condensation can be estimated comprehensively for the entire particle size regime. Simulation experiments indicate that the extinction coefficients obtained with the improved methods coincide fairly well with the true values, which provide a simple, reliable, and general method to estimate the change of extinction coefficient for the entire particle size regime during the bimodal particle dynamic processes.     

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.