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。     

单颗粒气溶胶的吸湿增长模型及散射特性研究

为研究亲水性和疏水性气溶胶的吸湿性差异引起的散射特性差异,基于热力学原理和表面吸附理论分别建立了两类气溶胶的吸湿增长模型,并利用离散偶极子近似方法计算了相对湿度为40%～90%范围内两类气溶胶的散射性质。结果表明:亲水性粒子(以4种典型的无机盐为例)达到潮解点时,粒径随相对湿度的增大呈指数增长;而疏水性粒子(以烟尘为例)的粒径随着相对湿度的增加呈现非线性缓慢增长,该结果与实验测量值基本吻合。利用上述吸湿增长模型及实测的折射率-湿度增长规律,计算分析了在粒径为0.1～1.0μm的范围内,相对湿度与气溶胶粒子散射增长因子的关系。研究发现,潮解后亲水性粒子散射增长因子呈指数增长,相对湿度为90%时,其值增大了几十倍,且氯化钠无机盐的散射因子增长曲线与实验结果吻合较好;而疏水性粒子的散射增长因子最大增至1.07,远小于亲水性粒子的数值。上述结果为气溶胶气候效应的评估、气溶胶浓度和大气能见度的精确测量提供了一定的理论支持。     

典型雾霾粒子及团簇的散射吸湿增长特性

为探究雾霾粒子吸湿性引起的散射吸湿增长特性,基于雾霾粒子湿度增长模型,利用Mie散射理论和多球T矩阵计算方法,详细研究了硫酸、硫酸铵、沙尘、硝酸铵以及碳质气溶胶5种典型雾霾粒子及其团簇在入射波长为532 nm、相对湿度在60%～95%范围内的散射吸湿增长特性。研究结果表明:对单一雾霾粒子,硫酸、硫酸铵以及硝酸铵这类二次水溶性无机粒子及其团簇的散射吸湿增长较突出,沙尘较为平缓,而碳质气溶胶则呈现抑制作用,同时,小粒径粒子的散射吸湿增长因子呈指数增长,而大粒径粒子则呈波动、负增长趋势;对于雾霾粒子的团簇,散射吸湿增长因子曲线整体增幅减小,粒子团簇的体积分数对散射吸湿的影响明显,随着体积分数的增加,散射吸湿增长因子曲线的波动频率增大,同时振幅减小,但整体呈现的吸湿增长还是由团簇粒子的粒径范围与成分决定,其中团簇粒径范围影响较大。这为探究雾霾粒子散射吸湿增长特性和研究大气污染提供了理论支持。     

基于激光云高仪的雾霾过程探测

利用激光云高仪数据资料,得出气溶胶后向散射系数时序图、消光系数廓线图以及能见度,结合探空资料、自动气象站数据以及能见度仪数据,综合分析了雾霾天气过程.结果表明:雾霾天气的出现受气象要素的影响较大,静、小风有利于霾的出现,较高的相对湿度有利于雾霾共存,并且对能见度产生较大影响;雾后向散射强度较大,后向散射系数在垂直方向变化率大,出现高度较低;霾后向散射强度较小,霾空间分布均匀,后向散射系数垂直变化小,出现高度较高.利用激光云高仪数据反演水平能见度和垂直能见度,所得水平能见度与能见度仪所测能见度基本一致.垂直能见度与相对湿度日变化趋势大致相反,与风速日变化趋势基本一致;分析雾和霾天气下后向散射系数随时间变化特征发现,雾霾天气下傅里叶变换的功率谱分布,与雾和霾的边界特征相对应.     

相对湿度对大气气溶胶消光系数的影响

消光系数是气溶胶颗粒物光学性质的关键参数之一。基于Mie散射理论和气溶胶颗粒粒径及折射率的湿度增长模型,本文详细研究了气溶胶吸湿性对其消光系数的影响。计算结果表明:当入射光波长为808nm、相对湿度在60%~95%之间增加时,因颗粒粒径的增长及折射率的减小,导致颗粒物消光系数曲线右移且其波动性更加明显;而对于同一球形颗粒,小粒径颗粒的消光系数随相对湿度的增加呈指数规律增大,较大粒径颗粒的则表现为波动减小趋势。此外,在不同入射光条件下,小颗粒消光系数与相对湿度之间的关系保持不变。本文的计算结果对气溶胶光学性质与大气环境质量的研究具有一定的参考价值。     

北京奥运前期典型天气喇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.     

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。     

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。     

粒子的非球形程度对消光系数的影响研究

利用中国气象局南京综合观测基地的微脉冲激光雷达对南京北郊的气溶胶特性进行了常规的观测,并计算了气溶胶的退偏振比,反演了气溶胶的消光系数,分别得到气溶胶退偏振比及消光系数廓线。分析了不同天气情况下退偏振比和消光系数变化趋势的关系,发现退偏振比和消光系数有一定的相关性,即粒子非球形的程度对其消光的大小有一定的影响。初步探测结果发现:在同一个时刻,晴天和雾霾天时二者变化趋势相同,探测到水云时二者变化趋势相反,探测到冰相云时二者变化趋势相同,研究表明:当探测到气溶胶和冰相云时,粒子的非球形特性越明显其消光系数越大;当探测到水云时,粒子越近似球形其消光系数越大。     

双颗粒凝聚气溶胶的吸湿增长模型及散射特性

基于单颗粒气溶胶吸湿增长模型,分别建立了亲水性和亲疏水性双颗粒凝聚气溶胶的吸湿增长模型,并利用离散偶极子近似方法计算了不同相对湿度时两种凝聚粒子的散射特性.结果表明:在40％～90％湿度范围内,亲水性双颗粒凝聚气溶胶[以氯化钠(NaCl)-硝酸钠(NaNO3)颗粒为例]的散射系数存在两次跃变,而散射系数跃变的位置和增幅...     

腔增强拉曼技术下的过饱和硫酸镁液滴蒸发动力学初探(英文)

本文通过单光束梯度力光学镊子-拉曼光谱系统,对硫酸镁单液滴随着相对湿度变化的反应进行了探究。当硫酸镁单液滴被光镊捕获之后,通过相对湿度的梯度变化探究了捕获液滴的蒸发动力学变化。发生在与耳语回音模相称波长的受激拉曼散射可以用来准确地确定液滴半径,因此,可以通过腔增强拉曼散射得到在不同湿度下处于平衡的液滴半径信息。本研究通过光镊对硫酸镁单液滴的实时监测,阐述了在某个相对湿度范围内该液滴的粒径变化的过程和结果,在此之前的硫酸镁吸湿性研究中没有先例。研究结果表明在相对湿度逐渐降低至40%的过程中硫酸镁液滴半径的变化速率逐渐变小。而当相对湿度低于40%时,液滴半径的减小会被严重抑制。这种现象表示在高浓度条件下硫酸镁液滴中水的蒸发扩散速率会降低。另一方面,在蒸发过程后的相对湿度上升过程中,硫酸镁液滴尺寸的增加明显缓慢于湿度增长速度。这一现象显示液滴的尺寸变化是不可逆的。说明胶态的形成导致了传质受阻,从而阻碍了液滴中水分子的交换。     

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.     

银川上空大气气溶胶光学特性激光雷达探测研究

小型米散射激光雷达是广泛使用的探测大气气溶胶光学特性的有效工具。作者研制了一台小型米散射激光雷达,并利用该激光雷达于2009年4月1日至4月10日期间对宁夏银川地区(北纬38°29′, 东经106°06′)上空的大气气溶胶光学特性以及时空分布进行了观测。系统选用532 nm波长激光作为光源,采用Fernald法对接收到的大气回波信号进行反演,得到了气溶胶消光系数的高度分布廓线及24 h内气溶胶消光系数相对浓度的时空变化特性;并对期间一次明显的沙尘天气进行了观测和分析。观测结果表明,该小型米散射激光雷达能够对大气气溶胶及其时空分布情况进行有效、连续的观测,其观测结果有利于分析该地区气溶胶及沙尘天气的变化趋势。     

FTIR-ATR与显微成像法结合观察NaNO3气溶胶结晶过程

阶梯状改变环境湿度, 利用FTIR-ATR(Attenuated Total Reflection)技术以及显微成像技术观察NaNO3气溶胶微粒的结晶动力学。多次实验证实NaNO3液滴在饱和点74.5%RH之后开始陆续风化, 至风化点53%RH之后结晶速率明显增快, 但并不是相对湿度越低, 结晶速率越快, 而是相对湿度的变化率越大, 结晶速率越快。对数据进行非线性拟合发现在湿度下降处结晶速率呈指数关系, 在湿度稳定時结晶速率呈线性关系。并且通过显微镜观察到尽管样品NaNO3液滴的直径在同一个数量级上, 仍能看出结晶速率与液滴半径关系紧密, 半径越大越易结晶, 结晶的相对湿度越高。     

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。     

Improving the accuracy of aerosol extinction coefficient inversion

This paper considers the relationship between the accuracy of aerosol extinction inversion and the boundary value, and derives a theoretical high-accuracy aerosol extinction coefficient inversion. Aerosol extinction coefficient profiles depend on the boundary value. The relationship function of the differential extinction coefficient and differential boundary value is expressed by a maximum value. The smaller the differential boundary value, the smaller the differential extinction coefficient. The clean atmosphere layer is easily found from the lidar range-corrected signal, and the extinction coefficient of the clean atmosphere layer can be obtained using the slope method. By relating the extinction coefficient of the clean atmosphere layer to the extinction coefficient profiles at different boundary values, an accurate aerosol extinction coefficient profile can be obtained.     

大气气溶胶消光系数检测系统设计

利用半导体激光器照射大气气溶胶试样后光强衰减得到大气气溶胶消光系数。光束经过气溶胶后检测透射方向的光强值,经光电转换、信号调理、AD采样后根据朗伯比尔定理计算气溶胶消光系数。采用双通道测量气溶胶消光系数的方法,减小了由于半导体激光器光强不稳定和大气分子对测量结果的影响。对设计的系统以不同浓度的气溶胶进行了检测,其线性度良好,相对误差小于4%。所设计的大气气溶胶检测装置体积小、操作简单、探测速度快,对监测大气污染和能见度等有一定的应用价值。     

Effect of the relative humidity on the attenuation of optical radiation by aerosols in the atmosphere

On the basis of a study concerning the optical transparency of atmospheric mists, an analysis is made of the relation between the attenuation by aerosols and the relative air humidity under autumn conditions (radiation wavelengths within the 0.56–12.0 Μ range). It is shown that the attenuation coefficient changes nonmonotonically as the humidity increases from 40 to 100%. Hypothetical mechanisms of interaction between aerosol particles and water vapor are suggested which would explain this trend.     

激光雷达组网观测济宁市大气污染变化特征

大气气溶胶通过直接效应影响到达地表的辐射量以及间接效应影响云的生消和降水等过程,还因其含有的各种有毒物质颗粒,影响城市能见度,导致霾过程频发,而这些颗粒进入人体会对人体健康造成一定危害。利用济宁市2018年—2019年期间多台气溶胶激光雷达的垂直观测廓线数据与区域空气质量监测数据,分析了不同大气污染过程中的颗粒物时空演变特征。结果显示,济宁市夏季的细粒子污染存在一定的区域差异性,主要呈现两种日变化特征。一种是部分区域在夜间消光强,白天消光弱,主要是因为夜间受到湿度偏大与污染源排放叠加的影响;另一种是部分区域白天消光相对较强且整体无明显日变化特征,原因在于周围污染源较少且受人工湖的影响。此外,近地面气溶胶消光系数变化显示辰欣制药站与金马酒店站附近颗粒物浓度相对更高。沙尘观测结果显示,济宁市的沙尘天气多出现于4月和5月,沉降过程中颗粒物浓度可高达平时浓度的5倍。同时对比扫描观测结果显示,局地污染的轮廓无规则、范围小、突发且消光很强,而大范围污染过程则轮廓面积大且其消光逐渐增大。