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.     

探测气溶胶消光特性的双波长米散射激光雷达

研制了一台双波长米散射激光雷达,用来探测对流层大气气溶胶532nm和1064nm两个波段的消光特性及其时空分布.该雷达系统采用四个通道分别用于对流层下部和中上部532nm及1064nm的大气回波信号,并采用窄带滤光片.借助小孔光阑,有效压制背景,以提高系统白天探测能力.描述了该雷达系统的总体结构和技术参数以及数据处理方法.给出了合肥地区(N31°54',E117°10')对流层大气气溶胶532nm及1064nm大气气溶胶消光系数的垂直廓线及其时空分布的典型探测结果,分析了气溶胶的波长依赖指数和532nm波段的光学厚度.观测和分析结果表明,双波长具备昼夜连续观测对流层大气气溶胶的能力,可以很好地反映气溶胶粒子的时间和空间分布特征.     

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.     

前向散射型能见度仪的研制

前向散射能见度仪测量前向散射光强度,确定大气的消光系数,进而获得大气的能见度值。基于上述原理,考虑雾天大气散射特性,研制了一台前向散射能见度仪样机。通过样机室外雾天散射光强测量值与实地能见度值的比较,给出之间的修正计算公式。样机还在外场与国外同类仪器进行了实测数据对比实验。     

前向散射型能见度仪的研制

前向散射能见度仪测量前向散射光强度,确定大气的消光系数,进而获得大气的能见度值。基于上述原理,考虑雾天大气散射特性,研制了一台前向散射能见度仪样机。通过样机室外雾天散射光强测量值与实地能见度值的比较,给出之间的修正计算公式。样机还在外场与国外同类仪器进行了实测数据对比实验。     

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)。     

内陆和沿海地区大气气溶胶标高的测量分析

在大气气溶胶粒子浓度随高度指数下降的假定下,气溶胶标高反映了大气边界层气溶胶的特征厚度。为了得到气溶胶标高随时空、季节和地域变化情况,根据整层大气光学厚度和近地面水平能见度的测量结果,分析了内地和沿海地区气溶胶标高的实际变化,初步得到了气溶胶标高随时间、地域及季节改变的规律。     

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。     

雾和气溶胶的光学特性对前向散射和总散射能见度仪性能的影响

建立了完整的散射式能见度仪（SVM）探测方程,搜集整理了典型天气条件下雾和气溶胶的观测资料,在此基础上,运用米散射理论计算并分析了雾和气溶胶的光散射特性及其对前向散射能见度仪（FSVM）和总散射能见度仪（TSVM）探测性能的影响。结果表明:大气散射特性显著影响SVM 的探测误差,且FSVM 受影响程度超过TSVM;雾天气下FSVM 与TSVM 的探测误差基本相当,而气溶胶天气下FSVM 探测误差比TSVM 约大6%;相同天气条件下,TSVM 接收的光通量约为FSVM 的7倍,但TSVM 泄露的散射光仍不能忽略,否则将导致较大的系统误差;若不计光通量测量误差,雾天气下FSVM 与TSVM 的探测误差分别为4.06%、5.54%,气溶胶天气下分别为35.80%、30.33%。所得结果可为SVM 的光路设计、误差分析和比对试验等提供支持。     

激光后向散射式能见度测量仪的理论分析与实现

文章采用后向散射能见度测量法,通过测量激光在大气传输过程中产生的后向散射信号,计算大气的消光系数,从而得出大气能见度值,从硬件和软件上设计,并进行了实验.     

基于光腔衰荡光谱技术的大气气溶胶消光性质研究

通过自主研发的基于光腔衰荡光谱技术的气溶胶消光仪,对昆山的大气气溶胶的消光性质进行观测试验,并研究了相对湿度对气溶胶消光系数的影响。观测结果表明：监测点的大气气溶胶消光系数较高,且日变化在早晨7点出现最高值,至下午17点达到最低值后开始回升,其主要是由气象条件及周边的强污染源的影响造成的。此外,气溶胶亲水特性实验表明,监测点的大气气溶胶多为污染海洋型,受周围环境的相对湿度的影响较大。该研究结果为后期结合气溶胶质谱等其它监测仪器对该地大气气溶胶性质进行进一步观测研究具有一定的指导意义。     

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。     

基于紫外激光瑞利散射大气密度测量的研究

大气密度的准确测量在气象、航空航天等领域都有重要的意义.本文介绍了一种适合于机载的基于紫外激光(波长266 nm)瑞利散射测量大气密度的系统,并针对平流层下层大气进行了分析、计算,讨论了激光器、ICCD参数以及系统结构对于测量结果的影响.     

大气气溶胶散射相函数反演算法

大气气溶胶是地气系统的重要组成部分,是大气辐射、战场环境和气候变化等的重要影响因子之一,历来受到人们的广泛关注。为了探求气溶胶对高能激光传输时能量的衰减效应,建立气溶胶散射相函数反演算法就变得十分必要。以合肥地区为例,利用已有的商用仪器积分浊度计(TSI-3563)和太阳辐射计(PGS-100)实际测量的气溶胶散射特性和光学厚度,给出波长为0.55μm的气溶胶散射相函数的反演结果。并根据误差传递理论通过计算分析确定最终的反演误差约在12.8%。该研究将丰富气溶胶光学特性的研究手段,为相关光学工程建设提供参考。     

基于不动点原理的大气气溶胶消光系数边界值确定方法

提出了一种基于不动点原理的大气气溶胶消光系数边界值确定方法,其核心思想是将确定大气气溶胶消光系数边界值的问题转化为求解函数不动点。首先建立大气消光系数边界值与大气光学厚度和激光雷达回波信号之间的函数关系;其次依据函数不动点存在性和唯一性的条件估计不动点的存在,通过不动点迭代求得大气消光系数边界值,并由此值来确定大气气溶胶消光系数边界值。将本方法应用于实际激光雷达回波信号的反演中,得到低层大气气溶胶消光系数垂直廓线,并与在对流层顶使用洁净层法确定边界值所得的结果进行了对比。结果表明,利用本方法确定边界值,可以较为准确地反演出低层大气气溶胶消光系数。本方法可以预先估计不动点的存在区间、合理选取迭代初始值,具有收敛速度快、迭代次数少的优点,实际应用价值较强。     

前向散射和衍射对气溶胶消光特性测量的影响

气溶胶的消光特性通常利用所测得的透过率来计算得到。然而,在透过率测量中,粒子的前向散射和衍射光将到达探测器,增强了透射光,从而导致计算所得到的消光截面积等参数变小。本文引入束效率因子和有效消光截面来考察上述影响,得出的结果表明,粒子的散射相函数分布决定了误差的大小,为了减小前向散射和衍射带来的误差,气溶胶和探测器之间的距离应尽可能的大。     

后向散射式小型激光雷达能见度仪探测研究

为了满足在不良气象条件下,机场飞机安全起降对能见度的观测需求,基于后向散射原理设计了一台小型激光雷达能见度仪。该系统采用具有低脉冲能量、高脉冲重复频率的二极管抽运固体激光器和具有低噪声、高量子效率的雪崩光电二极管探测器,确保了系统的测量精确性;并采用嵌入式计算机作为系统的控制和数据处理核心,实现了对系统工作时序的控制。经过多次外场测试,能见度测量数据总体误差小于15%。结果表明,该系统具有较高的探测精度,完全满足国际民航组织对于能见度观测设备精确度的要求。     

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Mie散射激光雷达的气溶胶消光系数反演方法

Mie散射激光雷达在探测气溶胶光学特性方面应用极其广泛,但在确定气溶胶消光系数边界值、后向散射消光对数比等方面缺乏精准性。基于Klett后向积分模型,提出了一种利用Mie散射激光雷达反演气溶胶消光系数的方法。首先,通过构建非线性方程,利用Steffensen迭代法获得气溶胶消光系数边界值。其次,借助差分吸收激光雷达函数模型推导气溶胶后向散射消光对数比。最后,引入反馈系统,不断修正边界值,减小气溶胶消光系数反演的误差。实验结果表明,该算法能够更快速地获取消光系数边界值并反演出高精度的气溶胶消光系数,平均相对误差低于10 %,在气溶胶探测中应具有广阔的应用前景。