在特定環(huán)境中氣溶膠組分光學(xué)特性的分析

王金虎,金文雨,王宇豪,蔡嘉晗,謝檳澤

(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)

0 引言

氣溶膠是指漂浮在大氣中所有顆粒物的總稱[1-5].氣溶膠分布在各個(gè)領(lǐng)域中，深入研究氣溶膠的光學(xué)特性對(duì)激光雷達(dá)的遙感探測(cè)具有重要意義.氣溶膠的探測(cè)主要分為衛(wèi)星被動(dòng)遙感和激光雷達(dá)主動(dòng)遙感[6-7].由于激光波長(zhǎng)位于光波波段,其大小尺度與氣溶膠粒子直徑接近,所以大氣氣溶膠粒子對(duì)激光會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的散射光[8-10].目前，激光雷達(dá)憑借其高分辨率、高隱藏性、較強(qiáng)的抗擾力、低空探測(cè)性能好、占用空間小、質(zhì)量較輕等特點(diǎn)，已成為測(cè)量大氣氣溶膠的重要技術(shù)手段和工具[11-12].國(guó)內(nèi)相關(guān)學(xué)者已基于Mie散射激光雷達(dá)研究了氣溶膠的光學(xué)特性，如孫景群等[13]運(yùn)用多波長(zhǎng)激光雷達(dá)來(lái)探測(cè)得到消光系數(shù);王向川等[14]通過(guò)對(duì)實(shí)際大氣氣溶膠和云霧粒子的光學(xué)特性換算，得到了氣溶膠各組分在典型狀態(tài)下云霧粒子的激光雷達(dá)比;文獻(xiàn)[15]計(jì)算了在2種波段下，在一般大陸、沙漠和潔凈海洋3種典型的氣溶膠環(huán)境中各組分?jǐn)?shù)濃度對(duì)光學(xué)參數(shù)的影響;文獻(xiàn)[16]計(jì)算了在532 nm激光雷達(dá)波段下，在卷云環(huán)境中3種典型冰晶的消光系數(shù)、光學(xué)厚度、激光雷達(dá)比隨冰晶數(shù)濃度的變化規(guī)律;文獻(xiàn)[17]分析了在5種特定環(huán)境中水云和霧在550 nm和1 500 nm激光雷達(dá)波段下的消光系數(shù)、散射系數(shù)、吸收系數(shù)、激光雷達(dá)比隨水滴數(shù)濃度的變化規(guī)律;李紅旭等[18]借助激光雷達(dá)方程、Mie散射原理等理論方法，探究了微物理特性與氣溶膠光學(xué)特性之間的聯(lián)系,并采用正則化算法定量反演在氣溶膠粒子譜分布中所出現(xiàn)的問(wèn)題;趙虎等[19]借助粒子譜儀測(cè)得近地層氣溶膠尺度譜分布并利用Mie散射理論和低層大氣指數(shù)衰減規(guī)律,校準(zhǔn)了多波長(zhǎng)激光雷達(dá)消光系數(shù)廓線近場(chǎng)信號(hào).上述文獻(xiàn)在通過(guò)Mie散射激光雷達(dá)研究氣溶膠時(shí)，僅對(duì)某種環(huán)境下少數(shù)的光學(xué)特性加以分析，而對(duì)大陸潔凈、大陸污染、海上污染類型氣溶膠環(huán)境在不同波段下的光學(xué)特性缺乏研究討論.因此，本文利用Mie散射的OPAC軟件分析了激光雷達(dá)探測(cè)氣溶膠的大陸潔凈(典型氣溶膠組分為水溶性、不溶性)、大陸污染(典型氣溶膠組分為水溶性、不溶性、煤煙)、海上污染(典型氣溶膠組分為水溶性、積聚模態(tài)海鹽、粗模態(tài)海鹽、煤煙)氣溶膠組分對(duì)光學(xué)特性(消光系數(shù)、散射系數(shù)、吸收系數(shù)、激光雷達(dá)比)的影響，并進(jìn)一步對(duì)比了在550、1 000 nm這2種激光雷達(dá)波段下光學(xué)特性的變化規(guī)律.

1 理論分析

其中σsc是散射截面，其表示粒子散射光的總能量,它反映了粒子的散射特性.

其中σ(θ,φ)為粒子的散射函數(shù)，它表示當(dāng)單位光強(qiáng)入射時(shí)，在單位距離上所測(cè)到的散射光強(qiáng)度，即在單位光強(qiáng)入射時(shí)，粒子散射到(θ,φ)方向的單位立體角內(nèi)的光能量.在很多情況下，由于粒子的對(duì)稱性，所以散射函數(shù)僅和散射角θ有關(guān).

與散射截面相對(duì)應(yīng)的還有吸收截面σab和消光截面σex，吸收截面反映粒子吸收的特性，而消光截面表示粒子散射截面和吸收截面的總量[21]:

σex=σsc+σab.

激光雷達(dá)比的定義為L(zhǎng)=σe/p(180),其中σe為消光系數(shù)，p(180)為方位角在180°時(shí)的散射系數(shù).

2 OPAC軟件仿真

OPAC軟件是由德國(guó)慕尼黑大學(xué)和馬克思普朗克氣象學(xué)研究所(MPI)共同研發(fā)的氣溶膠與云光學(xué)特性軟件包[22].該軟件包提供了6種類型的水云、3個(gè)冰云和10個(gè)氣溶膠成分的微物理光學(xué)特性，模擬波長(zhǎng)范圍為0.25～40.00 μm.本文選定OPAC提供的大陸潔凈、大陸污染、海上污染3種氣溶膠環(huán)境進(jìn)行仿真計(jì)算分析，氣溶膠組分?jǐn)?shù)濃度如表1所示，選用的激光雷達(dá)波長(zhǎng)分別為550 nm和1 000 nm，相對(duì)濕度為50%.

表1 3種特定氣溶膠環(huán)境的組分及其默認(rèn)數(shù)濃度

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及其分析

3.1 消光系數(shù)

圖1～圖3為在500 nm和1 000 nm這2種激光雷達(dá)波長(zhǎng)下,在大陸潔凈型、大陸污染型、海上污染型3種特定環(huán)境中消光系數(shù)的變化情況.在激光雷達(dá)波長(zhǎng)為550 nm和1 000 nm下3種氣溶膠環(huán)境的消光系數(shù)對(duì)水滴數(shù)濃度的變化率如表2所示.

圖1結(jié)果表明:在大陸潔凈型氣溶膠環(huán)境中，2種組分在激光雷達(dá)波長(zhǎng)為550 nm和1 000 nm下引起的消光系數(shù)變化幅度分別為1.579%、0.526%(水溶性)，2 209.160%、2 350.210%(非水溶性).因此，在大陸潔凈型氣溶膠環(huán)境中，在2種激光雷達(dá)波長(zhǎng)下均是非水溶性組分對(duì)消光系數(shù)的影響更大，而水溶性組分的影響相對(duì)較小.圖2結(jié)果表明:在大陸污染型氣溶膠環(huán)境中，3種組分在激光雷達(dá)波長(zhǎng)為550 nm和1 000 nm下引起的消光系數(shù)變化幅度分別為9.995%、3.603%(水溶性)，0.505%、0.542%(非水溶性)，1.900%、0.846%(煤煙).因此，在大陸潔凈型氣溶膠環(huán)境中，在2種激光雷達(dá)波長(zhǎng)下均為水溶性組分對(duì)消光系數(shù)的影響最大，煤煙組分對(duì)消光系數(shù)的影響次之.在非水溶性組分中，在波長(zhǎng)為550 nm和1 000 nm下的定性情況基本相同.圖3結(jié)果表明:在海上污染型氣溶膠環(huán)境中，4種組分在激光雷達(dá)波長(zhǎng)為550 nm和1 000 nm下引起的消光系數(shù)變化幅度分別為2.421%、0.872%(水溶性)，5.024%、5.072%(積聚模態(tài)海鹽)，0.046%、0.047%(粗模態(tài)海鹽)，0.287%、0.128%(煤煙).因此，在海上污染型氣溶膠環(huán)境中，在2種激光雷達(dá)波長(zhǎng)下均為積聚模態(tài)海鹽組分對(duì)消光系數(shù)的影響最大;在粗模態(tài)海鹽組分中，在波長(zhǎng)為550 nm和1 000 nm下的定性情況基本相同.對(duì)于水溶性和煤煙組分而言，在波長(zhǎng)1 000 nm下消光系數(shù)對(duì)水滴數(shù)濃度的變化率大于在波長(zhǎng)550 nm下消光系數(shù)對(duì)水滴數(shù)濃度的變化率.

仿真組分濃度/默認(rèn)組分濃度 仿真組分濃度/默認(rèn)組分濃度

仿真組分濃度/默認(rèn)組分濃度 仿真組分濃度/默認(rèn)組分濃度

仿真組分濃度/默認(rèn)組分濃度 仿真組分濃度/默認(rèn)組分濃度

表2 在激光雷達(dá)波長(zhǎng)為500 nm和1 000 nm下3種氣溶膠環(huán)境的消光系數(shù)對(duì)水滴數(shù)濃度的變化率

3.2 散射系數(shù)

圖4～圖6為在500 nm和1 000 nm這2種激光雷達(dá)波長(zhǎng)下在大陸潔凈型、大陸污染型、海上污染型3種特定環(huán)境中散射系數(shù)的變化情況.在激光雷達(dá)波長(zhǎng)為550 nm和1 000 nm下3種氣溶膠環(huán)境的散射系數(shù)對(duì)水滴數(shù)濃度的變化率如表3所示.

仿真組分濃度/默認(rèn)組分濃度 仿真組分濃度/默認(rèn)組分濃度

仿真組分濃度/默認(rèn)組分濃度 仿真組分濃度/默認(rèn)組分濃度

仿真組分濃度/默認(rèn)組分濃度 仿真組分濃度/默認(rèn)組分濃度

表3 在激光雷達(dá)波長(zhǎng)為500 nm和1 000 nm下3種氣溶膠環(huán)境的散射系數(shù)對(duì)水滴數(shù)濃度的變化率

表3結(jié)果表明:散射系數(shù)隨組分?jǐn)?shù)濃度呈線性遞增變化.對(duì)比圖1～圖3和圖4～圖6可知,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.

3.3 吸收系數(shù)

圖7～圖9為在500 nm和1 000 nm這2種激光雷達(dá)波長(zhǎng)下在大陸潔凈型、大陸污染型、海上污染型3種特定環(huán)境中吸收系數(shù)的變化情況.在2種激光雷達(dá)波長(zhǎng)下3種氣溶膠環(huán)境的吸收系數(shù)對(duì)水滴數(shù)濃度的變化如表4所示.

仿真組分濃度/默認(rèn)組分濃度 仿真組分濃度/默認(rèn)組分濃度

仿真組分濃度/默認(rèn)組分濃度 仿真組分濃度/默認(rèn)組分濃度

仿真組分濃度/默認(rèn)組分濃度 仿真組分濃度/默認(rèn)組分濃度

表4 在激光雷達(dá)波長(zhǎng)為500 nm和1 000 nm下3種氣溶膠環(huán)境的吸收系數(shù)對(duì)水滴數(shù)濃度的變化

表4結(jié)果表明:在2種激光雷達(dá)波長(zhǎng)下的吸收系數(shù)在3種環(huán)境中隨組分?jǐn)?shù)濃度的變化規(guī)律較復(fù)雜.圖7結(jié)果表明:在大陸潔凈型氣溶膠環(huán)境中，2種組分在激光雷達(dá)波長(zhǎng)為550 nm和1 000 nm下引起的吸收系數(shù)變化幅度分別為0.053%、0.053%(水溶性)，596.484%、460.979%(非水溶性);在大陸潔凈型氣溶膠環(huán)境中，在2種激光雷達(dá)波長(zhǎng)下均是非水溶性組分對(duì)吸收系數(shù)的影響最大，水溶性組分的影響能力相同并且相對(duì)較小.圖8結(jié)果表明:在大陸污染型氣溶膠環(huán)境中，3種組分在激光雷達(dá)波長(zhǎng)為550 nm和1 000 nm下引起的吸收系數(shù)變化幅度分別為0.235%、0.276%(水溶性)，0.137%、0.106%(非水溶性)，1.503%、0.765%(煤煙);在2種激光雷達(dá)波長(zhǎng)下均是煤煙組分對(duì)吸收系數(shù)的影響最大，水溶性組分對(duì)吸收系數(shù)的影響次之，非水溶性組分對(duì)吸收系數(shù)的影響最小.圖9結(jié)果表明:在海上污染型氣溶膠環(huán)境中，4種組分在激光雷達(dá)波長(zhǎng)為550 nm和1 000 nm下引起的吸收系數(shù)變化幅度分別為0.057%、0.067%(水溶性)，0.000%、0.000%(積聚模態(tài)海鹽)，0.000%、0.000%(粗模態(tài)海鹽)，0.227%、0.115%(煤煙).這說(shuō)明當(dāng)海上污染型氣溶膠環(huán)境的組分為積聚模態(tài)海鹽、粗模態(tài)海鹽時(shí)，吸收系數(shù)均無(wú)明顯變化；在2種激光雷達(dá)波長(zhǎng)下均是煤煙組分對(duì)吸收系數(shù)的影響最大.對(duì)于水溶性組分而言，在波長(zhǎng)1 000 nm下吸收系數(shù)對(duì)水滴數(shù)濃度的變化率均大于在波長(zhǎng)550 nm下吸收系數(shù)對(duì)水滴數(shù)濃度的變化率.

3.4 激光雷達(dá)比

圖10～圖12為在2種激光雷達(dá)波長(zhǎng)下在大陸潔凈型、大陸污染型、海上污染型3種特定環(huán)境中激光雷達(dá)比的變化情況.在激光雷達(dá)波長(zhǎng)為550 nm、1 000 nm下3種氣溶膠環(huán)境的激光雷達(dá)比對(duì)水滴數(shù)濃度的變化如表5所示.

仿真組分濃度/默認(rèn)組分濃度 仿真組分濃度/默認(rèn)組分濃度

仿真組分濃度/默認(rèn)組分濃度 仿真組分濃度/默認(rèn)組分濃度

仿真組分濃度/默認(rèn)組分濃度 仿真組分濃度/默認(rèn)組分濃度

表5 在激光雷達(dá)波長(zhǎng)為550 nm和1 000 nm下3種氣溶膠環(huán)境的激光雷達(dá)比對(duì)水滴數(shù)濃度的變化

表5結(jié)果表明:激光雷達(dá)比在3種環(huán)境中隨組分?jǐn)?shù)濃度的變化規(guī)律更為復(fù)雜.圖10結(jié)果表明:在大陸潔凈型氣溶膠環(huán)境中，2種組分在激光雷達(dá)波長(zhǎng)為550 nm和1 000 nm下引起的激光雷達(dá)比變化幅度分別為1.053%、0.000%(水溶性)，-5.263%、0.000%(非水溶性)，在大陸潔凈型氣溶膠環(huán)境中，激光雷達(dá)比在水溶性組分下水滴數(shù)濃度線性遞增，而在非水溶性組分下保持不變，這說(shuō)明在大陸潔凈型非水溶性組分氣溶膠環(huán)境下，激光雷達(dá)比不隨水滴數(shù)濃度的變化而變化，在激光雷達(dá)波長(zhǎng)為550 nm和1 000 nm下均為水溶性組分對(duì)激光雷達(dá)比的影響最大.圖11結(jié)果表明:在大陸污染型氣溶膠環(huán)境中，3種組分在激光雷達(dá)波長(zhǎng)為550 nm和1 000 nm下引起的激光雷達(dá)比變化幅度分別為-417.368%、-55.789%(水溶性)，-176.316%、-552.632%(非水溶性)，365.263%、573.158%(煤煙).因此,在大陸污染型氣溶膠環(huán)境中，激光雷達(dá)比在水溶性和非水溶性組分下水滴數(shù)濃度線性遞減，而在煤煙組分下線性遞增，且在波長(zhǎng)1 000 nm下各個(gè)組分的激光雷達(dá)比對(duì)水滴數(shù)濃度的變化率均大于在波長(zhǎng)550 nm下激光雷達(dá)比對(duì)水滴數(shù)濃度的變化率.圖12結(jié)果表明:在海上污染型氣溶膠環(huán)境中，4種組分在激光雷達(dá)波長(zhǎng)為550 nm和1 000 nm下引起的激光雷達(dá)比變化幅度分別為441.579%、23.158%(非水溶性)，-983.158%、-60.000%(積聚模態(tài)海鹽)，-22.105%、-64.737%(粗模態(tài)海鹽)，80.000%、68.947%(煤煙).因此,激光雷達(dá)比在水溶性、煤煙組分下水滴數(shù)濃度線性遞增，而在積聚模態(tài)海鹽、粗模態(tài)海鹽組分下線性遞減.進(jìn)一步研究表明:在海上污染氣溶膠環(huán)境中水溶性組分對(duì)激光雷達(dá)比的影響最大，在激光雷達(dá)波長(zhǎng)為550 nm下尤為明顯.

4 結(jié)論

基于OPAC軟件包分析了在激光雷達(dá)波長(zhǎng)為550 nm和1 000 nm下在大陸潔凈、大陸污染、海上污染3種特定氣溶膠環(huán)境中各組分?jǐn)?shù)濃度對(duì)Mie散射激光雷達(dá)光學(xué)參數(shù)的影響.結(jié)果表明:

1)消光系數(shù)、散射系數(shù)變化隨水滴數(shù)濃度呈線性增長(zhǎng)，吸收系數(shù)和激光雷達(dá)比則表現(xiàn)復(fù)雜.相比其他3種光學(xué)特性，吸收系數(shù)在3種氣溶膠環(huán)境的各個(gè)組分中變化平穩(wěn)，尤其在海洋污染型氣溶膠環(huán)境中積聚模態(tài)海鹽和粗模態(tài)海鹽組分的水滴數(shù)濃度變化率為0.000%，幾乎沒(méi)有任何波動(dòng).

2)在大陸潔凈型氣溶膠環(huán)境中非水溶性組分的光學(xué)特性變化明顯；在大陸污染型氣溶膠環(huán)境中非水溶性組分和在海上污染型氣溶膠環(huán)境中煤煙組分表現(xiàn)都較為穩(wěn)定，呈現(xiàn)逐步遞增的趨勢(shì).

3)激光雷達(dá)比受到雷達(dá)波長(zhǎng)和氣溶膠環(huán)境組分2個(gè)因素的影響，所呈現(xiàn)的變化規(guī)律更為復(fù)雜.在大陸潔凈型氣溶膠環(huán)境下水溶性和非水溶性組分分別呈現(xiàn)遞增和遞減的趨勢(shì)，而在大陸污染型氣溶膠環(huán)境下，煤煙組分在2種激光雷達(dá)波長(zhǎng)下激光雷達(dá)比均呈對(duì)數(shù)遞增，而水溶性和非水溶性組分均呈線性遞減；在海上污染型氣溶膠環(huán)境下對(duì)激光雷達(dá)比影響最大的是積聚模態(tài)海鹽組分，該值在2種激光雷達(dá)波長(zhǎng)下單調(diào)遞減.