多波长激光的大气消光系数相关性及实时反演计算研究

利用Mie散射理论并结合激光多点断层测量技术,得到了不同波长消光系数之间的相关关系.使用自主研制的激光遥感式后向散射能见度测量仪,利用实测数据得到了波长为1.06μm激光的大气消光系数,进而利用不同波长消光系数间的相关关系实时反演计算了波长为0.532μm、0.86μm、1.57μm和3.47μm激光的大气消光系数,并与实测波长为0.532μm的大气消光系数进行了比对,结果表明可以使用大气消光系数相关性实时反演计算红外辐射大气传输并建立红外辐射实时大气传输修正模型.     

近红外波段气溶胶的消光特性研究

在已知大气气溶胶折射率和气溶胶谱分布的基础上,对近红外波段的气溶胶消光特性进行了研究。利用Mie散射理论计算并讨论了气溶胶的消光、散射、吸收效率因子随尺度参数的变化和消光系数随半径和波长的变化,并且在MATLAB中对各种变化情况进行了仿真。结果表明,三种气溶胶粒子的消光和散射能力依次为沙尘性粒子,水溶性粒子,烟煤。消光系数在粒子半径和入射波长相近时达到最大,并且粒子半径对消光、散射、吸收系数的影响比入射波长更明显。这些结论可以为红外辐射在大气中的衰减计算和分析提供依据。     

典型地区大气气溶胶谱分布和复折射率特征研究

为了研究典型地区大气气溶胶的谱分布和复折射率的特性,综合运用了黑碳仪、能见度仪、积分浊度仪以及光学粒子计数器等仪器对大气气溶胶进行测量。根据球形粒子的Mie散射理论,利用各仪器测量的数据反演得到气溶胶复折射率,并分析了各个地区的粒子谱分布特征,消光系数和吸收系数随波长的变化关系。结果表明,新疆地区、天津地区、厦门地区及合肥地区的大气气溶胶折射率实部nr都在1.5左右,虚部ni分别为0.01、0.017、0.008和0.016。新疆地区的数浓度谱分布可以用Junge分布来描述,天津地区、合肥地区和厦门地区数浓度谱分布可以用Junge分布和对数正态分布来共同描述。最后还对四地区气溶胶消光和吸收特性随波长的变化关系进行描述,这对于研究气溶胶气候效应具有一定的参考价值。     

气溶胶后向散射消光对数比对消光系数反演的影响研究

使用Mie散射激光雷达在阴、雾和晴三种天气状况下采集了大气回波信号,从所测数据反演气溶胶消光系数的过程中发现,气溶胶后向散射消光对数比对反演结果存在较大影响.在阴天天气下,当后向散射消光对数比从0.7变化到1.0时,气溶胶消光系数反演结果相差近5倍;对晴天天气,反演结果相差近3倍;而在有雾天气,其反演结果变化不大.通过参考大气能见度因子对消光系数进行修正,并从而获得对应的后向散射消光对数比,给出了一种根据天气状况确定气溶胶后向散射消光对数比的新方法.实际反演计算表明,用此方法可获得与实际更为接近的气溶胶消光系数.     

可见光波段气溶胶标高的实验研究

大气气溶胶对大气辐射和光传播具有重要影响,而标高是反映气溶胶高度分布特征的关键参量。利用连续光谱的太阳辐射计和前向散射能见度仪,测量了大气柱光学特性以及近地面层的大气水平消光系数,获得了可见光波段的大气气溶胶标高的变化特征:随着波长值的增加,气溶胶标高减小;对于实验当地的情况,一般冬季气溶胶标高要大于夏季的气溶胶标高。     

可见光波段气溶胶标高的实验研究

大气气溶胶对大气辐射和光传播具有重要影响,而标高是反映气溶胶高度分布特征的关键参量。利用连续光谱的太阳辐射计和前向散射能见度仪,测量了大气柱光学特性以及近地面层的大气水平消光系数,获得了可见光波段的大气气溶胶标高的变化特征：随着波长值的增加,气溶胶标高减小;对于实验当地的情况,一般冬季气溶胶标高要大于夏季的气溶胶标高。     

0．45-0．95μm太阳辐射在大气中的传输计算

根据瑞利散射、分子吸收线数据库、Mie散射理论和离散坐标法(DOM),计算了在一定环境下(气溶胶种类、相对湿度、能见度等),在不同太阳天顶角和不同观察仰角时,因大气同太阳辐射的相互作用而形成的天空背景光谱特性。对0．45-0．95μm波长范围内,天空背景光谱亮度随气溶胶种类、波长、能见度及观察天顶角的变化作了数值计算和理论分析。计算结果表明,利用本文方法所得到的天空背景光谱亮度随太阳天顶角和观察仰角的变化趋势同实测是一致的。     

0.45～0.95μm太阳辐射在大气中的传输计算

根据瑞利散射、分子吸收线数据库、Mie散射理论和离散坐标法（DOM）,计算了在一定环境下（气溶胶种类、相对湿度、能见度等）,在不同太阳天顶角和不同观察仰角时,因大气同太阳辐射的相互作用而形成的天空背景光谱特性。对0．45-0．95μm波长范围内,天空背景光谱亮度随气溶胶种类、波长、能见度及观察天顶角的变化作了数值计算和理论分析。计算结果表明,利用本文方法所得到的天空背景光谱亮度随太阳天顶角和观察仰角的变化趋势同实测是一致的。     

激光雷达探测整层大气昼夜气溶胶光学厚度

为丰富整层大气气溶胶光学厚度测量手段,提出了一种综合微脉冲激光雷达与地面能见度测量数据的探测方法。该方法首先利用激光雷达数据反演得到气溶胶垂直消光系数廓线,据此计算出气溶胶标高;再利用能见度和消光系数的关系得到近地面水平方向的消光系数;最后,将近地面消光系数和标高结合,从而得到整层大气气溶胶光学厚度。将该方法应用于合肥地区,成功得到该地区整层大气气溶胶光学厚度的昼夜变化趋势,验证了该方法的可适应性。     

气溶胶粒子消光效率因子的特性研究及尺度谱的拟合

本文利用Mie散射理论，计算出单个球形粒子的消光效率因子Qext，分析它随半径r变化的特性．利用消光效率因子计算出Junge型气溶胶消光系数与波长的关系。并算出Deirmendjian型气溶胶的5种波长消光系数比值表(波长分别为355nm、532nm、683nm、1064nm、1560nm)，根据此表就可拟合出气溶胶的尺度谱．     

1次沙尘暴天气的消光特性研究

沙尘暴是一种特殊的自然现象.为了分析沙尘暴对可见光和红外辐射传输产生的影响,利用米散射理论,对北京地区1次沙尘暴天气下沙尘粒子在可见和红外波段的消光进行了计算,并与沙尘暴来临前的测量结果进行了对比分析,得到了沙尘粒子在这些波段的消光特性,并根据激光雷达测量的数据,对沙尘粒子在红外波段的垂直消光廓线进行了反演.这对认识沙尘暴有很大的参考价值.     

船载激光雷达观测青岛海域气溶胶光学性质实验研究

研制了一套能连续探测海洋大气气溶胶光学性质垂直分布的船载小型米散射激光雷达系统,用该系统于2015年5月和9月在青岛海域开展了海洋大气气溶胶观测实验.以同船搭载的Microtops II型手持式太阳光度计同步测量得到的气溶胶光学厚度作对比数据,比较了两种仪器的气溶胶光学厚度测量结果,得到观测海域柱平均激光雷达比为32.4sr,标准偏差4.6sr.由Fernald方法得到了实验海域夏季15 km以下的气溶胶消光系数廓线.连续观测实验表明研制的船载米散射激光雷达结构紧凑,易于在船载平台操作,能对海洋大气气溶胶的光学特性进行连续有效的高时空分辨率廓线测量.     

激光大气传输特性及其回波信号仿真研究

基于Rayleigh散射和Mie散射理论,利用已有的中光谱分辨率大气辐射传输模式(MODTRAN)数据及参考模式大气(RMA)数据资料,对355nm、2μm、10μm激光信号的散射、消光、透射等大气传输特性进行了仿真和比较。同时利用高斯函数分析了355nm波长处的Rayleigh和Mie回波信号光谱分布,并模拟了不同高度处的大气回波信号光谱。结果表明:与2μm、10μm相比,355nm波长的激光信号的散射特性较好;其在大气中传输时,衰减严重,适用于晴空大气;该波段的多普勒测风激光雷达接收到的回波信号在底层以Mie信号为主,高层以Rayleigh信号为主;综合考虑各种因素,选用355nm作为星载多普勒测风激光雷达的工作波长。     

激光雷达探测的大气气溶胶空间二维分布

提出了通过改变激光束仰角的斜程探测得到气溶胶空间二维分布的方案。利用自行研制的Mie散射激光雷达系统对合肥西郊上空的大气气溶胶进行了连续的斜程探测，并通过相应的数据处理方法，得到气溶胶消光系数二维分布图及其随时间的演变图。给出了2005年12月2日的典型探测结果，这些结果不仅全面直观地反映了大气空间某一纵向剖面的气溶胶消光系数分布情况，而且清楚地显示了这一分布随时间的整体变化趋势，这对于实时的大气环境监测具有重要意义。     

气溶胶粒子等效复折射率的BP神经网络建模

利用改进的BP算法,结合Mie散射理论,建立了波长、散射系数、吸收系数与气溶胶粒子等效复折射率之间的非线性映射关系,实现了反演实际大气非均匀气溶胶粒子等效复折射率的BP神经网络模型的建模.利用该模型对气溶胶粒子等效复折射率进行了反演,根据反演得到的等效复折射率计算了其光学特征量,计算结果与实测结果基本吻合.