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。     

复杂成分内混合体光散射等效性分析的判据选取

使用离散偶极子近似算法DDSCAT7.1与米散射理论算法MIEV0研究复杂成分混合体等效性时, 由于两者为不同的原理和实现算法, 考察DDSCAT7.1和MIEV0所计算出的相同光学量的相对偏差将非常必要。通过比较两种算法所计算出的球形散射型粒子海盐和吸收型粒子含碳气溶胶的光学量的相对偏差, 结果表明: 两种算法所计算的非散射角函数光学量的相对偏差较小; 在瑞利散射区, 散射相矩阵分量M1和S21的相对偏差较小, 而M2和D21只在一定的散射角范围内相对偏差较小; 在米散射区, M1、M2、S21在有限的散射角范围内相对偏差较小, 而D21的相对偏差则普遍较大。在光散射等效性判据选取时, 非散射角函数光学量适合用来研究内混合体的等效性, 而散射相函数则不太适合用来研究内混合体等效性, 除非综合考虑粒子尺度参数以及选择合适的散射角等因素。在光散射技术中对粒子谱分布和折射率相当敏感的D21, 比较难以用在以两种方法为基础的内混合体等效性研究中。     

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。     

沙尘气溶胶粒子模型的线退偏比特性

利用离散偶极子近似法研究了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0.55μm对应有效半径为0.01~2μm)的线退偏比特性。通过分析比较不同轴半径比时线退偏比特性的差别,研究了粒子非球形性程度对单分散和多分散沙尘气溶胶粒子退偏比特性的影响。对单分散系,旋转椭球体沙尘气溶胶的线退偏比在瑞利散射区和米散射区随散射角的变化有不同的分布特征;在瑞利散射区,散射角分别为0°和180°的前后向散射方向,线退偏比较小,其值在1%的量级,而在散射角为90°附近的侧向,线退偏比有最大值,可达100%;在米散射区,线退偏比则无明显的极值分布,但有明显的后向增强;单分散沙尘粒子明显的非球形性特征,会增加在瑞利散射区的线退偏比,但却不会明显增加米散射区的线退偏比。而对多分散系,除了出现线退偏比最大值的侧向附近(80°~100°)之外,沙尘粒子非球形性特征越明显,其线退偏比越大。     

基于时域有限差分法的非球型气溶胶和卷云粒子散射特性研究

本文选取3种气溶胶粒子和3种卷云粒子,利用时域有限差分法,对椭球型气溶胶粒子和六棱柱卷云粒子在不同波长下散射相位函数进行了仿真分析,并讨论了入射方向对粒子散射特性的影响。仿真结果表明,尺寸参数较小时散射相位函数变化较平稳,尺寸参数较大时曲线出现震荡,且随尺寸参数增大震荡剧烈;粒子单次散射能量主要集中在前向散射,随散射角增大呈指数下降;气溶胶粒子散射相位函数在90~150°之间出现明显的波谷;卷云粒子散射相位函数一般不出现明显波谷。当入射角度改变时,气溶胶粒子在整个0~180°之内的散射相位函数都有101数量级的变化,卷云粒子则在0~90°前向散射内保持稳定。本文的研究方法和结论可以为研究天空偏振光模式的形成机理和变化规律提供参考。     

黑碳团簇及具有包覆水层混合态粒子的光学特性

基于扩散限制凝聚模型仿真生成了黑碳团簇粒子和具备核-壳结构(核为黑碳团簇,壳为包覆水层)的混合态粒子,并模拟了黑碳团簇粒子的老化过程,利用团簇T矩阵方法计算并研究了粒子形态结构和包覆水层对两种粒子在550nm波长处的光学特性。分析表明,新生黑碳团簇粒子的光学特性参数与等体积球形黑碳粒子之间的差异最大,当分形维数Df为1.8时,散射截面和单次散射反照率的相对偏差分别达到61.58%和49.44%,随着黑碳团簇粒子的老化,差异逐渐减小。对于混合态粒子,忽略黑碳核的团簇结构会导致前向散射强度、散射截面、消光截面、单次散射反照率、不对称因子和F_(34)/F_(11)被低估,导致后向散射强度、吸收截面、-F_(12)/F_(11)、F_(33)/F_(11)、F_(44)/F_(11)被高估;包覆水层厚度的增加会加剧混合态粒子散射矩阵中元素随散射角的振荡程度,且忽略黑碳核或球形黑碳核假设所引起的光学特性参数相对偏差呈逐渐减小的趋势。该工作有助于进一步减小黑碳气溶胶辐射强迫估算误差。     

掺杂对随机取向团簇粒子辐射特性的影响

利用Bruggeman有效介质理论得到了占有不同体积份额杂质的团簇粒子的等效复折射率.采用离散偶极子近似方法对包含有不同化学成分的随机取向团簇粒子的散射相函数、消光、吸收、散射效率因子、单次散射反照率以及不对称因子等辐射特性参量进行了数值计算,深入探讨了掺杂量对随机取向团簇粒子辐射特性的影响.研究表明,掺杂对随机取向团簇粒子的辐射特性产生显著的影响,并且此影响随着粒子尺度参量的变化而变化.这一工作对研究多种化学成分组成的混合气溶胶的辐射及气候效应具有重要科学价值.     

基于时域多分辨算法的非球形气溶胶散射特性仿真模拟

非球形气溶胶的散射特性是影响辐射传输模拟准确性的重要因素.为实现非球形、非均质气溶胶散射特性的模拟,基于MRTD(multi-resolution time-domain)方法建立了一个新的气溶胶散射模型.采用MRTD技术实现了近场电磁场的计算;考虑气溶胶的特殊性,推导了基于体积积分方法的近远场外推方法,实现了粒子散射振幅矩阵和穆勒矩阵的仿真;构建了粒子吸收和消光截面的计算模型,实现了粒子积分散射特性的高精度模拟.将MRTD散射模型的结果与Mie理论、T矩阵法进行了对比,验证了模型的准确性;讨论了空间网格粗细对模拟精度的影响,并定量分析了模型的运行效率.结果表明,MRTD散射模型的相函数模拟误差小于8%,其中前向散射方向小于4%;当粒径与入射光波长相当时,消光和散射效率因子的相对误差小于0.1%;空间网格粗细对模拟精度影响显著,当粒子尺度参数小于20时,在相同模拟精度要求下,所需网格尺寸随尺度参数呈先增大后减小的特征.     

基于CCD成像的侧向散射激光雷达几何标定方法

通过分析CCD成像特点,设计了侧向散射激光雷达几何标定实验,得到CCD各像元的角宽度,并确定了CCD像元与散射光位置之间的对应关系.对两次实验中采集的回波信号进行标定,并分别与POM02进行相函数比对、与后向散射激光雷达进行探测信号比对,结果表明:相函数廓线和POM02测量结果相吻合;侧向散射激光雷达信号与后向散射雷达的距离修正信号在650m以上的变化趋势一致.侧向散射激光雷达弥补了后向散射激光雷达在近地面段不能探测气溶胶的不足,该标定方法可靠,为进一步利用侧向散射激光雷达研究近地面气溶胶的时空分布奠定了坚实的基础.     

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。     

Correction factors for a total scatter/backscatter nephelometer

Total aerosol scattering and backscattering atmospheric values are typically obtained with an integrating nephelometer. Due to design limitations, measurements do not cover the full (0°–180°) angular range, and correction factors are necessary. The effect of angle cutoff is examined for a number of particle size distributions and refractive indices. Scattering data for sub-micron particles can be corrected by the use of a modified Anderson approximation, while data for larger particle distributions can be approximated by a function of the effective size parameter. Correction factors for the hemispheric backscatter ratio are found to be small if nonsphericity is assumed. Such approximations will help more accurate corrections for angle range, particularly at large size parameter values.     

利用紫外Mie散射激光雷达探测澳门地区沙尘暴事件

研制了一台工作波长为355nm的紫外高能Mie散射激光雷达,并利用该激光雷达在2010年一次沙尘暴事件期间对澳门上空的大气进行了探测,得到了澳门地区不同时刻的气溶胶消光系数垂直廓线。利用Fernald方法反演得到的气溶胶近地面消光系数随时间的变化与当地气象数据具有较好的一致性,气溶胶消光系数与当地可吸入颗粒物浓度的相关性达到了0.93。气溶胶垂直廓线显示,在沙尘暴来临期间存在明显的沙尘气溶胶凝集层。通过气溶胶轨迹倒推,分析了沙尘气溶胶的来源及路径。观测结果表明,该激光雷达可以在特殊天气条件下对澳门地区气溶胶进行有效探测,这将有助于深化对澳门上空气溶胶特性的研究。     

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.     

Mie理论递推公式计算散射相位函数

在激光雷达探测中,关于多次散射雷达回波的研究,散射相位函数是个非常重要的物理量。本文利用Mie理论的递推公式,对单一粒径介质的散射相位函数进行了计算,计算结果与散射理论中前、后向散射峰值大小随粒子半径的增大而增大相一致。同时,对非单一粒径介质的散射相位函数进行了计算,可用于大气、雾和云等气溶胶多次散射的研究。     

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.     

Suggestion for qualitative lidar identification of different types of aerosol using the two-wavelength rotational Raman and elastic lidar

Aerosols are important parameters in the meteorological and environmental fields, and remote aerosol identification is extremely desirable. We have proposed and designed a two-wavelength (355 and 532 nm) rotational Raman and elastic lidar that can measure the wavelength dependence of the aerosol backscattering coefficient without any assumptions about the Angstr?m coefficient or the overlapping function from low (100 m) to high (10 km) altitude, depending on the weather conditions. We have measured the differences in the backscattering ratios (BRs) among a cloud, aerosol in the boundary layer, and Asian dust. The ratio of the aerosol backscattering coefficients between two wavelengths is a fingerprint of an aerosol, which is similar to the Angstr?m coefficient. The BR value for a typical aerosol ranged from 0.56 to 0.4 in the boundary layer and from 0.5 to 0.1 for Asian dust. The BR value of water droplet was not unique but was spread over a wide range because of its size distributions.     

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．     

LIDAR investigation of properties of atmospheric aerosol

In the paper application of lidars for investigation of aerosol particle size distribution and for observation of aerosol consisting of solid state particles is presented. For size distribution the multiwavelength lidar and original method of data analysis was applied. For registration of dust transported to Central Europe from Sahara and Middle East deserts analysis of depolarization of the backscattered signals was used. In order to solve the lidar equation measurements of total atmospheric optical depth by means of Microtops sun photometer was done. Mean size and the aspect ratio of dust particles were determined by comparing of lidar observations with data from T-matrix calculations.