可见光和红外波段大气体散射强度特性

搜集整理了气溶胶、雾和雨的观测资料,运用米氏理论计算并分析了大气体散射强度特性.结果表明:大气体散射能量主要集中在前向较窄的散射角区间内,体散射相函数随散射角的分布取决于粒子尺度谱、波长和复折射指数,不同类型粒子体散射相函数随散射角的分布特性有较大的差异;大气单散射反照率受波长和复折射指数虚部影响,其值范围变化较大,相...     

基于用几何光学和米散射法的球形粒子前向散射特性计算研究

分别用几何光学(GOM)、Lorenz-Mie散射方法计算了0.55 m波段球形粒子的散射特性,并对两种计算方法的准确性进行了分析。研究了粒子尺度参数、折射率虚部对粒子0散射相函数的影响。结果表明:在粒子尺度参数大于60时,GOM计算的球形粒子的散射特性与Mie非常接近。在粒子尺度参数小于1 000时,两种方法得到的前向散射相函数与粒子尺度参数均成二次方关系,且计算结果基本一致;随着粒子尺度参数的增大,前向散射与尺度参数之间将逐步失去二次方关系。当粒子尺度参数大于10 000时,采用GOM方法得到的结果要比Mie散射方法的结果偏大;当粒子尺度一定时, 0散射相函数与折射率虚部之间呈先增大后减小的规律。     

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。     

大气气溶胶粒子散射相函数的数值计算

大气气溶胶粒子作为大气电磁环境的重要组成成分之一,在紫外、可见到红外波段内严重影响电磁波的传输特性。散射相函数是研究气溶胶中电磁波传输特性的一个重要参量,依据粒子电磁散射理论,数值计算了球形和椭球形气溶胶粒子在红外波段给定波长入射时散射角余弦的一阶矩,给出了气溶胶粒子HG相函数和改进HG*相函数的数值结果,并将球形气溶胶粒子的这两种相函数和Mie散射相函数进行了对比。结果表明:随着波长的增加及气溶胶粒子尺寸参数的减小,HG*相函数能更好地体现红外波段气溶胶粒子的散射特性。相函数的准确计算可为研究气溶胶中红外激光的传输特性奠定基础。     

灰霾中主要污染物粒子散射特性的研究

分析了灰霾污染天气条件下气溶胶的物理光学特性,研究了PM2.5污染物粒子主要成分,包含硫酸铵、硫酸、硝酸铵和碳质气溶胶等粒子。运用Mie散射理论对此类灰霾粒子的光散射特性进行了研究,分析计算了上述几种粒子组分的散射、吸收、消光效率因子以及散射相函数。结果表明硫酸铵、硫酸和硝酸铵粒子主要以散射作用为主,吸收效应很弱几乎为零,且散射效率因子随尺度参数振荡衰减最终趋于常数2,而碳质气溶胶粒子则表现出较强的吸收效应。最后通过对比不同半径不同粒子的散射相函数,结果表明粒子相函数对粒子大小和复折射率较为敏感,且前后向散射具有一定的对称性。该研究结果可用于大气污染光学遥感监测。     

大气气溶胶对激光传输衰减的影响研究

在大气气溶胶类型、谱分布的基础上,利用Mie散射理论计算气溶胶在可见光和近红外波段的散射和衰减特性,讨论分析了大气气溶胶对可见光和近红外波段激光传输衰减的影响,计算结果表明,激光传输在很大程度上受粒子的折射率和谱分布的影响;不同类型气溶胶粒子具有不同的折射率和谱分布参数,从而决定了其具有不同的散射和吸收特性;气溶胶粒子的数密度越大,其衰减和散射能力就越强,对激光传输的衰减也就越大;但前后向散射的不对称性只与气溶胶谱分布有关,与数密度无关.所得出的结论有助于准确评估大气气溶胶对激光传输的影响以及提高激光传输、通信和激光测风等应用.     

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。     

基于不同散射相函数的紫外光传输特性研究

为了研究三种不同散射相函数下紫外光大气传输特性,文章采用非直视紫外光通信的单次散射简化模型,对系统接收机接收到的能量及紫外光传输路径损耗随传输距离和散射角的变化情况进行分析.结果表明:三种相函数下,都表现为随传输距离的增大,接收能量减小,路径损耗增大,但三者之间存在一定的差异,对于紫外光通信系统,其传输性能的影响以前向散射为主,后向散射作用很小;随着散射角增大,后向散射作用相对明显;三种散射相函数下,紫外光通信链路的最佳散射角不同,但均随发射仰角的增大或接收仰角的增大最佳散射角增大,而接收能量减小.     

基于粒子群优化的近似散射相函数拟合方法

散射相函数是研究气溶胶中光传输特性的一个重要参量。对比了大气辐射传输中的蒙特卡罗仿真常用的4种近似散射相函数,针对二项Henyey-Greenstein（TTHG）相函数的参数不易确定的问题,提出了一种基于粒子群优化的TTHG散射相函数,该函数可以很好地拟合Mie散射相函数,尤其是在大于90的后向散射方向效果更加明显。相比于HG、HG*、RHG等相函数,文中提出的相函数可以更好地逼近实际散射情况,得到更精确的蒙特卡罗仿真结果。     

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。     

平流层非均匀气溶胶粒子等效光学特性的数值分析

分析了用等效折射率描述平流层非均匀气溶胶粒子光学特性的方法。采用改进的判据,计算的消光效率因子、吸收效率因子等光学特征量的相对误差大部分小于10%。在尺度参数x<5时,等效折射率实部波动较小,5种不同混合比中,最大的起伏方差为1.18×10-4;在尺度参数x>5、混合比较小时的起伏方差也较小,例如,混合比为0.01和0.10时的起伏方差分别仅为2.59×10-5和2.56×10-5;在整个尺度范围内,等效折射率虚部的波动都较小,最大起伏方差为4.38×10-7。计算结果表明:采用改进的判据可以获得更趋稳定的中、高层外混合单分散气溶胶粒子的等效光学特征量。     

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。     

1.06 μm激光气溶胶凝聚粒子散射特性

气溶胶是大气电磁环境中的重要组成部分,气溶胶粒子严重影响1.06 m激光的传输特性。单次散射反照率和不对称因子是研究气溶胶中激光传输特性的一个重要参量。基于CCA模型,模拟了由64个球形原始微粒凝聚而成的四种取向气溶胶凝聚粒子。利用离散偶极子近似方法,数值计算了1.06 m激光入射情况下四种形状气溶胶凝聚粒子的单次散射反照率和不对称因子随入射角变化的值;并分析了尺寸参数对单次散射反照率和不对称因子的影响。结果显示:对于相同数目原始微粒的气溶胶凝聚粒子,其单次散射反照率和不对称因子明显依赖于入射光的入射角度和气溶胶凝聚粒子的形状;对于不同尺寸参数的气溶胶凝聚粒子,其单次散射反照率和不对称因子随尺寸参数的增大而增大,当尺寸参数大于3时,气溶胶凝聚粒子的散射主要集中于前向散射。     

大连地区典型天气气溶胶光学厚度的计算分析

气溶胶光学厚度不仅是计算气溶胶含量、评价大气环境污染程度、研究大气辐射传输等领域中的一个关键因子,而且在大气辐射传输方程的求解过程中,是透射函数、反射函数等重要参数的基本参数。通过分析气溶胶光学厚度的影响因子,搜集整理典型天气气溶胶粒子复折射率资料和粒子谱分布观测数据,建立典型天气气溶胶粒子复折射率数据库,基于气溶胶粒子谱分布实验数据完善了大连地区典型天气气溶胶粒子谱分布模型,再结合大气能见度等大气参数,利用米散射理论计算了气溶胶消光光学厚度。     

用气溶胶飞行时间质谱仪测量气溶胶粒子折射率

利用自行研制的气溶胶飞行时间质谱仪（aerosol time-of-flight mass spectrometer, ATOFMS）对气溶胶粒子的折射率进行测量。首先利用ATOFMS对气溶胶粒子的粒径和光散射强度进行测量,然后由Mie散射理论结合ATOFMS光散射区域的几何结构,推算出光电倍增管（PMT）接收的理论光通量与气溶胶粒子的大小和折射率之间的函数关系。通过比较实验测量的气溶胶粒子光散射平均强度与Mie散射理论值,对粒子的折射率进行反演。与实际样品数据参数对比的结果表明该方法是可行的。     

一次大雪后大气气溶胶变化个例分析

2008年1月10日至2月2日我国发生了大范围持续性低温雨雪冰冻极端天气灾害,在1月29～31日雨雪已止、天气转晴的三天内,于合肥地区进行多种大气参数包括温度、相对湿度、风速、湍流折射率结构常数、气溶胶粒子谱分布、数浓度、散射系数和吸收系数等的连续观测,获得一批与冬季常规观测明显不同的实验结果.给出了这一个例中大气气溶...