基于激光雷达和地面监测数据对南京一次沙尘和细粒子污染时空演变特征的分析

利用偏振激光雷达对南京2015年3月一次沙尘和细粒子污染共存过程的颗粒物垂直分布特征进行观测研究,结合地面气象数据、PM2.5和PM10质量浓度数据、PM2.5组分数据、卫星MODIS测量结果,探讨不同颗粒形态下的气象因素、颗粒物浓度分布、组分特征以及颗粒物光学特性的时间演变和垂直分布特征.结果表明:高湿、弱风等不利气象条件利于二次粒子的生成和累积,期间水溶性组分中SNA(SO₄^2-、NO₃^-、NH₄⁺)等二次组分浓度明显升高;同一时期长距离输入的沙尘发生的沉降对地面PM2.5化学组分构成显著影响,3月21日下午时段至3月22日在1.1².5 km高度的沙尘颗粒物向地面输送造成地面PM2.5的Ca²⁺突然增大到3.2μg/m³;3月22日下午以后在东南气流影响下,地面PM2.5向西扩散,PM2.5颗粒物浓度得到有效稀释,同时段出现了沙尘输入和扬尘过程,扬尘过程和沙尘输入使地面的粗颗粒增多,PM10剧增至347μg/m³;南京与无锡地区的颗粒物时空分布呈现高度相似的变化特点,具有区域性分布特征.后向轨迹分析表明,500 m、800 m及1000 m三个高度气团移动方向基本一致,主要从内蒙、京津冀、山东等地入海,后又经东海返回内陆抵达南京.     

获取多波长气溶胶光学特性的方法研究

为了获得多波长气溶胶的垂直消光特性,本文提出了一种综合利用光学粒子计数器、能见度仪和激光雷达获取多波长气溶胶光学特性的新方法。该方法根据光学粒子计数器测量的谱分布、能见度仪测量的能见度和激光雷达测量的消光后向散射比反演出气溶胶粒子(λ=0.532μm)的折射率,作为初始值,根据气溶胶模式提供的折射率随波长的变化关系,确定其他波长上的折射率。再根据气溶胶折射率和谱分布计算不同波长上的消光特性,最后采用激光雷达测量的垂直消光廓线来反演其他波长上的消光廓线。以0.532μm,1.06μm和 10.6μm三波长为例,给出北京2004年8月24日气溶胶在不同波长上的垂直消光廓线。     

可见光波段非球形沙尘气溶胶散射和辐射特性的理论模拟

将非球形沙尘气溶胶视为具有一定的尺度谱和形状分布的随机取向椭球粒子群,利用T矩阵和改进几何光学方法（IGOM）模拟了非球形沙尘气溶胶粒子在可见光波段（0.47 ）的散射特性,并与实验室测量结果和等体积球形粒子的计算结果进行了比较。结果表明：利用具有一定的尺度谱和形状分布的随机取向椭球粒子模拟自然界中的非球形沙尘粒子散射特性是行之有效的;用等体积球形粒子得到的单散射相矩阵（特别是单散射相函数）与椭球粒子相比,具有明显的差异,而粒子形状对单散射反照率、不对称因子和消光效率的影响明显偏小。通过比较椭球和球形沙尘气溶胶在可见光波段的辐射特性说明在计算非球形沙尘气溶胶辐射特性过程中应考虑粒子形状对其单散射特性的影响。     

差分吸收NO2激光雷达光源的设计与实现

为研制一台探测距离3km、分辨率10μg/m3的大气NO₂廓线差分吸收激光雷达,以NO₂的吸收光谱和激光雷达方程为基础,通过数值仿真分析了回波信噪比与水平和垂直方向上大气中气溶胶、NO₂含量的分布、探测距离和几何因子的关系;搭建探测大气NO₂实验系统,开展了大气NO₂浓度实验观测,获得水平及垂直高度0.4km~3.0km内的NO₂浓度实时分布,探测分辨率可达4.717μg/m3,系统稳定可靠。结果表明,采用两台波长为354.7nm、能量不小于100mJ的Nd:YAG激光器分别抽运两台染料激光器的方式,并以C450为染料,可满足差分吸收探测所需的两束波长为λ_on（448.10nm）和λ_off（446.80nm）、能量为8mJ的输出光束。该方法为实用化NO₂差分吸收激光雷达光源的设计及应用提供了理论依据及技术支持。     

太赫兹波段下切比雪夫粒子散射特性研究

为探究太赫兹波段下沙尘粒子的散射特性,本文采用离散偶极子近似方法对不同切比雪夫模型(Chebyshev)的沙尘粒子散射特性进行研究。分别计算1.5 THz、2.524 THz、3.437 THz频率下的切比雪夫粒子不同物理性质如粒子尺寸、粒子形状,对其散射特性如后向散射截面(C_bak)、衰减截面(C_ext)、散射截面(C_sca)、单次散射反照率(ω)等的影响。结果表明：同一波纹参数下,1.5 THz时粒子尺寸对C_ext和C_sca的影响较大;2.524 THz时粒子尺寸变化对C_bak影响较大;同一频率下,波形参数为2～5的粒子尺寸变化对各光学截面的影响较其他形状有明显不同;三个频率下,各波纹参数的粒子在有效半径大于10μm时单次散射反照率都大于0.95。     

海洋大气气溶胶粒子谱分布及其消光特征分析

为研究海洋大气气溶胶粒子数浓度时空分布和粒径谱分布特征,2014年8月至2016年3月期间,利用光学粒子计数器和自动气象站等设备在广州茂名海边、东海和南海海域、三亚近海海域以及太平洋和印度洋海域对海洋大气气溶胶粒子数密度谱及大气温度、湿度、气压、风速等进行了测量。对不同海域不同气象条件下的谱分布特征进行了统计分析,并对谱分布进行了拟合。结果表明海洋大气气溶胶粒子谱分布是由一个细粒模和一个中间模组成,但近海的粒子数浓度大于远海。远海气溶胶粒子谱型稳定,海面风力是引起粒子数浓度变化的主要原因。东海和南海的粒子谱分为二段,小于0.5 m时用Junge谱的指数分布来描述,0.5~4 m段用对数正态分布来描述。大风天气下海洋气溶胶的消光系数明显增加,且在1~3 m波段的消光特征基本不受波长的影响。     

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。     

星载激光雷达对气溶胶垂直分布的对比分析

云和气溶胶偏振激光雷达(CALIPSO)卫星数据是探测大气气溶胶特征的有效工具。采用CALIPSO数据对37.1°N,113.3°E~38.6°N,117°E之间地理区域的强霾天气、沙尘天气、生物质燃烧污染天气和清洁天气的气溶胶消光系数、退偏比、色比以及温度廓线进行对比分析,结果表明:1)强霾天气主要是球形度较高的水溶性细粒子污染,集中在地表1 km以内,常伴有逆温无风或弱风现象出现;2)沙尘天气垂直分布广,可存留在高空,非球形度高,粒子尺度不均匀,风速偏大;3)生物质燃烧污染天气主要是集中在中低空的细粒子污染,黑碳成分高,消光系数大,常伴有污染性沙尘共同存在。三种污染天气廓线有很大不同,说明不同污染天气的气溶胶垂直分布的差异很大。     

辐射传输方程中的单次散射参数计算

根据米氏(Mie)理论,计算了多分散球形气溶胶粒子的单次散射特性。粒子的尺寸分布为伽马分布,有效半径分别为5.56,7和11μm,分析了0.4～100μm光谱范围内气溶胶粒子的平均消光系数、平均散射系数、单次散射反照率、不对称因子以及相矩阵与粒子的尺寸参数以及折射率的关系。结果表明,在可见光波段,粒子的有效半径对粒子的散射特性影响较小,在更长的波段上其影响较大;单次散射反照率在可见光范围内近似为1,随波长的变化和水滴折射率虚部随波长的变化曲线正好相反,这说明影响其大小的主要因素为粒子的折射率,即虚部越大则反照率越小;且极化率对粒子的尺寸比相函数更敏感。     

泰兴市2021年春季典型沙尘污染过程的时空分布解析

利用当地空气质量自动监测站颗粒物监测数据和气象数据,并结合大气颗粒物监测激光雷达的监测数据以及HYSPLIT气团后向轨迹模型等,对泰兴市2021年春季较为典型的沙尘污染过程进行综合分析。结果表明：1)沙尘开始阶段,PM₁₀浓度升幅明显,污染较为严重时,PM_2.5/PM₁₀降至0.2左右;2)在沙尘影响期间,泰兴市颗粒物浓度呈现双峰特征,但两个时间段出现次峰值的原因不同,3月30日晚间出现次峰值与沙尘沉降有关,而5月8日上午出现次峰值与天气系统导致的沙尘回流有关;3)结合激光雷达反演结果可以看出,两次沙尘污染过程中,沙尘传输高度普遍在2 km以下,厚度大于1 km; 4)泰兴市沙尘传输主要为西北和偏北路径,潜在污染源以内蒙古、安徽、河南、河北、湖北等省份的输入性污染为主。对泰州市春季沙尘污染的时空分布以及演变过程的了解,为该地春季颗粒物污染的改善提供了一定的科学依据。     

气溶胶粒子特性和垂直分布对辐射的影响

数值模拟了在给定条件下气溶胶粒子群平均有效半径和折射率虚部不同时大气层顶的反射强度和到达地面的透射强度,以及不同气溶胶垂直分布对各高度层的反射、透射强度和辐照度的影响。结果表明,当大气气溶胶光学厚度相同时,气溶胶垂直分布对15 km以下的反射和透射辐射影响较大;气溶胶粒子群平均有效半径和折射率虚部越小,大气层顶的反射强度和到达地面的透射强度越大。因此,对于准确地计算大气辐射不仅需要考虑气溶胶总光学厚度,还需考虑气溶胶粒子群的平均有效半径、复折射率和气溶胶垂直分布;计算中若只使用气溶胶模型中的经验值会带来较大误差。     

光学表面粒子污染物散射的单层薄膜调控特性

为了降低超精密低损耗光学元件表面粒子污染物的光散射损耗,文中提出通过在光学表面沉积单层薄膜来调控表面场强分布,从而降低散射损耗的方法。理论分析了K9玻璃超光滑光学表面不同厚度单层二氧化硅（SiO₂）和单层二氧化钛（TiO₂）薄膜表面上方半径为100 nm粒子污染物所在处的电场强度,理论分析结果发现,当SiO₂薄膜厚度为137.4 nm,TiO₂薄膜厚度为12.3 nm时,表面粒子污染物所在处的电场强度最小。在此基础上分别计算了光学元件表面沉积厚度为137.4 nm的单层SiO₂薄膜以及厚度为12.3 nm的单层TiO₂薄膜,表面粒子污染物的总散射损耗(S)和双向反射分布函数(BRDF),计算结果表明,在波长为632.8 nm的光垂直入射时,单层SiO₂薄膜和单层TiO₂薄膜可有效降低其表面粒子的BRDF,且可将K9玻璃表面的总散射分别降低12.40%和25.04%。实验验证了单层SiO₂薄膜对于表面粒子污染物散射降低的有效性。     

CALIOP激光探测的运城地区气溶胶垂直分布特征

利用2017年1月1日至2019年12月31日山西省运城地区9个气象站点的地面逐小时资料、地面日值资料和CALIOP激光雷达资料,分别对运城地区霾日和晴日的气溶胶垂直分布特征进行分析。结果表明：运城地区霾发生时,气溶胶主要聚集在0～2 km高度的大气层中,尤其是517 m左右的大气中,气溶胶的最大消光系数为0.61 km-1;0～1 km高度内,霾日最大消光系数约为晴日最大消光系数的3倍;白天与夜间气溶胶垂直分布有明显差别,在气溶胶消光系数相同的情况下,白天气溶胶所在的高度比夜间高;霾发生时,气溶胶体积退偏比集中在0～0.2;晴日近地面体积退偏比在0～0.2的分布频率低于霾日,小粒径气溶胶数量多于大粒径气溶胶数量。     

合肥、岳西气溶胶光学特性的测量与对比分析

为分析城市型气溶胶对其周边地区的影响,同时为华东地区大气参数的测量积累数据,利用空气动力学粒度仪和碳黑度仪于2009年10月先后在合肥、岳西两地开展了实验测量。结果表明:两地气溶胶粒子的平均谱分布服从对数正态分布,合肥地区气溶胶粒子模式直径约为0.710μm,岳西地区约为0.683μm。气溶胶粒子数浓度的日变化和概率统计结果显示,两地气溶胶数浓度都有明显的日变化过程,其中合肥实验数据中80%的结果分布在200～800/cm~3范围内,岳西90%以上集中在100～450/cm~3。两地气溶胶在450 nm、550 nm和700 nm三波长下的吸收系数都有明显的日变化,只是合肥地区吸收系数的量级为10~(-5),而岳西为10~(-6)。     

灰霾期间硫酸盐包裹沙尘气溶胶粒子的光学特性研究

灰霾期间硫酸盐与沙尘矿物颗粒表面经过系列化学反应形成复杂的混合状态,为气溶胶光学性质模拟带来很大困难。因此,厘清硫酸盐壳对沙尘矿物颗粒光学特性的影响机制具有重要意义。文中根据灰霾期间硫酸盐与沙尘矿物颗粒反应过程中的混合结构变化,建立了沙尘-硫酸盐颗粒的核壳椭球结构模型。采用T矩阵方法,研究了四波段条件（0.44、0.675、0.87、1.02 μm）下,混合比对单分散系沙尘-硫酸盐粒子光学特性的影响。结果表明:混合比对沙尘-硫酸盐粒子光学特性的影响主要在Mie散射区,在瑞利散射区,混合比对粒子光学特性影响不大。同时研究结果还表明,当混合比小于0.3时,硫酸盐壳在粒子散射特性中占主导地位;当混合比大于0.7时,粒子散射特性主要受沙尘核的影响;在此区间内,粒子散射特性由硫酸盐与沙尘共同影响,并会出现强于（或弱于）任何一种纯颗粒物的现象。该研究对理解灰霾老化期间单颗粒气溶胶混合结构及其光学特性具有重要意义。     

合肥、东南沿海地区气溶胶光学特性测量及模式分析

对合肥和东南沿海地区气溶胶粒子的光学特性进行了较为系统地实验观测和统计分析,并初步建立了两个典型地区气溶胶光学特性的模式,对这些地区气溶胶粒子的尺度谱分布、数浓度、散射和吸收系数以及大气能见度获得了规律性认识,这有助于较为全面地了解合肥和东南沿海地区大气气溶胶粒子的各种光学特征量,并可深入了解陆地和海洋型气溶胶粒子的光学特性.     

激光雷达观测淮南大气SO2和NO2浓度廓线实例分析

为了初步探究淮南地区大气SO₂及NO₂的不同时空分布特征,采用自研的差分吸收激光雷达系统测得某地（淮南地区）部分月份大气SO₂及NO₂气体浓度分布廓线,并选取其中典型实例从气体水平浓度日变化、垂直浓度变化以及水平浓度月变化3个方面分析了SO₂及NO₂分布特点。结果表明,同一天夜晚时刻,SO₂及NO₂气体浓度大于下午时刻的气体浓度;SO₂及NO₂气体垂直浓度随高度增加呈递减趋势;SO₂及NO₂气体水平浓度月变化变现为冬季月份气体浓度最大,夏季月份气体浓度最小,春、秋季月份次之。SO₂及NO₂浓度变化特征是人群活动和气象条件变化共同作用的结果。     

利用太阳光度计进行北京地区气溶胶光学性质研究

利用2011年到2014年北京太阳光度计数据对北京地区的气溶胶光学特性进行了研究。北京地区气溶胶光学厚度（AOD）全年较高,四年440nm波长的AOD年均值分别是0.67±0.70,0.69±0.71,0.73±0.66,0.75±0.66。AOD月均值表现出一定的季节变化,最大值和最小值一般出现在春季和秋季。通过气溶胶类型分类可知,除了春季受沙尘大颗粒气溶胶影响外,北京地区高气溶胶主要是由城市细粒子气溶胶引起,且四季小粒子增长现象明显,其中夏秋季主要为吸湿性增长,其他季节主要为静稳天气下的增长。通过对比沙尘和霾天气下气溶胶性质进行对比,结果表明:霾天气下AOD一般高于沙尘天气。Hysplit风场后向轨迹模型结果表明,沙尘天气下气团为穿过蒙古草原和沙漠的西北风场。在灰霾天气下风场风速较小且主要以东南和西南风场为主,高气溶胶状态为本地积累和外来输送共同作用产生。     

太原盆地霾日气溶胶垂直分布及气象要素分析

近年来,太原盆地气溶胶污染比较严重。为探讨太原盆地气溶胶垂直分布及气象要素的影响,本研究团队应用CALIOP气溶胶资料、地面观测站资料获得了太原盆地2018—2020年气溶胶消光系数的垂直分布;基于HYSPLIT后向轨迹和聚类分析方法,结合CALIOP气溶胶类型数据、NCEP/NCAR再分析资料、MICAPS高空和地面常规观测资料对太原盆地不同来源的气溶胶的垂直分布、类型及天气形势进行了探讨。结果表明:太原盆地霾日气溶胶消光系数的最大值为1.22 km-1,消光系数随着高度的增加而减小;晴日消光系数的最大值为0.33 km-1;新疆和内蒙古方向的气团对太原霾日的贡献最大(46%),其次为来自本地的污染气团(39%);太原盆地受西北或偏西气流的影响,同时在低层暖平流的控制下,易聚集污染沙尘型气溶胶;在静稳天气背景下,低层暖平流导致逆温层形成,地面弱气压区及弱风速区使污染物不易扩散,容易聚集污染沙尘型气溶胶和大陆污染型气溶胶;地面上,太原盆地处于高压底前部,地面风速较大,700～850 h Pa处的冷平流将高纬度的污染物输送至太原盆地,气溶胶以沙尘型气溶胶为主,气溶胶抬升高度较大。     

基于散射法原理的能见度及气溶胶消光特性测量分析

气溶胶是指悬浮在大气中的各种半径为0.01～20μm的固体和液体粒子,它们对光的影响表现为散射和吸收,是致使大气中光波传输时能量损失的原因之一.介绍了两种测量大气气溶胶光散射特性的仪器,前向散射能见度仪和三波长积分浊度计,通过在合肥地区系统的测量,获得了该地区大气能见度和气溶胶消光的统计特征,为有关光学工程试验提供了科学依据.对比分析了两种设备测量结果,为提高探测精度,将两种仪器的测量结果放在一起进行了研究,获得了满足特殊试验要求的第一手数据,夏秋两季的能见度较高时,平均能见度的最大值超过10 000 m.实验结果对于大气环境评价和辐射气候效应及有关光学试验有重要的参考价值.