基于光声光谱技术的大气气溶胶吸收系数测量

气溶胶光吸收特性是影响气溶胶大气辐射强迫的重要因素,光声光谱技术被认为是测量气溶胶光吸收特性的理想方法之一。利用扫描电迁移率粒径谱仪和自行设计的气溶胶吸收光声光谱仪对合肥郊区大气气溶胶的粒径分布和吸收系数进行了连续测量,获得了某一时段大气气溶胶粒径谱和吸收系数的变化趋势,分析发现大气气溶胶的吸收系数与其数浓度和粒径分布存在较好的正相关性,且碳质气溶胶的排放是影响该地区大气气溶胶光吸收特性的主要原因。     

遥感试验数据确定大气气溶胶类型的方法研究

以太湖为研究区,通过水面光谱实验采集,地基太阳光度计大气测量,和当天的MODIS遥感影像,联合遥感太湖地区的大气光学特性,提出了一种实验确定气溶胶类型的方法.通过与卫星影像准同步的地面光谱和太阳光度计试验,利用辐射传输模式6S,变化气溶胶类型各组分,建立关于星上辐射的查找表,并利用定义的相对误差参量,在其总误差最小时确定气溶胶类型.将其用于改进后的Mie散射程序来计算大气气溶胶粒子群包括偏振散射相函数等的光学特性,并用于太湖地区大气气溶胶光学厚度的反演中,所得结果参考CE318实测值,反演精度有了较大的提高.该研究方法与结果可为大气气溶胶光学特性计算,大气辐射传输方程,气溶胶光学厚度反演,卫星数据大气校正等遥感应用提供支持.     

气溶胶光学吸湿增长特性测量方法研究进展

吸湿性气溶胶会吸收环境空气中的水分, 其粒径会随相对湿度的增加而发生变化, 从而导致气溶胶的光学特 性 (如消光、散射、吸收系数与单次散射反照率等) 发生显著的变化。气溶胶光学吸湿增长因子 (湿状态与干状态下 光学参数的比值) 是衡量气溶胶光学吸湿增长能力的特征参数, 是计算大气能见度和气溶胶辐射强迫的关键输入量, 它的准确测量对于气溶胶环境和气候效应的评估具有重要意义。光学吸湿增长测量系统主要包括湿度调节系统和光 学测量装置, 通过湿度调节系统改变样品的相对湿度, 再结合光学测量装置实时测量光学参数的变化, 从而实现光学 吸湿特性的在线测量。鉴于气溶胶吸湿性研究的重要意义, 重点分析对比了现有的光学吸湿增长测量方法及应用, 并 对下一步气溶胶光学吸湿增长特性测量技术和研究方向做了展望。     

地基天空背景辐射测量技术及其应用研究现状与展望

天空背景辐射是指大气粒子对太阳光的吸收和散射形成的大气层内散射光亮度的空间分布,在科学研究及工程应用方面发挥重要作用。简要介绍了几种地基天空背景辐射测量仪器,并从大气气溶胶粒子光学特性反演,大气柱中水汽、臭氧、NO2等气体含量反演,及云的分布判别几个方面阐述了地基天空背景光谱辐射分布在大气光学方面的应用,为后续的研究提供参考。最后,提出几点根据全天空背景光谱辐射进行环境感知及天气识别等方面的研究目标。     

FY-4A静止气象卫星红外高光谱大气探测仪GIIRS探测灵敏度分析

灵敏度是重要的遥感器辐射性能指标。本文将红外高光谱大气探测仪仪器噪声灵敏度概念拓展,定义了面向探测仪在轨应用的大气参数灵敏度和地表温度误差灵敏度,给出了相应的计算模型和相互关系。并将之应用于第一台静止气象卫星红外高光谱大气探测仪FY-4A GIIRS在轨应用探测灵敏度评估。根据探测仪测试数据和大气历史统计资料,得到了大气参数（温度、水汽、臭氧、CO₂、CH₄和N₂O）、地表温度误差以及探测仪噪声灵敏度随通道的定量变化特征,分析了各变化特征的物理机制。结果表明大气温度、水汽和臭氧灵敏度远大于探测仪噪声和地表温度误差灵敏度,而CO₂、CH₄和N₂O灵敏度被探测仪和地表温度误差灵敏度淹没。本文研究为红外高光谱大气参数探测信噪比评估奠定了基础,有助于红外高光谱大气探测通道的优选。     

基于光腔衰荡光谱的气溶胶吸收系数测量方法不确定度分析

差分法（extinction minus scattering）是气溶胶吸收系数的常用测量方法之一。针对气候变化对气溶胶吸收系数的敏感性要求,理论分析了基于光腔衰荡光谱测量消光系数、散射系数的不确定度,推导了气溶胶吸收系数的不确定公式,并讨论了不同气溶胶单次散射联合反照率下气溶胶吸收系数的不确定度值,为研究大气气溶胶吸收对气溶胶辐射强迫以及气候强迫的影响提供参考。     

光谱可调谐式高分辨率光学载荷校准技术

基于对高分辨率光学载荷测试设备开展现场计量和校准的迫切需求,建立一套光谱可调谐式高分辨率光学载荷校准装置,该装置中光谱可调谐光源可以发出300~800 nm范围内任意光谱分布的光能,再通过空间调制系统形成无穷远处的具有特定光谱分布的清晰目标,实现高分辨率光学载荷光谱参数校准、辐射参数校准和成像性能参数校准。校准装置的光谱辐亮度校准范围为6.5410-4~3.1410-1 Wsrm-2nm-1,空间分辨率校准精度为0.059 mrad,视场角校准范围为13'30,光谱辐亮度响应非均匀性校准精度为0.39%。主要介绍了校准装置的基本原理、结构组成等,并给出了详细的测试结果。由此可见,该光学载荷校准装置具有光谱任意调制、可拓展性强、高分辨率的优点。     

基于卷积神经网络和光丝诱导荧光光谱的NaCl气溶胶定量分析

盐气溶胶是大气污染监测的重要对象。使用基于高功率超快激光的光丝诱导荧光光谱(FIFS)技术可以实现大气气溶胶的远距离快速定量分析,该技术有望成为下一代激光雷达的核心技术。用NaCl气溶胶模拟大气气溶胶污染物,针对自吸收效应导致光强与物质质量浓度偏离线性关系的问题,提出基于一维卷积神经网络的NaCl气溶胶质量浓度预测模型,并将其与多元线性回归模型、偏最小二乘回归模型、BP传播神经网络模型和定标曲线模型进行了对比实验。在各质量浓度(0.33～6.61 mg/m³)NaCl气溶胶全波段光谱数据集和特征波段光谱数据集上的实验结果表明：所提一维卷积神经网络模型在特征波段光谱数据集上的预测准确率为1,在泛化预测实验中的准确率为0.87,优于其在全波段光谱数据集上的结果,同时也优于其他模型。该模型对自吸收效应下的非线性定量分析具有良好的准确性和鲁棒性,为FIFS技术应用于大气气溶胶质量浓度预测分析提供了可靠的定量分析技术。     

新疆博斯腾湖地区气溶胶光学特性的观测分析

于2005年7月底至8月中旬在新疆博斯腾湖地区进行了一次野外遥感试验,其间利用法国CIMEL太阳辐射计对试验区的大气消光特性进行了测量.介绍了利用太阳辐射计对试验区气溶胶光学厚度的测量和分析原理,对测量数据进行处理研究,结果显示观测期间新疆博斯腾湖地区大气洁净,气溶胶光学厚度的日内和日间变化不大,550 nm处的气溶胶光学厚度一般为0.17;(A)ngstr(o)m波长指数α一般为1.19,与6S常用气溶胶模式中的大陆型比较接近;大气混浊度系数β一般为0.08.     

基于高光谱分辨率激光雷达的气溶胶分类方法研究

气溶胶是影响气候变化和空气质量的重要因素,对气溶胶作用的量化分析依赖于气溶胶光学性质及其垂直剖面的精细探测。高光谱分辨率激光雷达利用窄带光学滤波器,可在光谱上实现对分子散射和气溶胶散射的分离,从而在不需假设气溶胶激光雷达比的情况下,独立获取气溶胶消光系数和后向散射系数。文中基于高光谱分辨率激光雷达技术,开展气溶胶分类方法研究。根据已有的气溶胶分类研究结果,给出基于气溶胶光学参数的分类方法,并建立气溶胶分类查找表。利用高光谱分辨率激光雷达于2015年春季在青岛地区测量的气溶胶消光系数、后向散射系数和退偏振比,参照建立的气溶胶分类查找表,实现了对气溶胶的分类识别,并用HYSPLIT轨迹模式、NAAPS气溶胶模式进行了印证。个例研究结果表明该方法能够实现对气溶胶类型的正确识别。     

差分吸收光谱技术在气溶胶监测领域的应用研究

介绍了差分吸收光谱(DOAS)技术在气溶胶监测领域的应用.在研究、分析国外学者的研究基础上,提出采用单光路法并结合大气在550 nm处的能见度校准的方法测量气溶胶消光系数的研究计划.通过实验验证,该方法成功解析出大气气溶胶消光系数.     

利用大气能见度获取多波长气溶胶光学特性

介绍了一种利用测量得到的大气能见度获取多波长气溶胶光学特性(主要探讨气溶胶的消光系数、散射系数和吸收系数)的新方法。首先，由能见度求出波长0.55 μm的大气消光系数，在减去大气分子的消光系数后得到0.55 μm气溶胶的消光系数，使用Mie散射理论求出气溶胶粒子的数密度；因为同一时间大气状态下气溶胶的数密度是不变的，所以再次使用Mie散射理论即可得到其他波长下气溶胶的光学特性。以1.06、1.536、3.75 μm为例，给出了合肥2003年近地面层的气溶胶光学特性，该方法对于研究大气环境和大气中光传输模式具有重要意义。     

宝鸡高新区冬季大气消光系数及其组成特征

为了解宝鸡市高新区气溶胶及气体的消光特性,利用宝鸡市高新区2018年1月浊度仪和 黑碳仪的逐时观测数据,以及同时段的PM2.5、NO2质量浓度和气象数据,分析了冬季大气 消光系数Bext、气溶胶散射系数Bsp、吸收系数Bap与气体吸收系数Bag的变化特征,并估算了气溶胶消光系数和气体消光系数对大气消光的贡献率。结果表明,宝鸡高新区Bext范围为200.63~948.87 Mm^-1, 均值为483.12 Mm^-1; Bsp范围为170.83~890.06 Mm^-1, 均值为444.11 Mm^-1; Bap范围为4.89~20.44 Mm^-1,均值为9.69 Mm^-1。 PM2.5与Bext、Bsp和Bap的相关系 数分别为0.952、0.950、0.572,说明宝鸡市高新区PM2.5对大气消光效应的影响不容忽视。 Bsp与相对湿度(RH)呈显著正相关,与能见度呈显著负相关。Bsp和 Bap均具有显著的双峰双谷型变化特征,这与宝鸡高新区早晚高峰、机动车运行 时间有关。黑碳(Black carbon, BC)质量浓度、Bsp和Bap随污染 等级增加而升高。整体分析表明,气溶胶消光系数占大气消光系数93.93%,其中散射 系数Bsp和吸收系数Bap分别占91.92%和2.01%,而气体消光系数 占总大气消光系数的6.07%。     

太阳光度计校正系数对气溶胶光学厚度测量误差的影响

分析了太阳光度计测量大气气溶胶光学厚度时,由于校正系数的不确定性而产生的误差.利用推导的误差分析公式,模拟了校正系数在不同相对误差的情况下导致的气溶胶光学厚度的绝对误差;模拟结果显示,校正系数的相对误差小于+2%时可以满足气溶胶光学厚度的测量精度.     

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.     

前向散射能见度仪测量误差的理论分析

前向散射能见度仪(FSVM)是测量能见度的主要仪器.从测量原理和散射理论出发,推导出了FSVM的探测方程,以此为基础,采用模拟计算与统计分析相结合的方法,分析了由于气溶胶性质不确定性和仪器光电机技术性能变化两方面引起的FSVM的8类误差源及其不确定度值.结果及分析表明:现有技术条件下仅考虑光电机性能不确定性而引起的能见度相对不确定度为4%;气溶胶性质不同而引起的相函数变化以及忽略吸收效应是FSVM的主要误差源,考虑到气溶胶性质的不确定性,能见度相对不确定度可达28%;若能识别出气溶胶性质,对于单一的雾、乡村型气溶胶和城市型气溶胶,能见度相对不确定度分别为7%、9%和18%;相函数对散射角的变化比较敏感,由于运输、架设和使用过程会对散射角产生相当的影响,必须对散射角进行校准.研究结果对FSVM的使用、改进和校准提供了理论支持.     

光热干涉法测量大气气溶胶粒子吸收系数研究进展

光热干涉法可在保持大气气溶胶状态不变的前提下直接测量其吸收系数,具有灵敏度高、响应速度快和测量结果不受散射光影响等优点。详细阐述了光热干涉法测量气溶胶吸收系数的基本原理。通过对几种典型光热干涉仪的剖析,包括Mach-Zehnder干涉仪、Fabry-Perot干涉仪、Jamin干涉仪和折返Jamin干涉仪,介绍了该方法不断完善的研究历程以及仍然待解决的问题。描述了在借鉴和创新基础上,正在开发的全光纤结构光热干涉试验装置。分析了光热干涉法的未来发展趋势。     

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.     

利用近红外扩散相关谱同时测量生物样品光学特性和动态特性

由于近红外光对于大多数生物样品具有较高的穿透深度,因此近红外光谱技术广泛用于生物医学、化工、食品安全以及农产品等领域的无损检测,但是多局限于生物样品的光学性质测量,即光吸收测量.利用最新研制的近红外光扩散相关谱系统和采用脂肪乳作为生物样品的替代物,同时测量了国产30%脂肪乳的光学特性和动态特性,约化散射系数约为303 cm~(-1),吸收系数约为0. 037 cm~(-1),30%脂肪乳稀释为0. 85%(体积比)浓度后的布朗扩散系数约为8. 40×10~(-9)cm~2/s,根据Stokes-Einstein关系可推算出脂肪乳的颗粒半径约为253 nm;研究了脂肪乳随时间演化特性,在七天时间内约化散射系数上升106%,布朗扩散系数下降到63%,研究表明利用近红外扩散相关谱系统的光强衰减可以获得生物样品的光学特性(约化散射系数和吸收系数),利用光强随时间的波动可以获得生物样品的动态特性(布朗扩散系数),因此能够更加准确的测量生物样品的性质变化,为生物样品检测提供一种新的技术手段.     

秋季我国北黄海海区气溶胶光学特性的观测与分析

2007年10月份中国海洋大学的东方红2号科考船在北黄海海区进行了为期12天的秋季908航次的数据测量实验,实验中使用了日本PREDE公司生产的POM01-MKII 7波段全自动天空辐射计对该海区上空的大气进行了观测,获取了大量的气溶胶光学数据.对光学数据处理后得到了气溶胶光学厚度(AOT)、单次散射反照率(SSA)、气溶胶粒径体积谱分布.结果表明:在无云晴天的情况下,500 nm处的AOT最大值在0.36以下,870 nm的AOT值在0.15以下,有雾或阴霾情况下AOT值偏大,是无云情况下的5倍左右;从单次散射反照率来看,该海区上空在秋季气溶胶有吸收的情况,离岸近,吸收较强,离岸远,吸收较弱;从粒径体积谱分布来看,陆源聚类粒子含量的高低与气溶胶的吸收有很大的关系.