在特定环境中气溶胶组分光学特性的分析

基于Mie散射的OPAC软件包,分析了在激光雷达探测气溶胶时的3种特定环境(大陆洁净、大陆污染、海上污染)下各种气溶胶组分对光学特性(消光系数、散射系数、吸收系数、激光雷达比)的影响,对比了在550、1 000 nm这2个波长下的变化规律.研究结果表明:在550、1 000 nm这2个波长下不同环境中气溶胶组分的消光系数、散射系数随水滴数浓度的增加均呈线性递增,大陆洁净型和大陆污染型气溶胶环境的吸收系数变化均比较缓慢.在海上污染型气溶胶环境中,当气溶胶组分为积聚模态海盐和粗模态海盐时,水滴数浓度的变化率为0,这表明在这2种气溶胶组分环境下,吸收系数不随水滴数浓度的变化而变化; 激光雷达比受雷达波长和气溶胶环境组分2个因素的影响,该值在大陆污染型气溶胶环境下的变化最为明显,在水溶性和非水溶性组分下大幅递减,而在煤烟组分下大幅递增.     

利用激光雷达和卫星遥感获得城市地面大气悬浮颗粒物浓度分布

使用香港元朗地区2008年MODIS卫星遥感的气溶胶光学厚度(AOD)产品、激光雷达气溶胶消光系数垂直分布、地面相对湿度和地面气溶胶浓度观测资料等数据, 通过激光雷达数据建立地面消光系数和激光雷达AOD与气溶胶标高的关系, 利用这一关系和卫星AOD进行地面消光系数的反演估计, 并进行湿度订正; 通过建立地面气溶胶浓度和地面消光系数的关系, 进行卫星AOD产品和激光雷达气溶胶探测反演地面大气颗粒物质量浓度的研究及应用。结果表明, 卫星估计的地面消光系数与小时平均的颗粒物质量浓度观测值的相关系数为0.57~0.86 (PM2.5)和0.59~0.78 (PM10), 估计的质量浓度与小时平均的观测值对比的均方根偏差分别为11.64~25.34 g/m³ (PM2.5)和24.64~91.64 g/m³ (PM10), 表明可以通过卫星遥感进行大气悬浮颗粒物污染的监测应用。其中1 km分辨率的AOD产品, 因其更高的空间分辨率, 更适合反映具有复杂地形的城市地区大气悬浮颗粒物污染。     

利用激光雷达和卫星遥感获得城市地面大气悬浮颗粒物浓度分布

使用香港元朗地区2008年MODIS卫星遥感的气溶胶光学厚度(AOD)产品、激光雷达气溶胶消光系数垂直分布、地面相对湿度和地面气溶胶浓度观测资料等数据,通过激光雷达数据建立地面消光系数和激光雷达AOD与气溶胶标高的关系,利用这一关系和卫星AOD进行地面消光系数的反演估计,并进行湿度订正;通过建立地面气溶胶浓度和地面消光系数的关系,进行卫星AOD产品和激光雷达气溶胶探测反演地面大气颗粒物质量浓度的研究及应用。结果表明,卫星估计的地面消光系数与小时平均的颗粒物质量浓度观测值的相关系数为0.57~0.86(PM2.5)和0.59~0.78(PM10),估计的质量浓度与小时平均的观测值对比的均方根偏差分别为11.64~25.34μg/m3(PM2.5)和24.64~91.64μg/m3(PM10),表明可以通过卫星遥感进行大气悬浮颗粒物污染的监测应用。其中1 km分辨率的AOD产品,因其更高的空间分辨率,更适合反映具有复杂地形的城市地区大气悬浮颗粒物污染。     

地基离轴拉曼-米激光雷达几何因子校正

提出一种提高地基离轴拉曼-米激光雷达系统几何因子校准精度的纯气溶胶校正算法.理论分析了算法的解析表达式和误差影响因素,并与Raman-Klett迭代校正算法进行了对比分析.实验表明算法对激光雷达比估计误差具有不敏感特性.同时讨论了算法得到的几何因子廓线对反演气溶胶消光系数的影响,结果表明在同等激光雷达比估计误差下,纯气溶胶校正算法比Raman-Klett迭代校正算法反演得到的几何因子廓线精度高约2倍以上,并能更好地体现与人类活动密切相关的近地面气溶胶分布情况.      

东亚高空大气气溶胶的分布及沙尘输送特征研究

利用长达20 年的SAGEⅡ(stratospheric aerosol and gas experimentⅡ) 资料, 研究了东亚地区5.0 ～15.0 km 高空气溶胶多年时空分布特征和变化趋势, 并研究了东亚沙尘活动对高空及下游的气溶胶输送。发现东亚高空气溶胶水平分布呈现上中下3 层不同的分布特征, 下层 5. 0 ～8. 5 km 高值区对应气溶胶源区青藏高原和西北沙漠地区;中层 9. 0 ～10. 0 km 高值区对应温带气旋高发的中纬度地区;上层 10. 5 ～15. 0 km 表现为低纬气溶胶含量显著高于高纬地区。高空各层气溶胶的空间分布受天气系统的影响具有明显的季节变化。近10 年来东亚高空气溶胶呈减少趋势, 平均光学厚度约下降了0. 016。另外还发现沙尘活动与 5. 0 ～11. 5 km 范围内的气溶胶显著相关, 反映沙尘活动影响的高度范围可以达到整个对流层。定义沙尘暴高空影响指数, 用来分析东亚沙尘暴对下游地区的影响, 发现随着时间推移沙尘逐渐向东移动, 在约 12 天之后可以到达大西洋。     

南宁地区一次典型灰霾过程气溶胶光学特性的地基观测

基于太阳辐射光度计和微脉冲激光雷达,对南宁地区2014年10月发生的1次典型灰霾天气进行了连续观测.气溶胶光学厚度(AOD)在灰霾污染事件期间(1.23±0.19,440nm波段)显著上升,是消散期(0.57±0.14)及发生发展期(0.98±0.25)的2.2倍和1.3倍.灰霾期间同步上升的ngstrm指数表明细颗粒物的消光贡献上升.灰霾天气期间气溶胶粒径谱均呈现双峰分布,严重灰霾期间的细模态体积浓度峰值(0.23μm3/μm2)高于发生发展阶段(0.15μm3/μm2)和消散阶段(0.08μm3/μm2),表明灰霾气溶胶中细颗粒物占主导.激光雷达反演得到灰霾发生发展期、严重期、消散期的日平均边界层高度分别为430±105,375±97m和710±240m,对应近地消光系数分别为0.14,0.27km-1和0.05km-1.严重灰霾期间的最大消光系数出现在凌晨(0.36km-1),对应较差的污染物扩散(气象)条件以及近地面颗粒物的累积.     

驻马店市两次强对流天气的多普勒雷达产品特征的对比分析

针对近年来河南省驻马店市出现的强对流天气,用多普勒天气雷达产品如反射率因子、径向速度、垂直液态含水量、风暴跟踪信息等进行普查分析,重点对两次不同性质的强对流天气的雷达产品进行详细研究.发现强对流天气的雷达回波强度在40 dBz以上,强度为40~50 dBz的回波移速为25~35 km/h时,一般出现强降水,无雷暴和大风;回波移速为35~45 km/h时开始伴有雷暴和大风的出现;当回波移速达到45~60 km/h时,强雷暴和大风的出现几率上升,而强降水的出现几率急剧下降;当回波移速达到60~69 km/h时,则以雷雨大风为主,强降水出现很少.冰雹时强回波伴有"V"型缺口,回波强度可达55 dBz以上,强回波中心出现在9~12 km高度,回波顶可高达15~18km,强回波下方有强上升气流造成的弱回波区.短历时强降水的雷达回波强度比冰雹、雷暴弱,一般为40~50 dBz,强回波中心高度5~6 km;当回波强度大于50 dBz,强回波中心达到8 km以上时,往往伴有强雷电和大风冰雹出现;回波形态多呈现絮状混合型回波,其中有块状的强回波,对流性的强降水回波则是边缘清晰的块状结构.     

激光雷达测量数据的两种计算方法比较

利用轻便型扫描式的米散射激光雷达对香港地区的大气气溶胶分布进行了测量。该激光雷达可以在10min内,以120°倾角对大气进行扫描,扫描高度为1～4km。用2种计算方法对激光雷达测得的数据进行了分析,分别利用前向法和后向法计算了大气气溶胶的消光系数对高度的变化情况,并把计算结果与理想情况进行了比较,分析后认为后向法更为稳定。     

半干旱区激光雷达反演参数κ值研究

于2006年12月14日-2007年4月31日在兰州大学半干旱气候与环境观测站,架设了CE318光度计和CE-370-2型激光雷达,选取半干旱区晴天无云条件下同期观测的激光雷达和太阳光度计数据,分析了激光雷达采用不同k值反演的气溶胶消光系数随高度的变化及垂直分布趋势.结合两种仪器反演的光学厚度值的差异性,对K1ett法求解雷达方程时k的取值进行了深入研究.结果表明,半干旱地区对激光雷达观测所获取数据采用Klett算法反演气溶胶消光系数时,参数k的确定在计算中极为关键,对结果的影响不可忽视;在半干旱区k取值0.78~0.80较为合理,取值0.78更为精确.     

溅射功率对氧化铝薄膜结构和光学性能的影响

采用射频反应磁控溅射法,在K9双面抛光玻璃基底上制备了一系列不同溅射功率的Al2O3薄膜,并对部分薄膜进行退火处理.利用X线衍射法对Al2O3薄膜退火前后的晶体结构进行分析,采用椭圆偏振光谱仪对薄膜的厚度、折射率和消光系数进行测试和拟合.实验结果表明:测射功率在100~300 W时,沉积的Al2O3薄膜退火前后均为非晶态;薄膜在可见光范围内具有良好的透光性能,透射率接近90%,为透明膜;薄膜的沉积速率随溅射功率的增大而增大;薄膜在可见光波段的折射率n随波长的增大而减小,平均值随溅射功率的增大呈现出先增大后减小的变化趋势;薄膜消光系数k的平均值亦随溅射功率的增大呈现先增大后减小的变化趋势.     

一次霾过程的气溶胶特征分析

利用2008年5月26日河北省机载粒子探测系统PMS获得的飞行探测资料,分析了大气气溶胶包括粗细粒子的浓度、尺度谱分布及其时空变化特征,并对不同高度的谱分布进行了拟合.分析表明:霾天气下,气溶胶在近地面到1km高度层内有所积累,随后数浓度迅速减少.1-4km高度段中,气溶胶数浓度减少趋势变缓,4km以上气溶胶数浓度保持在30-40cm-3.低空气溶胶数浓度和平均直径水平变化不大;中高空由于云区的出现变化幅度相对较明显.霾天气下的同尺度气溶胶数密度谱值一般要高出晴天下一个量级以上.负幂函数对积聚态粒子有较好的拟合效果;修正后的伽马谱分布函数对粗粒子谱分布平均曲线的拟合较好.     

华北重度霾过程期间大气气溶胶粒子的微物理垂直特征

在华北重度霾过程期间(2013年9月30日),利用夏延ⅢA的飞机观测资料分别对石家庄和邢台的气溶胶粒子谱分布,气溶胶(cloud nuclei,CN)与云凝结核(cloud condensation nuclei,CCN)垂直分布特征进行了分析。研究结果表明,两地的气溶胶数浓度均随着高度的增加而减小,气溶胶粒子有效半径比较接近,积聚模态和粗模态气溶胶粒子有效半径的范围分别在0.05~0.35μm,0.8~2.2μm之间。两地的边界层内和边界层以上均出现了逆温层,且逆温层之下的气溶胶数浓度均出现明显增加现象。对气溶胶后向轨迹的分析结果表明:3 000 m高度处的气溶胶主要是随气团远距离输送而来;1 500 m高度处的气溶胶主要来自南边近地面污染物排放,输送距离较短;500 m高度处的气溶胶受偏南气团的影响,主要由高浓度的气溶胶细粒子组成。云凝结核的垂直分布结果表明,CCN数浓度随高度的增加而减小,逆温层的存在对CCN有一定的累积效应。对石家庄(邢台)市的CCN与气溶胶数浓度做相关性分析,结果表明两地的CCN与气溶胶的总相关系数均在0.95以上,而淡积云内相关系数仅为0.83,且云内的CCN数浓度明显低于云外,因此表明了云滴活化对CCN的消耗作用。云凝结核的数浓度随高度的增加而减小,逆温层的存在对CCN有一定的累积效应。云底以下的气溶胶粒子谱宽较窄,云内和云顶以上的气溶胶粒子谱较宽。     

基于CALIPSO和转动拉曼-米散射激光雷达研究北京地区大气气溶胶特性

为提高大气气溶胶参数反演结果的准确性,结合实验室研制的转动拉曼-米散射激光雷达和NASA的CALIPSO,仅用2个激光雷达的弹性后向散射信号,无需对激光雷达比进行假设,反演出了2012年春季北京上空晴天、雨后、阴霾天气的气溶胶光学参数的垂直分布. 结果表明:此方法可有效地获取气溶胶消光系数和后向散射系数的垂直分布;气溶胶的消光系数值在阴霾天气最高,晴天次之,雨后最低.      

外混合气溶胶吸湿性对其平均消光系数的影响

基于Mie散射理论与气溶胶颗粒粒径及折射率的湿度增长模型,以两种典型吸湿性气溶胶外混合组成的颗粒系为研究对象,计算分析了气溶胶平均消光系数对环境相对湿度的依赖关系。计算结果表明:在可见光与近红外波段,当相对湿度在60%~95%的范围内逐渐增大时,气溶胶颗粒物吸湿增长,使其粒度分布逐渐增宽,等效折射率逐渐减小,造成气溶胶的平均消光系数呈指数规律增长。进一步计算发现,当外混合气溶胶来源一定时,窄分布成分的气溶胶含量越高,或者某一成分的气溶胶粒度分布越窄时,随环境湿度的增大,外混合气溶胶平均消光系数的增长越快。上述方法也适用于预测复杂成分的外混合气溶胶平均消光系数与相对湿度的变化关系,从而为实际大气气溶胶光学性质和大气环境质量的研究提供理论依据。     

基于蒸发波导的气溶胶散射特性

利用单球形粒子和双层球粒子的散射模型对大气气溶胶粒子的散射特性进行了分析,对双层球的不同内层折射率和不同粒子半径条件下粒子的散射特性进行了计算,并用两种模型对不同大气湿度情况下海洋气溶胶散射进行了分析和仿真.结果表明:采用双层球模型计算的前向散射强度比用单层球模型进行计算的要大,而后向散射要弱;随着大气湿度的增加,气溶胶粒子半径变大,后向散射变强;用湖面上大气气溶胶粒子散射与仿真的拟海洋气溶胶散射的消光系数比较,实测消光系数值与双层球模型计算的消光系数值更接近.     

北京地区大气气溶胶的激光雷达观测及反演算法研究

利用微脉冲激光雷达在北京地区的观测, 研究两种避开利用高空信号的反演算法。算法一,根据Fernald的反演算法把边界取在混合层中间某处, 并结合太阳光度计的观测进行反演。通过激光雷达与同一地点自动气象站的地面观测比较验证了反演结果, 表明该方案用于激光雷达的气溶胶消光系数反演是可行的。算法二,由于激光雷达近端处的信号和地面气溶胶消光系数线性相关, 从而利用地面气溶胶观测数据反演雷达常数和观测期间气溶胶平均后向散射比, 结果与第一种方案一致, 表明利用该方法反演是可行的。最后利用这次激光雷达的观测, 分析北京地区冬季一次西伯利亚高压过境时的气溶胶演变过程, 将激光雷达观测与南郊观测站地面观测进行比较, 并验证了激光雷达的反演结果和算法的可靠性。     

北京地区大气气溶胶的激光雷达观测及反演算法研究

利用微脉冲激光雷达在北京地区的观测,研究两种避开利用高空信号的反演算法。算法一,根据Fernald的反演算法把边界取在混合层中间某处,并结合太阳光度计的观测进行反演。通过激光雷达与同一地点自动气象站的地面观测比较验证了反演结果,表明该方案用于激光雷达的气溶胶消光系数反演是可行的。算法二,由于激光雷达近端处的信号和地面气溶胶消光系数线性相关,从而利用地面气溶胶观测数据反演雷达常数和观测期间气溶胶平均后向散射比,结果与第一种方案一致,表明利用该方法反演是可行的。最后利用这次激光雷达的观测,分析北京地区冬季一次西伯利亚高压过境时的气溶胶演变过程,将激光雷达观测与南郊观测站地面观测进行比较,并验证了激光雷达的反演结果和算法的可靠性。     

基于OPAC的典型环境中气溶胶组分的光学特性分析

利用基于Mie散射理论的云和气溶胶粒子的光学特性软件(OPAC)在不同激光雷达探测波段对一般大陆(典型气溶胶组分:水溶性、不溶性和烟尘气溶胶)、沙漠(典型气溶胶组分:水溶性、核模态矿物、积聚模态矿物和粗模态矿物气溶胶)和洁净海洋(典型气溶胶组分:水溶性、积聚模态海盐和粗模态海盐)3种环境下的气溶胶光学参数(散射系数、光学厚度和激光雷达比)进行了仿真研究,分析了各环境中光学参数随气溶胶组分数浓度的变化规律以及各组分对光学特性的影响.结果表明消光系数和光学厚度在不同激光波段、不同环境下均随组分数浓度线性递增,在上述环境中对消光系数和光学厚度影响最大的组分依次为水溶性气溶胶、积聚模态矿物气溶胶和积聚模态海盐气溶胶.激光雷达比变化规律十分复杂,受探测波长及气溶胶组分的双重影响,一般大陆环境中非水溶性气溶胶在2个波段上的影响占主导地位;沙漠环境中,不同波段上积聚模态矿物气溶胶对激光雷达比的影响最大;洁净海洋环境中,积聚模态海盐气溶胶对激光雷达比的影响最强.     

北石窟寺降雨与洞窟相对湿度变化规律研究

为了研究降雨对北石窟寺渗水病害的影响,通过2002~2008年每日三次的人工监测,对北石窟寺165窟、222窟、240窟的相对湿度变化及大气降雨进行记录,对降雨量与洞窟相对湿度变化规律进行分析。结果表明:2002~2007年,洞窟年平均相对湿度与年降雨总量变化趋势一致,2007年后由于人为活动的影响,变化趋势关联度很低;洞窟月相对湿度与月降雨总量变化趋势相同;一次降雨的直接影响在降雨1d前发生,降雨前和降雨后的两天为气压降低引起的毛细水上升高度增加引起的湿度增加;裂隙水和渗流补给在3 d后开始发挥作用,洞窟湿度增加,影响时间约14 d;降雨对洞窟相对湿度更大的作用表现为变化频率及幅度的增加;洞窟湿度常年稳定在55%以上,说明洞窟存在稳定的补给源,最有可能为赋存在窟前平台的基岩裂隙水。     

飞行员双人高空供氧方案实验评价

评价飞行员双人高空供氧方案的供氧防护性能。假人穿个体防护装备,采用新型供氧方案,先后在低压舱内完成4项试验:1分子筛产氧供氧性能实验;2气氧供混合氧性能实验;3气氧供纯氧性能实验;4加压供氧性能实验。结果氧气系统的供氧分压大于20.0 kPa(在12.0 km高度以下)和16.0 kPa(在12.0 km高度以上)。吸气阻力小于490 Pa(假人肺通气量20.0 L/min)和578 Pa(假人肺通气量30.0 L/min,1.8 km高度以上)。说明该高空供氧方案满足地面约18.0 km高度两名飞行员供氧防护要求。