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.     

合肥地区背景大气气溶胶的偏振激光雷达测量研究

为了研究合肥地区背景大气气溶胶的后向散射特性和偏振特性,利用2007年1月至2009年2月期间无云晴天偏振激光雷达常规测量数据进行统计分析。结果表明：合肥地区对流层中、上部气溶胶散射比和大气退偏振比具有明显的季节变化,其均值春季最大、冬季次之、夏季再次、秋季最小;在春季由于非球形粒子增多,使得其结果明显偏大。数据分析结果为低对流层米散射激光雷达测量数据反演提供参数选取依据,并为特殊天气过程大气气溶胶结构层（沙尘层、污染层等）的深入研究提供有用资料。     

扫描式气溶胶激光雷达研制与观测研究

气溶胶在大气光学、大气辐射、大气化学、大气污染和云物理学等领域具有重要研究意义,是大气监测的重要要素。为了更好地研究大气气溶胶光学特性及其时空变化特征,山东省科学院海洋仪器仪表研究所研制了基于532 nm波长、单脉冲能量60J、可进行三维扫描测量的气溶胶激光雷达。主要介绍了激光雷达的结构设计、技术指标、探测原理、探测模式、观测实验与数据分析。通过激光雷达在青岛小麦岛海洋环境监测站的观测实验数据,分析了不同天气条件下的大气水平能见度,验证了时间-高度显示、距离-高度显示与平面-位置显示测量模式的有效性。通过多种观测模式的数据,利用Fernald方法反演了不同时刻的气溶胶消光系数,并分析了气溶胶与云光学特性的时空变化特征。探测结果表明:扫描式气溶胶激光雷达可以有效测量大气水平能见度,通过扫描系统可以获取不同方向的气溶胶性质分布特征从而扩展了其探测范围。多种探测模式相结合可以获取云、气溶胶和边界层时空变化特征。     

星-地激光雷达联合观测合肥地区的气溶胶垂直分布

通过匹配星载CALIOP过境合肥时间,筛选Aerosol-lidar的观测数据,选取4个典型天气个例[沙尘天气、多云天气、中度污染(无云)、中度污染(有云)],对合肥地区的气溶胶进行联合观测,并对气溶胶的类型、气溶胶的变化、气溶胶污染的成因及来源进行分析。结果表明,多云天气下,星载激光雷达对底层气溶胶探测时会受到天气的影响,而地基激光雷达的探测效果较佳,可以通过定点连续观测距离的校正信号准确地反映气溶胶含量和变化特点。星-地激光雷达的联合观测可以更好地分析多种复杂天气的气溶胶变化。联合观测结果表明:轻度污染的沙尘型和受污染的浮尘型气溶胶主要集中在0.8~1.6 km高度范围内,退偏振比集中在0.18~0.20之间;多云天气的气溶胶主要为污染大陆型,集中在0.4~1.2 km高度范围内,其退偏振比在0.015~0.020之间,气溶胶含量很少且为具有球形粒子属性的细颗粒物;中度污染(无云)天气的气溶胶同时包含污染浮尘型和污染大陆型,主要集中在0.3~1.3 km高度范围内,退偏振比在0.08以下,具有明显的球形粒子属性;中度污染(有云)天气的气溶胶也同时包含污染浮尘型和污染大陆型,主要集中在0.8~1.4 km高度范围内,退偏振比在0.075~0.100范围内,为粒径较小的球形粒子。     

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。     

戈壁地区气溶胶光学特性测量与分析

利用CE318太阳辐射计测量了西北戈壁地区的气溶胶光学厚度(AOD),并给出了该地区典型的晴朗和沙尘天气条件下气溶胶光学厚度的变化,以670 nm的气溶胶光学厚度值为例,AOD平均值分别为0.2和0.47,给出了相应大气条件下波长指数和大气混浊度因子的变化,并进行简要分析.计算了光学厚度的逐月变化量,最后得出了西北戈壁地区气溶胶光学特性的初步结论.     

米散射激光雷达探测大气消光特性研究

激光雷达作为一种主动遥感探测工具,广泛用于大气环境等研究领域,特别是探测对流层内大气气溶胶和卷云的光学特性以及大气水平能见度。在阐述大气气溶胶探测原理及信号处理的基础上,提出一种工程可行的米散射激光雷达及数据处理的设计方案,利用此雷达对苏州城区大气气溶胶特性进行测量,并利用Fernald方法反演了其消光特性,通过实验数据分析了苏州城区的重要大气光学特性,充分显示了米散射激光雷达在大气特性探测领域的优越性。     

基于颗粒物光学检测技术的大气沙尘气溶胶 形貌、混合态研究进展

大气中的沙尘气溶胶颗粒物会通过与太阳辐射相互作用、参与云的形成过程等, 对气候系统产生强烈影响。 对流层中的沙尘气溶胶通常是含有各种粒子成分的不均匀混合物, 只有通过详细了解单个沙尘粒子的理化特性才能 充分认识其对气候的影响效应。基于此, 对过去 20 年基于光学方法对大气沙尘气溶胶观测分析的研究进行了全面的 综述。回顾了利用电子显微镜、激光雷达以及单颗粒质谱等光学技术的研究成果, 简要介绍了基于扫描电镜和能谱、 偏光特性、非对称因子等的观测分析技术, 并讨论其优缺点; 总结了沙尘气溶胶形貌、混合态特征研究, 讨论其参与大 气物理化学过程的主要方式; 讨论了污染沙尘的光学性质、吸湿特性及成核能力, 这些特性都对气候变化和预测有重 要影响。大气中的沙尘气溶胶是复杂多样的, 如何将精确的单粒子分析技术和快速响应的在线检测技术结合将是未 来大气探测的研究重点, 这些研究成果也将进一步扩展到气溶胶的环境和气候影响研究, 以及人类健康风险评估中。     

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。     

轻度非球形气溶胶粒子的激光雷达比

对探测大气气溶胶粒子的激光雷达的关键参数-激光雷达比问题进行了讨论,以一种典型的集合状态(一般大陆型气溶胶粒子)为例,分析计算了几种典型湿度下非球形气溶胶粒子在0.532 μm波长上的激光雷达比.发现,粒子的非球形对激光雷达比具有明显的影响.该结果为激光雷达探测对非球形大气气溶胶粒子的测量研究提供了分析依据.     

2021 年春季沙尘传输对徐州地区气溶胶演变影响分析

沙尘气溶胶对局地大气环境具有显著影响, 本工作基于 2021 年 3 月中国东部卫星和地基遥感观测资料, 以沙 尘传输过程中上下游的两个城市北京和徐州为主要研究区, 分析了两地气溶胶环境的阶段性变化特征和驱动因子。 结果表明: (1) 连续两次大型沙尘暴均来源于蒙古地区, 并受冷空气驱动影响中国东部地区, 第一次沙尘在江苏腹地进 入黄海, 第二次沙尘在江苏省附近受西南暖风影响发生沙尘回流现象造成持续污染。 (2) 沙尘以粗颗粒物为主, 使得近 地面层 PM10 浓度急剧提升至背景值的 20 倍、 PM2:5 提高至 3 倍。处于下游的徐州地区比上游的北京地区两次 PM10 峰值均低 500 µg·m−3, 且时间延后 12 小时。 (3) 沙尘过境前徐州背景气溶胶以散射性细颗粒物为主, 气溶胶光学厚度 (AOD) 小于 0.5, 单次散射反照率 (SSA) 约等于 0.99。到达徐州地区的沙尘漂浮在 2∼ 4 km 高空层并随重力作用与地 面层气溶胶混合, 使得 AOD 瞬间提升至 1.5 以上, 24 小时后开始逐步由沙尘主导过渡到本地污染物粒子主导 (气溶胶 退偏比从大于 0.25 降至 0.1 以下)。本次沙尘中部分颗粒物成分对 440 nm 光谱吸收性较强, 与沙尘来源有关。     

卡口电连接器的砂尘环境可靠性技术研究

砂尘试验是评估产品在飞散尘埃的大气中抵抗尘埃微粒渗透的能力。按照GJB 150的要求,开展卡口电连接器的吹尘和吹砂试验,并对试验前后各项相关参数的测试结果进行对比分析。结果表明,广泛应用的卡口电连接器在吹尘试验条件下容易进入砂尘,引起接触电阻、连接扭矩和外壳弹簧爪力等性能的恶化,特别是大芯数电连接器的外壳弹簧爪力容易引起失效,建议在以后的卡口电连接器检验中将外壳弹簧爪力纳入考核项目中。     

激光在沙尘暴中的衰减特性研究

复杂环境中激光传输和散射特性是目标与环境光散射特性研究的基础。主要讨论了激光信号在沙尘中的传输衰减特性。根据Mie理论研究了具有一定粒径分布沙尘粒子对于激光信号的单次散射衰减特性，给出了不同分层沙尘粒子的平均散射截面、粒子平均反照率、平均不对称因子和平均相函数。利用四通量法和蒙特卡罗法研究了激光在分层沙尘大气中的多重散射和斜程传输衰减特性，并给出它们与能见度及高度的变化关系。最后，在考虑多重散射时，分别用以上两种方法数值计算了1．06μm激光在斜程沙尘大气中的衰减率，并与单次散射结果进行了比较。结果表明，能见度较低时，不考虑多重散射效应会带来较大的误差；在斜程沙尘大气激光传输时，随分层数增加，数值结果就越精确。     

Propagation Characteristics of Infrared Pulse Waves through Windblown Sand and Dust Atmosphere

The physics characteristics of the windblown sand and dust atmosphere at the sand bench of Yellow River in China are discussed. The pulse distortion and time delay of infrared nanosecond pulse propagating through the atmosphere having sand and dust particles are investigated at 1.06 and 3.8 μm, respectively. It is shown that the delay of 10 ns laser pulse propagating through 5 km windblown sand and dust atmosphere are over 1 ns and 10 ns at 1.06 and 3.8 μm, respectively. The pulse spread increases slightly with wavelength increase. The pulse spread of a 10 ns laser pulse is over 40 ns at 3.8 μm. The pulse delay and spread increase rapidly with the sand particle density increasing in atmosphere. The narrower the pulse width is, the more the pulse distortion is. Hence, at infrared band, for a laser pulse propagating in sand and dust atmosphere, the pulse delay and spread are quite severe and need be taken into account for a narrower pulse laser system.     

红外波在沙尘暴中的后向散射增强

为了提高沙尘暴中红外系统的精度,应用电磁波在离散随机介质中传播的多重散射理论,分析红外波在沙尘暴中传播时的后向散射增强机理,给出了沙尘暴单位体积的粒子数随能见度变化的关系式,对于可见到远红外波,研究其在不同能见度的沙尘暴中传播时的多重散射效应引起的后向散射增强。结果表明对于不同波长的波,其后向散射增强不同。沙尘暴的能见度越低,后向散射增强越显著。不同类型的沙尘暴,粒子尺度分布不同;在一定能见度时,单位体积中粒子数越多的沙尘暴,后向散射增强越大;在一定的粒子数密度时,含大粒子数越多的沙尘暴,后向散射增强越显著,尤其是波长较长波的后向散射增强更明显。即,沙尘暴的能见度越低,单位体积中的粒子数越多,包含较大粒子数目较多时,后向散射和增强就越显著,则对红外系统的影响就越严重。     

我国典型沙区中沙尘的物理特性

针对我国典型沙区的理论研究和实验结果，着重系统地讨论了我国塔克拉玛干沙漠等典型沙区的有关沙尘浓度，粒径分布，形状分布，介电特性等物理特性及其受环境因素的影响。     

The Study of MMW and MW Attenuation Considering Multiple Scattering Effect in Sand and Dust Storms at Slant Paths

The influence of sand and dust storms on modern MMW and satellite communication systems reliability have been paid more attention to. The attenuations induced by sand and dust storms are estimated by means of Mie-theory and Rayleigh approximation, in the case of the tenuous distribution of particles. With the particle density increasing, however, these method become inadequate, the multiple scattering effects then become dominant for attenuation estimation. The attenuations considering multiple scattering effects are estimated by Monte-Carlo and four fluxes method at horizontal paths. At slant paths, based on multi-layer media model, the attenuations considering multiple scattering effects are calculated by layered Monte-Carlo method at 100, 37, 24, and 14GHz. It is shown that the multiple scattering effects should be considered at the attenuation prediction in the sand and dust storm, which the visibility is about 0.5km and smaller than 0.5km and frequency is about 20GHz. Above 30GHz, the multiple scattering effects due to sand and dust particles should be considered, as visibility is about 1km and smaller than 1km at slant paths.     

沙尘在FSO常用红外波段的散射特性研究

研究红外波段沙尘的散射特性对自由空间光通信（FSO）具有重要的理论意义。针对FSO常用的几个红外波长,采用Mie理论对激光在不同沙尘粒径下的散射特性进行了分析;基于粒子尺寸的对数正态分布模型,计算了沙尘条件下红外波段（0.76~10.6 m）激光的传输衰减率。结果表明:在沙尘条件下,7.4~8.0 m这一波段附近的传输衰减最小,并且明显低于其他波段。因此,可以选用7.4~8.0 m这一波段的激光进行沙尘条件下的激光通信,其传输性能会明显优于其他波段。最后,以波长1.064 m为例,分析了能见度随粒子浓度的变化关系,并与蒙特卡罗方法的计算结果进行了比较。     

A novel measurement method of bulk/scaled dust permittivity at a microwave frequency band as I/P to accurate scattering computations. Part II

In order to compute the scattering properties of individual sand/dust particles dispersed in air, as in a true sand/dust storm, we need to derive a permittivity value which is representative of sand/dust particle with its layer of water. As a first step in this, we applied Looyenga??s formula to extract the permittivity of the dry sand/dust component from the mixture which is measured. Measured results could be used to estimate electromagnetic wave propagation impairments in communication systems.