气溶胶散射吸湿增长因子对霾强度变化的响应特征

基于成都市2017年10-12月浊度计和黑碳仪的逐时观测数据,结合该时段同时次的能见度(V)、相对湿度(H_(R))、二氧化氮(NO_(2))以及细颗粒物(PM_(2.5))浓度监测资料,利用光学综合法计算气溶胶散射吸湿增长因子,分析霾强度(轻微、轻度、中度和重度)变化对气溶胶散射吸湿增长因子的影响。结果表明:(1)不同霾强度下的气溶胶散射吸湿增长因子均服从对数正态分布,该分布函数的数学期望与方差随霾强度的增加而增大。(2)气溶胶吸湿性随霾强度的增加而增强,对轻微、轻度、中度和重度霾而言,强吸湿模态占比分别为6.2%、11.4%、50.8%和84.5%。(3)分别构建了轻微、轻度、中度和重度霾强度下的二次多项式散射吸湿增长模型,对应全样本模拟值与实测值的决定系数(R^(2))分别为0.684、0.627、0.729和0.786,即气溶胶散射吸湿增长模型对样本的选择非常敏感,其泛化性能随霾强度的增加而增强。

北京市区大气气溶胶散射系数亲水增长的观测研究

利用自制的"进样气流湿度调节"装置,2005年12月7—22日在中国气象局科技大楼测点(记为CAMS)对北京市区冬季气溶胶散射系数随湿度的变化关系进行了观测试验,结果显示,观测期间北京市区气溶胶散射系数亲水增长因子f(U)(定义为一定湿度下的气溶胶散射系数与"干"气溶胶散射系数的比值)在湿度从低到高的变化过程中,主要表现出"平滑连续"的增长特点。总体上,当相对湿度(U)从小于40%增大到93%左右时,平均气溶胶散射系数亲水增长因子可达2.10,而平均散射系数亲水增长因子f(U=80%±1%)为1.26±0.15。按照污染情况把观测期间划分为"相对污染"时段和"清洁"时段,则在"相对污染"情况时,北京市区CAMS测点的气溶胶散射系数增长因子f(U=80%)大约为1.48,而在"清洁"时段约为1.2。与国外有关观测相比,北京冬季"清洁"时段气溶胶的散射系数亲水增长因子f(U=80%)在数值上与生物质燃烧型和扬尘类型气溶胶的亲水增长相似。反映了在不同天气背景下北京市区的气溶胶类型有不同的特点。

上甸子本底站气溶胶散射系数变化特征的初步分析

根据上甸子大气成分本底站从2004～2006年的连续观测数据,分析了区域大气粒子光散射系数的变化特点,以了解本底地区大气气溶胶粒子的基本特征。上甸子地区3年数据比较表明,散射系数平均水平较低,但在2006年有所升高,主要表现在受春季沙尘天气的影响,污染次数增多。其次,散射系数日变化规律表现为白天低夜间高,午后出现最低值,此变化与大气层结的日变化趋势一致。从季节变化看,冬季和春季的散射系数相对较低,而夏季和秋季的值较高,这与气象条件及内外源的影响都有关系。天气对粒子变化的影响表现为,晴天无云时的大气状况有利于污染物的垂直输送,散射系数远远低于阴天时的数值。另一方面,风向对本底站粒子浓度影响也较明显。来自东北东方向的空气较干净,散射系数值通常较低,而西南西风向通常会引起散射系数值的增大,说明位于西南方向上的北京等城镇的污染输送对上甸子本底站的大气状况有一定影响。最后,通过拟和散射系数小时平均值出现频率曲线,对上甸子地区本底浓度值作了初步估算,其范围在10～20Mm-1。

南京北郊气溶胶粒子的光学散射特征

利用三波段积分浊度仪对南京北郊2009—2010年四季气溶胶散射系数进行观测和分析。结果表明:气溶胶散射系数具有明显的季节变化特征,春季最低,秋季最高,冬夏季差别不大;气溶胶散射系数变化范围为51.6～2748.3Mm-1,平均值为478.6Mm-1。气溶胶散射系数的日变化特征为双峰型。空气相对湿度与气溶胶散射系数呈正相关关系;地面风向与气溶胶散射系数关系密切,偏东风时气溶胶散射系数最大,偏南风和偏西风时气溶胶散射系数较小。降水对气溶胶有明显的清除作用。能见度大于5km时,能见度与散射系数呈负相关关系。四季大气中SO2和NO2与气溶胶散射系数存在一定相关性,其中秋季SO2与气溶胶散射系数的相关系数最大(0.68),春季NO2与散射系数的相关系数最大(0.62),均通过0.05信度的显著性检验。

基于AERONET和OMI数据分析中国北方典型地区气溶胶单次散射反照率的变化趋势

气溶胶单次散射反照率(SSA)表征气溶胶吸收特性,很大程度上决定了气溶胶辐射强迫的正负,对准确评估气候变化中的气溶胶辐射强迫具有重要意义。根据2004年10月至2016年12月地基AERONET(AERosol RObotic NETwork)和OMI(Ozone Monitoring Instrument)卫星数据,分析了中国北方典型地区(北京、香河、兴隆和兰州郊区)SSA的变化趋势以及两组数据的一致性。4个站AERONET和OMI的SSA年均值分别为:北京0.89±0.04和0.90±0.04,香河0.89±0.04和0.91±0.04,兴隆0.92±0.04和0.91±0.04,兰州0.91±0.04和0.90±0.04。4个站点SSA季节变化一致,夏季高冬季低。SSA年际变化趋势分析时,因有效数据较少且为非正态分布,用月中位数代替月均值,同时需对数据进行筛选和去季节变化,结果显示北京和香河均有地基和卫星有效数据时间尺度不同的情况,而兴隆OMI和兰州AERONET满足趋势分析要求。在研究期间,4站SSA均呈上升趋势,说明近年来中国北方气溶胶的吸收性减弱,散射特性增强,尤其北京四季地基和卫星数据均呈上升趋势,但香河秋冬吸收性增强。同时,对AERONET和OMI两种反演算法得到的SSA一致性进行分析。香河结果差异较大,仅30%的数据在误差±0.03的范围内,55%在±0.05的范围内;北京分别为46%(±0.03)和68%(±0.05),兴隆分别为50%(±0.03)和76%(±0.05),兰州数据一致性较好,分别为51%(±0.03)和86%(±0.05),总体来说是受人为活动影响比较明显的地区,数据一致性较差。

基于相关探测技术的激光气溶胶散射信号截获

在激光散射告警器设计中,为了兼顾探测概率与虚警概率两项指标,围绕适用于激光气溶胶散射信号探测的相关探测技术开展了理论与实验研究。在对低空中1.06μm激光气溶胶散射信号的辐照度分布与时域特征进行理论分析的基础之上,根据相关处理对信噪比的改善效果与作用条件的实验研究结果,理论计算了基于相关处理的激光告警设备的探测灵敏度,并据此研制了实验装置,在外场实验中实现了激光气溶胶散射信号的离轴截获。研究结果表明:相关探测技术能够在保持低虚警的同时,进一步提高探测装置的散射信号截获能力,是一种提高散射探测概率的有效途径。

龙凤山大气气溶胶散射特性观测分析

利用2018年龙凤山区域大气本底站(简称龙凤山站)气溶胶散射系数、PM_(10)质量浓度及常规气象观测资料,研究了东北本底地区气溶胶散射系数的变化特征.结果表明,2018年龙凤山站3个波长下气溶胶散射系数的均值为(194.1±202.4)Mm^(-1)(450 nm)、(133.4±139.2)Mm^(-1)(550 nm)、(81.8±85.3)Mm^(-1)(700 nm).龙凤山地区散射系数具有明显的日变化特征,且不同季节的日变化特征具有较大区别.龙凤山地区地处相对洁净的背景地区,气溶胶散射系数水平相对较低,春季受局地及长距离风沙的影响散射系数均值较高,冬季东北地区采暖燃烧排放量比较大,大气层相对稳定,不利于气溶胶污染物的扩散,冬季气溶胶散射系数最高.夏秋季受湿沉降与植被条件的影响气溶胶散射系数最低.散射系数与PM_(10)质量浓度相关性较好,相关系数r为0.82.龙凤山PM_(10)的质量散射效率为3.6 m^(2)·g^(-1)(550 nm).2018年龙凤山PM_(10)气溶胶的散射Angstrom指数(SAE)平均值为1.96±0.25,表明在观测期间气溶胶主要是以较小的粒子主导,夏季的SAE最大,秋季的SAE最低,春季和冬季居中.

典型类型气溶胶散射特性的计算分析

利用云和气溶胶粒子光学特性软件包,对陆地型、海洋型和极地型三种、九类典型气溶胶粒子的散射光学特性进行了数值分析,对比分析了每种类型不同成分对气溶胶粒子体系散射特性的影响,建立了气溶胶散射光学厚度与激光波长、相对湿度的定标关系。对不同类型的气溶胶,气溶胶散射光学厚度随波长的幂指数衰减规律适用范围不同;成分的差异对气溶胶散射光学厚度随波长和相对湿度的变化规律影响较大.建立的气溶胶散射光学厚度与波长、相对湿度的定标规律,可为研究非均匀气溶胶粒子体系等效光学特性和激光工程应用提供参考和依据.

拉萨上空大气气溶胶光学特性的激光雷达探测

叙述了大气气溶胶激光雷达探测方程的求解方法 ,以及 1 998年夏季在拉萨使用激光雷达观测的一些结果 ,并与日本名古屋市上空的探测资料进行了对比分析 ,得到了拉萨上空气溶胶光学性质的一般特征 ,并对其成因进行了讨论。

城市对流层气溶胶观测分析与研究

利用激光雷达测量数据反演出了北京测站和西藏那曲测站上空对流层大气气溶胶散射比和消光系数的垂直分布,利用消光系数和风速数据,进行了相关分析。结果表明,北京测站上空气溶胶的组分、浓度、粒径和分布较那曲呈现更大的不均匀性;西藏那曲地区的空气质量较北京城区要高;那曲测站上空的贴地层高度较北京城区低;北京测站近地面气溶胶消光系数和风速的负相关特性较为明显。

临安大气本底站2017年气溶胶散射特性观测研究

利用临安大气本底站2017年积分式浊度仪与颗粒物浓度、能见度的观测资料,研究临安本底站气溶胶散射系数的变化特征。研究表明,散射系数与PM1.0、PM2.5、PM10均存在显著正相关关系。当空气相对湿度超过60%时,气溶胶的散射特性会明显增强。2017年临安本底站年平均散射系数为145.8 mm-1(±97.9 mm-1)。由于逆温现象、气候条件、人为大气污染物排放的影响,散射系数的日变化呈现明显的双峰单谷型。早晨8:00出现第一个峰值,下午14:00出现谷值,下午20:00出现次峰。冬季较高且波动范围大,夏季较低且波动范围小。能见度与散射系数具有显著幂函数关系。通过拟合,临安本底站到达霾的临界点的散射系数为106.9 mm-1。霾期间气溶胶散射系数的上升是造成能见度下降的主要原因。

用紫外辐射反演气溶胶单次散射反照率的方法研究

利用紫外辐射监测资料,结合对流层紫外与可见光辐射传输模式,反演气溶胶单次散射反照率(SSA).敏感性试验和误差分析表明:紫外辐照度对SSA敏感;气溶胶光学厚度(AOD)对反演SSA的误差影响最大,波长指数次之,地表反照率和其他因素的影响较小.使用该方法计算的珠三角地区的气溶胶单次散射反照率为0.84～0.99,平均值为0.92,与以往研究相比具有较好的一致性.

上甸子秋冬季雾霾期间气溶胶光学特性

通过对2004年秋冬季(9—12月)4次雾霾天气过程在京、津背景地区——北京上甸子大气本底污染监测站观测的大气气溶胶光学特性的分析,发现该地区气溶胶光学特性受天气过程的影响很大。4次雾霾影响时段,平均气溶胶散射系数σ_(sca)、吸收系数σ_(abs)和单次散射反照率ω都远高于雾霾过后清洁时段的数值,其中气溶胶ω在雾霾影响时段为0.94～0.97,雾霾后为0.84～0.86,平均减小了0.1左右,表明雾霾天气有利于气溶胶的累积和生成。相比于光吸收性气溶胶,雾霾天气对光散射性气溶胶的增加更为有利,反映了二次气溶胶的产生及其对消光的贡献可能有较大增加。

塔克拉玛干沙漠腹地沙尘气溶胶对低层大气的加热效应

利用塔克拉玛干沙漠腹地塔中气象站2006年8月1日—2007年7月31日近地层80m铁塔逐时温度、辐射和5minPM10浓度、黑碳(BC)质量浓度、散射系数等数据,结合地面常规气象数据筛选出四季沙尘过程,剔除云的影响,以每次沙尘过程的晴空为大气背景值,分析沙尘气溶胶对低层大气的加热效应。结果表明,沙漠腹地沙尘过程对低层大气日平均温度有显著的增温效应,扬沙在冬、春季最剧烈,日平均温度分别高出晴空3.4和3.8℃,沙尘暴其次,浮尘最小。沙尘过程显著地增大了大气逆辐射量,沙尘暴日平均为晴空的1.24倍,扬沙为晴空的1.21倍。沙尘影响低层大气温度梯度分布,显著缩短了大气的逆温时间,减弱了逆温强度。沙尘过程对低层大气增温的原因,春季是大粒子浓度的显著增大,冬季是吸收性粒子的增多,而夏、秋季则为小粒子浓度的增大和散射系数的增大。低层大气温度梯度在扬沙天气随PM10的增加而减小,主要由低层10m以下大气温度变化引起;浮尘天气主要与小粒子浓度关系密切,其影响高度最大,春、夏季可以达全层80m,秋、冬季也可超过32m;沙尘暴一致性较差,除秋季外,均由2m以内温度变化所致。

杭州地区一次严重雾霾过程气溶胶特性分析

针对2012年6月10—13日杭州地区一次连续雾霾天气过程,利用气象要素及气溶胶观测资料,结合天气形势和HYSPLIT模式分析了此次雾霾天气过程气溶胶特性及造成严重污染的主要原因。结果表明:杭州地区此次雾霾天气过程以静小风为主,能见度长时间低于2 km,污染物浓度较高。整个雾霾天气过程气溶胶粒子主要以细粒子(<PM2.5)为主,而超细粒子(<PM1.0)在雾和不同霾影响阶段表现出不同的变化规律。ngstrm波长指数在雾天气和干霾天气时的平均值分别为0.24和0.75,说明雾和霾天气的气溶胶粒径分布具有明显差异。雾霾天气过程气溶胶粒子对能见度的影响散射效应高于吸收效应。气溶胶单次散射反照率在雾霾天气下的高值为0.92—0.96,表明雾霾天气时气溶胶具有较强的光散射能力。秸秆焚烧产生的污染物经过长距离输送、本地污染源排放的稳定贡献及受静稳天气系统共同影响是造成杭州地区此次雾霾天气严重污染的主要原因。

渤海海域上空大气衰减光学厚度的研究

利用太阳光度计和臭氧监测仪的测量数据,对渤海海域上空8月中下旬的大气衰减进行了分析,结果发现:对大气衰减贡献最大的是气溶胶散射,约占86%;从时间和空间上看,气溶胶的浑浊度因子α和Augstrom指数β的变化都很大.在所测量的海域和时间内,α主要分布范围为2～9,β的主要分布范围为-1.4～-1.2;由于α和β日变化较大,观测气溶胶的时间尺度不应大于1天.从海域位置上讲,黄河口附近海域的气溶胶散射光学厚度比其它海域都要大.以上研究结果对于有效地获取我国近岸二类水体海域上空的大气校正所需的资料具有重要意义.

大气辐射传输对红外探潜的影响分析

针对红外探潜的特点，在建立了红外探潜系统作用距离方程的基础上，利用大气辐射传输软件仿真分析了水蒸汽、二氧化碳、海洋气溶胶等因素对红外探潜的影响。结果表明，这些因素对红外探潜效能具有较大影响。

FFIM用于机载大气激光雷达ABCT反演的可行性研究

Fernald前向积分法能否用于机载大气探测激光雷达气溶胶后向散射系数的反演一直是一个有争议的课题.本文利用青岛机载大气探测激光雷达实测数据、国外机载大气探测激光雷达实测数据和机载大气探测激光雷达模拟数据,对Fernald前向积分法应用于不同高度的机载大气探测激光雷达气溶胶后向散射系数反演的误差进行了定量分析,分析结果表明:飞机的飞行高度在3.5km左右,标定值存在20%的误差时,离地面2km的高度范围内反演得到的气溶胶后向散射系数的相对误差在12%以内,但在标定点附近相对误差可达20%;飞机飞行高度在7km左右,当标定值存在100%的误差时,反演得到的气溶胶后向散射系数的相对误差大都在10%～15%之间,标定值存在400%的误差时,反演得到的气溶胶后向散射系数的相对误差大部分在15%～50%之间.本文从理论上对Fernald前向积分法应用于机载大气探测激光雷达气溶胶后向散射系数反演出现负值的原因进行了探讨.研究表明:Fernald前向积分法能够较准确地反演出中高空探测(4.5km以上)机载大气探测激光雷达气溶胶后向散射系数,但应用于低空探测(4.5km以下)机载大气探测激光雷达气溶胶后向散射系数反演时,反演误差较大甚至反演结果会出现负值.

大同地区典型沙尘天气过程近地层气象要素演变特征的对比分析

利用2009年3月-2010年3月大同国家基准气候站20m气象梯度塔的风向、风速、气温、相对湿度的观测资料及PM10质量浓度数据、气溶胶散射系数数据，分析大同地区典型沙尘天气过程近地层气象要素演变特征。结果表明，风速在沙尘暴、扬沙的发生、发展过程中均较大，浮尘较小。气温在沙尘暴期间受冷空气的影响迅速减小，而在扬沙和浮尘天气条件下温度的变化主要取决于长短波辐射的强弱和沙尘气溶胶的辐射强迫。相对湿度在沙尘暴期间基本上呈递增态势，结束后比发生前相对湿度增大，在扬沙和浮尘天气条件下，相对湿度与温度完全呈现出反相关关系，且相对湿度均较小。PM10质量浓度在沙尘暴、扬沙、浮尘天气条件下依次递减。沙尘暴期间气溶胶散射系数明显增大。

2016年冬季北京地区一次重污染天气过程边界层特征

利用中国气象局地面常规观测资料、微脉冲激光雷达(MINI-MPL)、风廓线雷达资料、生态环境部大气成分等资料,对2016年12月16~21日京津冀多地污染过程的生消特征、与气象条件的关系以及边界层的结构特点进行了分析.结果表明:大气处于静稳状态,低层大气盛行偏南气流,大气湿度持续增加,加之北京三面环山不利于污染物扩散的特殊地形是造成北京此次严重空气污染的重要因素.重污染期间,污染物主要聚集在800m高度以下,严重污染时,污染物高度甚至仅有400m左右.风廓线雷达反演风场显示:2次PM2.5浓度快速上升阶段低层伴随持续偏南风或偏东风.污染过程期间,逆温结构明显,两次污染快速发展阶段恰好出现在两次逆温最强时段.此次污染天气过程,激光雷达退偏振比总体小于0.25,反映污染主要是人类活动产生气溶胶,前期以一次排放颗粒物为主,后期以二次转化颗粒物为主.退偏振比污染过程前期呈明显日变化特征,且白天退偏比比夜间高.