Infrared and Lar Engineering
Vol.36 No.2Apr. 2007利用大气能见度获取多波长气溶胶光学特性
韩永 1 , 2 , 3 , 饶瑞中1 , 2 , 王英俭1 , 2
( 1. 中国科学院安徽光学精密机械研究所, 大气光学中心, 安徽合肥230031 ;
2. 中国科学院合肥物质科学研究院, 安徽合肥230031 ;
3. 中国科学院研究生院, 北京100039)
摘要: 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。
关键词: 大气光学; 气溶胶；散射系数；吸收系数
中图分类号: P427.1文献标识码: A 文章编号: 1007- 2276(2007)02- 0265- 05
Multi!wavelength aer o sol optical char acter i stics obtained by
atm ospher i c visibility
HAN Yong1 , 2 , 3 ,RAO Rui"zhong1,2 ,WANG Ying"jian1,2
( 1.Lab oratory for Atmospheric Optics, Anhui Institu te of Optics and Fine Mechanics, Chine Academy of Sciences, Hefei 230031, China; 2. Hefei Institu tes of Physical Science, Chine Academy of Sciences, Hefei 230031,C hina;
3.Graduate University of Chine Academy of Science, Beijing 100039,C hina)
Abstr a ct : A new method is propod for certain wavelength aerosol optical characteristics (e.g extinction coefficient, scattering coefficient and absorption coefficient) by using the measurement data of a visibility meter. Firstly, 0.55 μm atmospheric extinction coefficient can be resolved by using visibility, when it subtracts the extinction coefficient of atmospheric molecule, 0.55 μm aerosol extinction coefficient can be obtained, and the number density of aerosol can be calculated by using Mie theory. Becau the number density of aerosol is constant at the sa
me time and atmospheric condition, so some other wavelength aerosol optical characteristics can be obtained by using Mie theory. This paper provided the aerosol optical characteristic of 0 - 2 km in 2003 in Hefei, at the wavelength of 1.06,1.536 and 3.75 μm, which is important for rearch on atmospheric environ ment and light transmission mode in atmosphere.
Key wor d s: Atmospheric optics; Aerosol; Scattering coefficient; Absorption coefficient
收稿日期: 2006- 03- 05；修订日期: 2006- 05- 20
基金项目: 国家863 计划激光领域某专题资助项目
作者简介: 韩永( 1975- ) , 男, 安徽怀远人, 博士生, 从事大气光学、辐射传输、卫星遥感、气溶胶物理光学特性、光辐射和图像的大气传播及信息获取等方面的研究。Email:****************
导师简介: 饶瑞中( 1963- ) , 男, 安徽阜阳人, 博士, 研究员, 博士生导师, 主要从事大气光学、激光大气传输前沿物理问题研究、光辐射和图像的大气传播、大气湍流的光学特征及其光学测量方法研究等。Email:rao@aio
王英俭( 1963- ) , 男, 安徽岳西人, 博士, 研究员, 博士生导师, 主要从事大气光学、光波和图像大气传输及自适应光学相位
校正研究工作。Em ail:wyj@aio
V MOR =(1/"ext )·ln(1/0.05)≈2.99/"ext
(2)
0 引 言
气溶胶是指悬浮在大气中的直径在 0.001~100 μm
的液体或固体微粒体系, 是大气环境中组成复 杂、危 害较大的污染物之一[1]。它是研究大气辐射传输、云物 理以及光传输模式的重要因子 之一, 一 直 是 气候、环 境和大气科学等研究领域十分关心的问题[2- 5]。建立在 大气光散射基础 上, 测量气溶胶物理光学特性的方法 可以分为两类: 主动探测和被动探测[6] 。激光雷达( 包 括 车 载 和 地 基 激 光 雷 达 探 测) [7 - 8] 属 于 主 动 探 测 ; 卫 星 遥感、太阳辐射计等属于被动探测手段。在 发展气溶 胶光学特性的理论研究方面, 我国 研究者成功反演了
气 溶 胶 的 谱 分 布 复 折 射 指 数[9 - 10]
, 并 综 合 利 用 光 学 粒 子 计 数 器 和 能 见 度 仪 测 量 复 折 射 值 数 了 大 气 气 溶 胶 的折射率虚部[11] 等。
文 中 介 绍 了 一 种 利 用 测 量 得 到 的 大 气 能 见 度 直 接获取多波长气溶胶光学特性的新方法。首先简要叙 述了能见度仪的结构和工作原理, 然后进行求 解气溶 胶 光 学 特 性( 消 光 系 数 、散 射 系 数 和 吸 收 系 数) 理 论 分 析, 最后利用合肥地 区 2003 年 全 年 的 大 气 能 见 度 观 测 资 料 , 给 出 波 长 为 1.06 、1.536 、3.75 μm 时 , 0 ~2 km 气溶胶光学特性的年变化特征和精度分析。
可 以 看 到 气 象 能 见 度 和 气 象 光 学 视 程 都 仅 由 大 气消光系数决定, 能够客观描述大气的光 学状态, 反 映了大气的浑浊程度, 并且完全不 受其他任何条件的 影响[12] 。Marggrat 和 Griggs 给出的大气中分子从 z 高 度到大气上界这一大气垂直光路上的光学厚度为: m
% - ( 4 . 15 + 0 . 2% )
2
(z)=0.008 8%
×[exp(- 0.118 8z- 0.001 6z )]
$ (0.3<%<10.0 μm)
(3)
m
式 中 : $ % (z) 为 大 气 分 子 的 光 学 厚 度 ; % 单 位 是 μm, z 单位是 km, 这里, z 为 2 km 。
∞ "z
gas
m
因为 $% (z)= σ dz, 则 波 长 为 0.55 μm 气 溶 胶
的消光系数为:
σ=" - σ (4)
a ext gas
式中: "ext 、σgas 分别为
0.55 μm 大气和气体分子的消光 ∞
ext
"
2
系 数 。 根 据 β =π Q (x,n)n (r)r dr 求 出 波 长 为 e 0.55 μm 时 气 溶 胶 粒 子 谱 分 布 , 进 而 求 出 气 溶 胶 粒 子 的 浓 度 。 假 设 粒 子 谱 服 从 正 态 分 布 模 式 , r ∈ (0.3 , 10.0) μm; n(r)为气溶胶粒子谱分布。
因大气气溶胶[13] 是以群体形式存在的 , 具 有 一 定 的尺度分布, 其形状也不完全是球体。液态粒 子无疑 是 较 好 的 球 体 , 而 固 态 粒 子 则 不 一 定 是 球 体 , 但 由 于 粒 子 的 随 机 取 向 , 使 得 它 们 的 行 为 类 似 于 球 体 , 因 此 可 以 用 Mie 散 射 理 论 近 似 处 理 气 溶 胶 粒 子 的 散 射 问 题, 在气溶胶的 谱 分 布 为 n(r)时 , 其 散 射 系 数 βe 、吸 收 系数 βs 和消光系数 βa 可由下式进行计算:
1 能见度仪和测量原理
能 见 度 仪(FD12 U21208 , 芬 兰 Vaisala 公 司) 根 据
气 溶 胶 粒 子 的 前 向 散 射 特 性 , 测 量 气 象 光 学 视 距 (MOR) 。该仪器主要由发 射器、接收 器
和 控 制 系 统 三 部分组成。发射器 发出光脉冲, 接收器探测气溶胶粒 子的前向散射光, 然后将该信号转换成偏频信号。再 根据频率信号与气象光学视距的对数关系, 计 算出气 象光学视距。文中所用的数据是合肥地区的能见度观 测资料, 每小时记录一次。对该资料进行了预处理, 即 对 每 月 每 天 相 应 小 时 进 行 求 和 , 然 后 平 均 , 这 样 可 得 到能见度的年变化。
∞
"
2
β=π Q (x,m)n(r )r dr ( β分 别 为 β、β、β ) (5)
i i i e s a 对 同 一 时 间 同 一 地 区 不 同 波 长 的 气 溶 胶 散 射 特 性 进 行 探 测 时 , 气 溶 胶 的 谱 分 布 是 不 变 的 , 因 此 根 据 已求出的气溶胶浓度值 , 运用公式(1)~(5) 即可求出气 溶胶在波长为 1.06 、1.536 、3.75 μm 时的散射系数、吸 收系数和消光系数。
需 要 说 明 的 是 , 因 为 合 肥 为 内 陆 地 区 , 所 以 笔 者
2 理论分析
晴空背景和黑体目标情况下, 白光的大气水平 能 认 为 该 地 区 气 溶 胶 类 型 为 城 市/ 农 村 型 , 并 且 是 可 溶
党建工作情况汇报的。此时, 对于波长为 0.55 、1.06 、1.536 、3.75 μm 的气
溶 胶 的 复 折 射 指 数 m 分 别 为 1.53 - i0.006 、1.52 - i0.017 和 1.452- i0.004[14] 。另外, 还可以运用插值方法 求得某些特殊波长的气溶胶复折射指数。
见 度 V M V 与 消 光 系 数 σext 和
识 别 目 标 对 比 阈 值 0.02) 的关系为:
(ε= 1 1 3.912
V MV = " ln # ≈ (1)
" ext ext
图 1 2003 年 合 肥 大 气 能 见 度 的 变 化 图
Fig.1 Change of visibility with time i n 2003 in Hefei
图 2 2003 年 合 肥 大 气 消 光 系 数 的 变 化 图
中国rapperFig.2 C hange of atmospheric extinction coefficient
with ti m e in 2003 in Hefei
我的中国梦手抄报第 2 期 韩 永 等: 利 用 大 气 能 见 度 获 取 多 波 长 气 溶 胶 光 学 特 性
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清 晨 的 温 度 较 低 、湿 度 较 高 , 地 面 附 近 的 逆 温 层 使得污染物不易扩散, 是一天中大气能见度 最低的时 段, 大气消光系数也较大; 随着太阳 上升, 日照使得地 面空气温度升高、相对湿度 降低 , 逆温层遭到破坏, 对 流 活 动 增 强 , 有 利 于 污 染 物 的 扩 散 , 因 此 下 午 是 一 天 中 能 见 度 最 好 的 时 段 , 相 应 的 大 气 消 光 系 数 也 比 较 小; 日落使得热力对流活动减弱, 逆温层产生, 污染 物 重新集结使得大气能见度下降, 并在日出 前降到最低 点, 大气的消光系数又重新增大。
3.3 不同波长的大气气溶胶消光系数、散射系数和吸
收系数变化特征
图 3 (a) ~(f) 分 别 为 2003 年 合 肥 地 区 当 波 长 等 于 1.06 、1.536 、3.75 μm 时 , 大 气 气 溶 胶 的 吸 收 系 数 和 散 射系数的计算结果。如果 想获得气溶胶的消光系数, 只 要 把 散 射 系 数 和 吸 收 系 数 相 加 即 可 。 由 图 可 以 看 出: 这三个波长的大气气溶胶散射系数和吸收系数与
3 测量、
计算结果和讨论 3.1 合肥地区能见度年变化特征
图 1 给出 了 2003 年 在 合 肥 地 区 探 测 到 的 大 气 能
见度的年变化特征。可以看出, 正常天气平均能 见度 的日变化有如下特征: 下午能见度最大, 早晨最 小; 白
天能见度在 14:00~16:00 之间达到最大, 然后又渐渐 降 低 ; 夜 间 变 化 较 小 , 整 体 上 渐 渐 降 低 并 在 日 出 前 达 到最低; 春季和冬季能见度较低, 冬季 最低, 平均能见 度 最 低 不 超 过 7 000 m ; 夏 季 和 秋 季 的 能 见 度 较 高 , 平 均 能 见 度 的 最 高 超 过 10 000 m ; 不 同 季 节 夜 间 能 见度相差较小。
3.2 合肥地区大气消光系数变化特征
大气对光波具有明显的强度衰减作用 , 称之为 大 气消光。大气对太阳短波辐射和地表长波辐射的消光 作 用 主 要 是 由 大 气 中 各 种 气 体 成 分 以 及 气 溶 胶 粒 子 的吸收和散射所造成的。图 2 给出了 2003 年 0.55 μm 的大气消光系数计算结果。可以看出, 2003 年 7 月~8 月中旬 12 : 30~17 : 30 大气消光系数较小, 空气较为干 净; 每年冬春两季的凌晨, 大气消光系数数值较大, 空 气中含有较多粒子, 包括雨、雪、气溶胶等。
图 3 2003 年 波 长 为 1.06 、1.536 、3.75 μm 的 气 溶 胶 散 射 系 数
和 吸 收 系 数 的 年 变 化 特 征
Fig.3 C hange of coefficient of scattering and absorptionof aero sol
with time ( λ=1.06,1.536,3.75 μm) in 2003
导致的误差可以 分 两 种 情 况 进 行 讨 论 。1) 能 见 度 为 10 m ～10 km , 探 测 精 度 为 ±10% , 由 此 产 生 的 气 溶 胶 消 光 特 性 的 计 算 结 果 误 差 约 为 ±9.1% ; 2) 能 见 度 为 10～50 km , 探测精度为±20% , 气溶胶消光特性计算误 差约为±16.7% ;
(2) 在 求 解 气 溶 胶 粒 子 的 数 密 度 谱 及 消 光 系 数 时 , 首 先 假 设 合 肥 地 区 的 气 溶 胶 类 型 , 事 实 上 应 该 使 用专门的仪器来探测气溶胶粒子的化 学成分, 然后才 能确定粒子的气溶胶类型。由于目前还没有相关的仪 器, 所以缺少这方面的实验资料;
(3) 对于气溶胶粒子, 笔者认为是球形的 , 所以在 这里应用了经典的球形粒子的 Mie 散射理论, 而实 际 上大气中的气溶胶粒子很多都具有不规 则的形状, 由 于推导非球形粒子的电磁波的 严格解比较困难, 目前 还没有比较完善的理 论研究, 不过相关的工作正在进 行之中。
此 外 , 文 中 假 设 合 肥 地 区 大 气 气 溶 胶 粒 径 的 范 围 , 并 认 为 气 溶 胶 粒 子 的 类 型 基 本 不 变 , 而 实 际 上 粒 径 范 围 要 经 过 专 门 的 仪 器 进 行 测 量 , 春 、夏 、秋 、冬 的 气溶胶成分
时空也有变化 , 因此 计算结果可能会与实 际 有 些 偏 差 , 但 是 本 方 法 在 特 定 季 节 、气 溶 胶 成 分 变 化不大的情况下是成立的。文中就是基于这一思想给 出 了 气 溶 胶 的 消 光 系 数 、散 射 系 数 、吸 收 系 数 年 变 化 特征。因为 , 在对数据进行月平均之后, 将使上述假定 参数导致的最终计算误差尽可能减小, 保证了 结果的 可靠性和年变化特征的正确性。很显 然, 这对于研究 大气环境和激光大气传输有重要的参考价值。在未来 获得大气气溶胶成分和粒子谱仪器探测的情 况下 , 有 望得到更加精确的大气气溶胶光学特征。
4 结 论
根据上述方法, 利用一台能见度仪就可获取不 同
波长的光在大气中传输时气溶胶的消光 系数、散射系 数 、吸 收 系 数 ; 还 可 以 求 得 某 些 特 定 波 长 的 大 气 气 溶 胶 的 光 学 特 性 , 尽 管 仍 存 在 不 足 , 但 它 对 大 气 中 不 同 波 长 光 传 输 模 式 的 建 立 和 大 气 环 境 的 研 究 具 有 重 要 意义。
致 谢 : 在 测 量 仪 器 说 明 和 观 测 数 据 方 面 , 得 到 合 肥气象站汪国平工程师帮助, 在此表示衷心感谢!
大气消光系数具有相似的变化特征, 只是在某 些特定 的时间不相同。每年的冬春两季, 波长为 1.06 、
晶莹的什么1.536 、 3.75 μm 时 , 无 论 是 气 溶 胶 的 吸 收 系 数 或 散 射 系 数 在 每天的早晨都较大, 因为这时空气中有大量的 气溶胶 粒 子 ; 气 溶 胶 粒 子 对 光 的 散 射 作 用 占 主 要 方 面 , 而 吸 收作用次之, 最大能相差两个 数量级。随着波长的增 加, 气溶胶粒子散射系 数和吸 收 系 数 总 的趋势是减小 的。在每年秋季、冬季和春季的北京时间 0～10 点, 大气 气溶胶对光的散射和吸收作用较强。
精度分析和讨论
计算结果的误差主要来源: (1) 根据误差传递理论 , 由能见度仪的测量结果
3.4 参考文献:
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第 2 期 韩 永 等: 利 用 大 气 能 见 度 获 取 多 波 长 气 溶 胶 光 学 特 性
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