大气气溶胶的影响因子及应用.docx

大气气溶胶的影响因子及应用 0 气溶胶光学参数的反演和结果 大气中的溶胶是气体和重力场中具有一定的稳定性和沉降速度小的混合系统。同时，它也是一个含有0.001和200的液体或固体颗粒的悬浮在气中的系统。这是环境中复杂而有严重影响的污染物之一。 由于大气气溶胶对地气系统能量平衡与气候变化的重要影响, 前人已经通过测量手段获得气溶胶光学参数的方法进行了大量研究, 并发展了从被动到主动、从地基到空基的多种观测方法和手段, 以及综合利用地面多光谱、多角度和偏振信息反演气溶胶光学参数的方案, 反演海洋和陆地上空气溶胶特性的反演算法 特定光学工程实验条件下的气溶胶光散射特征仍然是需要解决的问题。文中在前人研究的基础上, 建立气溶胶散射相函数的反演算法, 利用积分浊度计 (TSI3563) 和太阳辐射计 (PGS-100) 等地基测量仪器完成数据的原始积累, 初步给出波长为0.55μm的气溶胶相函数的反演算法及结果。这将为后续的气溶胶光学特性的相关研究工作提供前期的准备。 1 气溶胶相函数p 实验是2005年6月在合肥中国科学院安徽光学精密机械研究所内 (31.52°N, 117.17°E) 进行的, 主要使用了两台设备:积分浊度计 (TSI-3563) 大气气溶胶的散射特性主要包括单次散射反照率, 散射相函数P 假设气溶胶光学厚度和地面反照率是已知的, 并且忽略天空辐射的测量误差。气溶胶相函数的反演流程如图1所示。选择气溶胶相函数的假设值P 需要说明的是图1中, L (Θ) 是相应于单次散射反照率的辐照度, P 2 单次散射反演的精度特征 针对图1中的反演方案, 准备相对应时间的实验观测数据, 以使得相函数最终的反演结果更加精确合理, 尽量消除数据匹配过程中产生的误差。 首先, 需要确定气溶胶单次散射反照率。其计算公式为 其中, 气溶胶粒子的后向散射系数β 式中:λ是波长, μm;p是测点气压, h Pa;H是海拔高度, m;波长取0.55μm, 此时τ 由以上阐述可得气溶胶初始相函数, 如图3所示。 其次, 根据连续波长的太阳辐射计PGS-100实测的结果给出气溶胶光谱光学厚度τ 最后确定浑浊度指数α和β, 它们是气溶胶光学厚度的函数 使用在多个波段测量得到的气溶胶光学厚度, 对上式进行拟合可得到α和β。通常α反映了气溶胶粒子谱分布, 当气溶胶所含较大粒子 (1.0μm) 较多时, α接近于0或为负, 当较小粒子 (1.0μm) 决定气溶胶消光特性时α通常大于1.5, 如图5所示。取10点的单次散射反照率和相对应时刻的Angstrom指数。调整天空辐照度值0.00~1 (步长0.05) 。反演结果举例如图6所示。 在仪器测量精度方面积分浊度计测量得到的是对7~170°范围内的总散射光和90~170°的向散射信号, 根据后向散射与总散射系数的比值获得单次散射反照率。也就是说, 0~7°和170~180°范围内的散射信号该仪器是测不到的, 这也是引起最终测量结果误差的最主要原因。尽管如前文所述, 反演算法中前向散射[0°, 2°]和后向散射[Θ 因此, 考虑利用Mie理论来探讨这种测量对反演精度的影响。根据计算, 当气溶胶复折射指数m=1.40, 粒子谱为Junge气溶胶模型, 波长为0.55μm时, 0~7°的前向散射光能量贡献约在8.6%左右, 170~180°范围内的后向散射对总散射的贡献约在4.2%左右。根据误差传递理论认为最终的反演误差约在12.8%左右。不同的波长及环境监测特征可能会影响最终的结果。 3 气溶胶的散射特性 目前, 全球气溶胶监测网、中国气象局和大部分大气探测研究单位已配备太阳辐射计 (CE318或PGS100等) , 并陆续配备单波长或三波长的积分浊度计。因此, 开发适合我国观测条件的气溶胶光学特性反演方法是十分必要的。对于激光大气传输研究, 特殊试验任务也要求对气溶胶的散射特性进行研究, 在这一背景下, 根据Wang和Gorden提出气溶胶散射相函数反演算法的思想, 利用现有的观测设备积分浊度计和太阳辐射计大气气溶胶相函数的反演算法。故此, 这一方法对于我国的进一步推广使用是可能的。同时, 由于湍流大气中气溶胶的光散射特征的测量和研究是高能激光大气传输必须要考虑的因素。湍流大气中的气溶胶由于大气流场的带动, 使其光散射特征具有起伏性, 这在高分辨率能见度仪的测量数据中可以看到, 如何将这种起伏效应与湍流大气的光学特性合在一起是目前的一个难题。因此, 先从实际实验测量数据出发探讨气溶胶的散射相函数的算法研究是很有意义的, 也为该方向进一步研究奠定了基础。