典型类型气溶胶吸收光学厚度的定标规律

利用云和气溶胶粒子的光学特性软件包(OPAC)对陆地型、海洋型、沙漠型和极地型四种典型类型气溶胶的吸收光学厚度进行了计算统计分析,根据每一种类型气溶胶成分的差异,分析了气溶胶吸收光学厚度随波长及相对湿度变化的规律,建立了四种典型类型气溶胶吸收光学厚度与波长、相对湿度的定标关系。气溶胶吸收光学厚度随波长的幂指数衰减规律并不是在所有波长范围内均满足,不同类型的气溶胶,其适用的范围不同;气溶胶吸收光学厚度随波长和相对湿度的变化主要受气溶胶成分影响,相对湿度的增大会导致气溶胶吸收特性的降低,并会对吸收Angstrom指数造成影响。根据建立的气溶胶吸收光学厚度的定标关系,可由气溶胶激光雷达等设备实测的某一波长的光学参量计算光电系统对应波长、不同相对湿度情况下的光学特性。     

典型类型气溶胶吸收光学厚度的定标规律

利用云和气溶胶粒子的光学特性软件包（OPAC）对陆地型、海洋型、沙漠型和极地型四种典型类型气溶胶的吸收光学厚度进行了计算统计分析,根据每一种类型气溶胶成分的差异,分析了气溶胶吸收光学厚度随波长及相对湿度变化的规律,建立了四种典型类型气溶胶吸收光学厚度与波长、相对湿度的定标关系。气溶胶吸收光学厚度随波长的幂指数衰减规律并不是在所有波长范围内均满足,不同类型的气溶胶,其适用的范围不同;气溶胶吸收光学厚度随波长和相对湿度的变化主要受气溶胶成分影响,相对湿度的增大会导致气溶胶吸收特性的降低,并会对吸收Angstrom指数造成影响。根据建立的气溶胶吸收光学厚度的定标关系,可由气溶胶激光雷达等设备实测的某一波长的光学参量计算光电系统对应波长、不同相对湿度情况下的光学特性。     

基于深度学习反演区域气溶胶光学厚度

为了解决现有陆地气溶胶光学厚度(AOD)反演算法精度和空间分辨率较低的问题,基于深度学习的思想,使用深度置信神经网络(DBN),实现了具有30 m空间分辨率的陆地气溶胶光学厚度反演.算法的训练样本包括全球长时间序列的AERONET站点数据以及在时空上与之对应的Landsat8 OLI的观测几何数据和表观反射率数据.为了...     

基于气溶胶光学厚度反演大气气溶胶尺度分布

介绍一种基于气溶胶光学厚度测量反演大气气溶胶尺度分布的新方法. 从实测气溶胶光学厚度出发，依据严格的Mie散射理论，将气溶胶尺度分布函数离散，采用线性回归法确定气溶胶尺度分布. 还通过对多重共线性的讨论，确定了用于反演气溶胶尺度分布的光谱波段.     

基于动态雷达比的气溶胶消光系数及光学厚度反演

激光雷达以其高垂直空间分辨率和高时间分辨率的优势在大气气溶胶监测中具有重要作用。在利用Fernald法反演气溶胶消光系数和光学厚度的过程中,雷达比是反演结果的主要误差源。在目前的应用中雷达比普遍都是取固定值,这就必然给雷达反演带来误差。通过对污染物以及气象数据与雷达比的逐步回归分析,建立了雷达比估算模型,从而实现雷达比的动态估算。研究表明:雷达比的变化与空气中PM2.5质量浓度、相对湿度、SO2和NO2质量浓度等具有明显相关性。相比于固定值,利用动态雷达比反演的气溶胶消光系数和光学厚度精度明显提高。     

基于MISR数据反演渤海湾气溶胶光学厚度

利用Terra卫星的MISR传感器数据进行渤海湾上空气溶胶反演的初步研究。采用分区暗像元的方法进行反演,传统暗像元大气校正算法认为研究区域上空的气溶胶光学厚度呈均匀分布状态。针对传统暗像元算法的不合理性, 将渤海湾划分为7个子区域, 每个子区域利用传统暗像元算法估算其气溶胶光学厚度, 然后结合空间插值算法获取整个渤海湾的气溶胶光学厚度信息。研究结果表明: 渤海湾上空的气溶胶光学厚度呈沿海岸线高,近海区低的阶梯分布模式,与传统暗像元算法相比, 分区暗像元算法综合考虑了水体上空气溶胶光学厚度空间分布的不均匀性, 有利于改善大气校正的精度。     

利用MODIS卫星资料反演北京地区气溶胶光学厚度

大气气溶胶是影响城市环境空气质量的重要因素,同时对人类健康具有重要影响。传统的气溶胶遥感反演方法多适用于海洋及植被等地表反射率较低的区域,对于城市等高亮地表区域,地表反射率较高且难以确定,气溶胶反演面临巨大挑战。针对该问题,提出一种新的地表反射率的确定方法,将下垫面划分为暗地表和亮地表两种类型,分别使用可见光与短波红外的线性关系和利用长时间序列MODIS表现反射率数据使用最小值合成技术构建先验数据集的方法,确定其地表反射率,然后基于辐射传输方程理论利用查找表方法,进行气溶胶光学厚度反演。选择下垫面复杂、空气污染问题严重的北京市作为研究区,应用MODIS数据进行气溶胶反演实验,最后使用北京站、香河站、北京CAMS站和北京RADI站4个AERONET气溶胶地基观测数据和MODIS气溶胶产品对反演结果进行对比验证。结果表明该算法气溶胶反演结果与地基观测数据具有较高的一致性（R2=0.902）,能以较高精度实现城市等高反射率地区的气溶胶反演,反演精度与空间连续性上较MOD04有显著提高。     

利用太阳光度计CE318反演气溶胶光学厚度改进算法的研究

针对影响太阳分光光度计精度的各种因素误差分析,分别在太阳天顶角,大气光学质量,Rayleigh光学厚度,臭氧总量等方面做了方法上的改进,以提高气溶胶光学厚度的反演精度。利用一般的文献上的处理方法做为比较,先考虑各种影响因素单独影响,再综合考虑各因素的影响结果,提出了太阳分光光度计处理的高精度算法,并应用于太湖等实际测量的反演中。实验处理表明本文改进算法对提高气溶胶光学厚度反演的精度有着良好的效果。将为仪器的使用,数据的处理提供有益的参考。     

基于动态雷达比的气溶胶消光系数及光学厚度反演EI北大核心CSCD

激光雷达以其高垂直空间分辨率和高时间分辨率的优势在大气气溶胶监测中具有重要作用。在利用Fernald法反演气溶胶消光系数和光学厚度的过程中,雷达比是反演结果的主要误差源。在目前的应用中雷达比普遍都是取固定值,这就必然给雷达反演带来误差。通过对污染物以及气象数据与雷达比的逐步回归分析,建立了雷达比估算模型,从而实现雷达比的动态估算。研究表明:雷达比的变化与空气中PM2.5质量浓度、相对湿度、SO2和NO2质量浓度等具有明显相关性。相比于固定值,利用动态雷达比反演的气溶胶消光系数和光学厚度精度明显提高。     

被动多轴差分吸收光谱大气气溶胶光学厚度监测方法研究

介绍了基于太阳散射光的被动多轴差分吸收光谱（MAX-DOAS）技术在大气气溶胶光学厚度（aerosol optical density,AOD）监测中的应用. MAX-DOAS根据氧的二聚物（O₄）在紫外、可见波段的特征吸收来确定气溶胶参数,实验中利用测量得到的O₄在360 nm处斜柱浓度,并结合O₄垂直柱浓度基本稳定等信息,在选取合适的气溶胶单次散射反照率、非对称因子及其廓线形状等条件下,基于大气辐射传输模型采用迭代算法解析出大气气溶胶光学厚度. 经过与太阳光度计(CE318)测量结果的对比,两者相关性达到87%. 关键词： 多轴差分吸收光谱 大气气溶胶 光学厚度     

基于宽范围粒径谱仪的气溶胶探测方法

通过改变基于宽范围粒径谱仪的温度控制方法,研究温度变化对气溶胶浓度的影响和作用.本文首先对宽范围粒径谱仪进样系统温度控制方法进行改进,即采用钽管加热器及不加热切换的温度控制方法来改变宽范围粒径谱仪进样部分温度,使用改进后的系统测量室内外大气气溶胶,对不同温度下大气气溶胶的浓度分布情况进行讨论与分析.结果表明室外粒子数浓度分布的峰值与室内粒子浓度分布的峰值相比,室内空气中粒子数浓度峰值明显要小,即室外大气中的粒径大的粒子更多.证实了宽范围粒径谱仪适用于大气气溶胶的检测,在环境检测中有广泛的应用前景.     

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。     

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。     

2019年—2020年秋、冬季淮南市灰霾过程拉曼-米气溶胶雷达观测研究

拉曼-米气溶胶激光雷达因无需假设雷达比,而在准确测量气溶胶消光系数方面较传统米散射雷达更具优势。在合肥市的外场探空比对实验结果表明,2.5 km以下拉曼-米激光雷达反演的消光系数更为准确,相差可达0.04 km-1,且获取的水汽混合比廓线与探空数据一致性良好。利用该技术获得了2019年—2020年秋、冬季期间淮南市的气溶胶消光系数廓线和边界层高度等数据,进而对空气质量污染期间的污染类型（本地污染排放、传输型污染、传输型污染叠加本地污染累积）和颗粒物的时空演变特征进行了统计分析。结果显示该市在此期间受到20次细颗粒传输和8次沙尘传输影响。其中沙尘传输主要来自西北方向,由高空沉降至近地面（厚度达2 km以上）,平均大气边界层高度达1.23 km以上。在典型细颗粒传输过程中,边界层高度基本维持在1.1~1.2 km左右,近地面风向以西北风为主,少量东南风主导。在细颗粒传输叠加本地累积的复合污染过程中,边界层高度略低（平均高度在1.0 km左右）,近地面风向以偏北风为主,污染气团自低空出现后,其下沿高度持续降低并最终与近地面污染耦合。在细颗粒导致的重污染过程中,近地面水汽混合比及相对湿度数据与PM_2.5的浓度变化趋势一致性良好,说明颗粒物的吸湿性增长和气态污染物二次转化过程可能助推了PM_2.5的生成,加重污染形势。对边界层的统计结果表明,其高度变化对污染气团的沉降和近地面污染累积有十分明显的正相关性。秋冬季期间,该市的小时边界层高度大部分分布在1.6 km以下,平均为1.0 km左右,小时空气质量达重度污染期间,边界层高度普遍不足0.6 km。从气团后向轨迹模拟结果来看,该市空气质量为中度及以上污染期间的气流主要来自偏北方向,少量来自东南沿线,因而污染期间需要加强市区偏北方向污染源的管控,防止叠加影响。     

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。     

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。     

Raman Lidar Measurements of Aerosol and Cloud Optical Properties in the Troposphere

A Raman lidar has been developed with photon counting technique. Aerosol and cloud extinction coefficients are derived by nitrogen (N2) molecular Raman scatter returns in the troposphere. Both backscatter coefficients and extinction-backscatter-ratios of aerosol and cloud are presented by simultaneously combining N2 Raman and Mie-Rayleigh returns of aerosol and molecule. Ratios of extinction to backscatter between 20 sr and 70 sr are usually found for aerosol, but less than 15 sr for mid-high altitude cloud in the troposphere.     

Raman Lidar Measurements of Aerosol and Cloud Optical Properties in the Troposphere

1　Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　　Ｔｒｏｐｏｓｐｈｅｒｉｃａｅｒｏｓｏｌａｎｄｃｌｏｕｄａｒｅｔｗｏｉｍｐｏｒｔａｎｔｆａｃｔｏｒｓａｆｆｅｃｔｉｎｇｅａｒｔｈ ａｔｍｏｓｐｈｅｒｅｒａｄｉａｔｉｏｎｂａｌａｎｃｅａｎｄａｌｓｏｔｗｏｏｆｔｈｅｌａｒｇｅｓｔｕｎｃｅｒｔａｉｎｔｉｅｓｉｎｔｈｅｃｌｉｍａｔｅｅｆｆｅｃｔｓｍｏｄｅｌｉｎｇａｎｄｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ,ｓｏｔｈｅｉｒｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎｓｂｅｃｏｍｅｖｅｒｙｉｍｐｏｒｔａｎｔ.Ｌｉｄａｒ (ＬｉｇｈｔＤｅｔｅｃｔｉｏｎａｎｄＲａｎｇｅ)ｉｓ…     

用于大气化学反应和二次有机气溶胶研究的实验室烟雾箱系统的搭建、测试与初步实验

为了从本质上认识和了解大气氧化反应进程以及二次有机气溶胶的形成机制,设计并搭建了一套实验室模拟烟雾箱系统．将质子转移反应质谱、同步辐射光电离质谱及气溶胶激光飞行时间质谱等特色质谱检测系统与烟雾箱结合,用于大气氧化反应气相和粒子相产物的定量与定性分析．通过一系列表征实验获得了该系统的基本参数,如烟雾箱内温度和光强特征,气体化合物和颗粒物的壁损耗速率,零空气的背景反应性及实验结果的可重复性．臭氧氧化α-蒎烯定量化实验和OH启动异戊二烯光氧化反应的定性检测结果进一步表明了该系统能够满足大气化学反应过程中气相和粒子相化学成分的定性分析及二次有机气溶胶的定量化研究的需要.