多種特定環(huán)境中水云和霧的光學(xué)特性

王金虎，王宇豪，蔡嘉晗，謝檳澤，陳 江

(1.南京信息工程大學(xué) 氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警與評(píng)估協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 南京 210044；2.中國(guó)氣象局 氣溶膠與云降水重點(diǎn)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210044；3.中國(guó)科學(xué)院 中層大氣和全球環(huán)境探測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029；4.南京信息工程大學(xué) 安全應(yīng)急管理研究院，江蘇 南京 210044)

云和霧不僅使能見(jiàn)度降低，也影響遙感裝置的探測(cè)效果[1-3]，因此深入研究云和霧的光學(xué)特性對(duì)激光雷達(dá)的云遙感探測(cè)有重要意義[4-7].云可分為高云、中云和低云，其中的中云和低云統(tǒng)稱(chēng)為水云[8].卷云屬于高云，積云及層云屬于水云.文獻(xiàn)[9]對(duì)卷云中的冰晶光學(xué)特性進(jìn)行了研究，但未研究水云的光學(xué)特性.文獻(xiàn)[10]基于Mie理論分析了水云的散射特性，但其水云模型未考慮多種參量對(duì)水滴的影響.文獻(xiàn)[11]對(duì)4種典型水云的消光系數(shù)、單次散射反照率、不對(duì)稱(chēng)因子和相函數(shù)進(jìn)行了研究.文獻(xiàn)[12]對(duì)云霧粒子的激光雷達(dá)比進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)不同粒子的激光雷達(dá)比有較大差異.文獻(xiàn)[13]利用干冰模擬云霧環(huán)境，使用2種不同脈沖寬度的激光研究云霧的散射特性.文獻(xiàn)[14]使用Mie理論計(jì)算云的單次散射相函數(shù)值，估計(jì)云的尺寸分布，計(jì)算其折射率.文獻(xiàn)[15]使用多個(gè)散射模型研究波長(zhǎng)對(duì)水云光學(xué)厚度的影響，發(fā)現(xiàn)波長(zhǎng)對(duì)水云光學(xué)厚度影響不大.上述文獻(xiàn)多集中研究典型環(huán)境中的云霧光學(xué)特性，但特定環(huán)境中水云和霧的光學(xué)特性隨水滴數(shù)濃度變化的研究尚未見(jiàn)報(bào)道.鑒于此，筆者擬研究在550，1 500 nm激光雷達(dá)波下多種特定環(huán)境中水云和霧的光學(xué)特性參量隨水滴數(shù)濃度變化的規(guī)律.

1 物理參量

1.1 譜分布函數(shù)

水云和霧的粒子譜分布可用如下修正的Gamma分布函數(shù)描述

(1)

粒子有效半徑的表達(dá)式為

(2)

1.2 多種特定環(huán)境中水云和霧的物理參量

表1為多種特定環(huán)境中水云和霧的物理參量，其中W為水滴含量.

表1 多種特定環(huán)境中水云和霧的物理參量

1.3 光學(xué)參量

激光雷達(dá)光學(xué)參量如下：消光系數(shù)、散射系數(shù)、吸收系數(shù)、激光雷達(dá)比.消光系數(shù)的表達(dá)式為

(3)

其中：Qext為消光效率，其為折射率m、粒子半徑r和波長(zhǎng)λ的函數(shù)；n(r)為譜函數(shù)，其滿(mǎn)足正態(tài)分布.

散射系數(shù)的表達(dá)式為

(4)

吸收系數(shù)的表達(dá)式為

(5)

其中：Qabs為吸收效率，其表達(dá)式為

(6)

激光雷達(dá)比的表達(dá)式為

(7)

其中：p(180)為方位角180°方向的散射系數(shù).

2 仿真實(shí)驗(yàn)

2.1 OPAC軟件及實(shí)驗(yàn)參數(shù)

該文采用OPAC軟件進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn).OPAC軟件是由德國(guó)慕尼黑大學(xué)和馬克斯普朗克氣象學(xué)研究所(MPI)聯(lián)合開(kāi)發(fā)的氣溶膠與云光學(xué)特性程序包.該軟件利用自帶的云和氣溶膠光學(xué)數(shù)據(jù)集，可計(jì)算混合物的光學(xué)特性參量.仿真實(shí)驗(yàn)中，涉及的多種特定環(huán)境中水云和霧的水滴數(shù)濃度如表2所示.

表2 多種特定環(huán)境中水云和霧的水滴數(shù)濃度

該文選擇的激光雷達(dá)波長(zhǎng)為550，1 500 nm，水云和霧的相對(duì)濕度均為50%.

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及其分析

2.2.1 消光系數(shù)

圖1為2種激光雷達(dá)波長(zhǎng)下水云和霧的消光系數(shù)隨水滴數(shù)濃度變化的情況.由圖1可知，在550，1 500 nm激光雷達(dá)波長(zhǎng)下水云和霧的消光系數(shù)隨水滴數(shù)濃度線(xiàn)性遞增.

圖1 2種激光雷達(dá)波長(zhǎng)下水云和霧的消光系數(shù)隨水滴數(shù)濃度變化的情況

在550，1 500 nm激光雷達(dá)波長(zhǎng)下水云和霧的消光系數(shù)對(duì)水滴數(shù)濃度的變化率如表3所示.

表3 2種激光雷達(dá)波長(zhǎng)下水云和霧的消光系數(shù)對(duì)水滴數(shù)濃度的變化率

由表3可知：在550 nm波長(zhǎng)下，水云的消光系數(shù)對(duì)水滴數(shù)濃度的變化率大于霧的消光系數(shù)對(duì)水滴數(shù)濃度的變化率，大陸的消光系數(shù)對(duì)水滴數(shù)濃度的變化率大于海洋的消光系數(shù)對(duì)水滴數(shù)濃度的變化率，積云的消光系數(shù)對(duì)水滴數(shù)濃度的變化率大于層云的消光系數(shù)對(duì)水滴數(shù)濃度的變化率，污染性的消光系數(shù)對(duì)水滴數(shù)濃度的變化率大于潔凈性的消光系數(shù)對(duì)水滴數(shù)濃度的變化率；1 500 nm波長(zhǎng)的定性情況與550 nm波長(zhǎng)的定性情況基本相同，但對(duì)同一對(duì)象來(lái)說(shuō)，1 500 nm波長(zhǎng)下消光系數(shù)對(duì)水滴數(shù)濃度的變化率大于550 nm波長(zhǎng)下消光系數(shù)對(duì)水滴數(shù)濃度的變化率.

2.2.2 散射系數(shù)

圖2為2種激光雷達(dá)波長(zhǎng)下水云和霧的散射系數(shù)隨水滴數(shù)濃度變化的情況.由圖2可知，在550，1 500 nm激光雷達(dá)波長(zhǎng)下水云和霧的散射系數(shù)隨水滴數(shù)濃度線(xiàn)性遞增.

圖2 2種激光雷達(dá)波長(zhǎng)下水云和霧的散射系數(shù)隨水滴數(shù)濃度變化的情況

對(duì)比圖1，2可知，從定性角度看，散射系數(shù)隨水滴數(shù)濃度變化的規(guī)律與消光系數(shù)隨水滴數(shù)濃度變化的規(guī)律基本一致.

2.2.3 吸收系數(shù)

圖3為2種激光雷達(dá)波長(zhǎng)下水云和霧的吸收系數(shù)隨水滴數(shù)濃度變化的情況.由圖3可知，在550，1 500 nm激光雷達(dá)波長(zhǎng)下水云和霧的吸收系數(shù)隨水滴數(shù)濃度線(xiàn)性遞增.

圖3 2種激光雷達(dá)波長(zhǎng)下水云和霧的吸收系數(shù)隨水滴數(shù)濃度變化的情況

在550，1 500 nm激光雷達(dá)波長(zhǎng)下水云和霧的吸收系數(shù)對(duì)水滴數(shù)濃度的變化率如表4所示.

表4 2種激光雷達(dá)波長(zhǎng)下水云和霧的吸收系數(shù)對(duì)水滴數(shù)濃度的變化率

由表4可知：在550 nm波長(zhǎng)下，水云的吸收系數(shù)對(duì)水滴數(shù)濃度的變化率大于霧的吸收系數(shù)對(duì)水滴數(shù)濃度的變化率，海洋的吸收系數(shù)對(duì)水滴數(shù)濃度的變化率大于大陸的吸收系數(shù)對(duì)水滴數(shù)濃度的變化率，積云的吸收系數(shù)對(duì)水滴數(shù)濃度的變化率大于層云的吸收系數(shù)對(duì)水滴數(shù)濃度的變化率，污染性的吸收系數(shù)對(duì)水滴數(shù)濃度的變化率大于潔凈性的吸收系數(shù)對(duì)水滴數(shù)濃度的變化率；1 500 nm波長(zhǎng)的定性情況與550 nm波長(zhǎng)的定性情況基本相同，但對(duì)同一對(duì)象來(lái)說(shuō)，1 500 nm波長(zhǎng)下吸收系數(shù)對(duì)水滴數(shù)濃度的變化率遠(yuǎn)大于550 nm波長(zhǎng)下吸收系數(shù)對(duì)水滴數(shù)濃度的變化率.

2.2.4 激光雷達(dá)比

圖4為2種激光雷達(dá)波長(zhǎng)下水云和霧的激光雷達(dá)比隨水滴數(shù)濃度變化的情況.由圖4可知：在2種激光雷達(dá)波長(zhǎng)下水滴數(shù)濃度增加時(shí)，激光雷達(dá)比均無(wú)明顯變化；在550 nm波長(zhǎng)下，海洋性積云的激光雷達(dá)比大于大陸性積云的激光雷達(dá)比，海洋性層云的激光雷達(dá)比大于大陸性層云的激光雷達(dá)比，污染性激光雷達(dá)比大于潔凈性激光雷達(dá)比，海洋性積云的激光雷達(dá)比最大，大陸潔凈性積云的激光雷達(dá)比最??；在1 500 nm波長(zhǎng)下，層云的激光雷達(dá)比大于積云的激光雷達(dá)比，潔凈性的激光雷達(dá)比大于污染性的激光雷達(dá)比，大陸性層云的激光雷達(dá)比最大，大陸污染性積云的激光雷達(dá)比最小.

圖4 2種激光雷達(dá)波長(zhǎng)下水云和霧的激光雷達(dá)比隨水滴數(shù)濃度變化的情況

3 結(jié)束語(yǔ)

筆者研究了在2種激光雷達(dá)波長(zhǎng)下多種特定環(huán)境中水云和霧的光學(xué)特性參量隨水滴數(shù)濃度變化的規(guī)律.結(jié)果表明：2種激光雷達(dá)波長(zhǎng)下水云和霧的消光系數(shù)隨水滴數(shù)濃度線(xiàn)性遞增，但對(duì)同一對(duì)象來(lái)說(shuō)，1 500 nm波長(zhǎng)下消光系數(shù)對(duì)水滴數(shù)濃度的變化率大于550 nm波長(zhǎng)下消光系數(shù)對(duì)水滴數(shù)濃度的變化率；從定性角度看，散射系數(shù)隨水滴數(shù)濃度變化的規(guī)律與消光系數(shù)隨水滴數(shù)濃度變化的規(guī)律基本一致；2種激光雷達(dá)波長(zhǎng)下水云和霧的吸收系數(shù)隨水滴數(shù)濃度線(xiàn)性遞增，但對(duì)同一對(duì)象來(lái)說(shuō)，1 500 nm波長(zhǎng)下吸收系數(shù)對(duì)水滴數(shù)濃度的變化率遠(yuǎn)大于550 nm波長(zhǎng)下吸收系數(shù)對(duì)水滴數(shù)濃度的變化率；2種激光雷達(dá)波長(zhǎng)下水滴數(shù)濃度增加時(shí)，激光雷達(dá)比均無(wú)明顯變化.