辐射传输方程中的平均单次散射反照率的计算

根据米耶理论,对均匀系中单粒子平均单次散射反照率的计算进行了研究,并分析了反照率与粒子尺度因子以及复折射率之间的关系。结果表明,当粒子尺度因子x较小时,反照率随着x的增大而增大,但是当x再继续增大时,反照率出现了"波动",总体呈现出减小的趋势,最终趋于0.5。利用米耶理论和van de hulst近似,还分别计算0.4～0.5μm和8～12μm光谱范围内气溶胶粒子的反照率,并进行了比较,结果表明,除了波长为3μm的邻域外,随着波长的增大,反照率逐渐减小,但是利用van de hulst近似所计算的结果在8～12μm光谱范围内有较大的误差。

基于实测数据的太湖上空气溶胶单次散射反照率特征分析

基于AERONET太湖站2005年9月-2010年9月的太阳分光光度计实测数据，分析太湖上空单次散射反照率（SSA）随时间变化特征以及频率分布特征．结果表明，SSA的月均最大值、最小值分别为8月的0．95±0．03和12月的0．87±0．03．季节均值的最大值为夏季的0．94±0．03，最小值为冬季的0．88±0．04；SSA的年均值为0．90．从频率分布来看，SSA的最高频率分布区间为0．9～0．92．分析表明，太湖上空存在中度吸收型的气溶胶．

船舰尾流单次散射反照率的理论计算

为研究激光在船舰尾流中传输时的散射效应，利用M ie散射理论对船舰尾流单次散射反照率进行了理论计算．结果表明：气泡半径小于0．6μm时单次散射反照率随半径的增大而增大，半径大于0．6μm时，单次散射反照率随气泡半径增大出现波动并且逐渐减小，直至趋于平稳；船舰尾流单次散射反照率随着折射率虚部和实部的增大而减小，波长在0．4～0．8μm之间时船舰尾流单次散射反照率随波长的增大而增大；船舰尾流单次散射反照率在中心区域和远场区域数值高于近场区域，随深度的增加而增加．

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。

长江三角洲地区大气气溶胶柱单次散射反照率特性研究

利用OMI卫星资料2006-2017年的483.5 nm波长的气溶胶柱单次散射反照率日均数据,分析了整层大气气溶胶单次散射反照率在长三角地区的时空分布特征,特别是其年际、月、季节变化特征.长江三角洲地区的大气气溶胶柱单次散射反照率越靠近海洋越大,而越靠近内陆越小.日均气溶胶柱单次散射反照率在0.881~0.971范围内变化,多年的平均值为0.939±0.024,最大分布概率出现在0.965~0.970区间,其值约为25%.长三角地区大气气溶胶柱单次散射反照率的年平均值集中于0.938~0.940之间,年际变化很小,变化值小于1%;月均柱单次散射反照率在6、8、9月有最大值,其值为0.968,而在2月有最小值,其值为0.915;季节平均单次散射反照率在夏季最大,其值为0.968,而在冬季最小,其值为0.919.

张掖地区气溶胶吸收和散射特性分析

兰州大学与中国科学院、中国气象局、美国马里兰大学、美国能源部等研究机构于2008年4-6月进行了中美沙尘暴联合观测试验,观测点设在张掖国家气候观象台、兰州大学半干旱气候与环境观测站（SACOL）和SACOL景泰移动观测点。利用颗粒物烟尘吸收光度计和TSI积分浑浊度仪资料分析了张掖地区气溶胶吸收和散射特性。结果表明：气溶胶吸收系数、总散射和后向散射系数日变化趋势一致,基本呈双峰型,峰值分别出现在08：00和22：00,夜间的值较白天偏大;气溶胶吸收系数、总散射和后向散射系数的月平均值在4月最大、5月次之、6月最小;450,550和700 nm波段的气溶胶单次散射反照率主要集中在0.7-0.9。

1.06μm激光气溶胶凝聚粒子散射特性

气溶胶是大气电磁环境中的重要组成部分,气溶胶粒子严重影响1.06μm激光的传输特性。单次散射反照率和不对称因子是研究气溶胶中激光传输特性的一个重要参量。基于CCA模型,模拟了由64个球形原始微粒凝聚而成的四种取向气溶胶凝聚粒子。利用离散偶极子近似方法,数值计算了1.06μm激光入射情况下四种形状气溶胶凝聚粒子的单次散射反照率和不对称因子随入射角变化的值;并分析了尺寸参数对单次散射反照率和不对称因子的影响。结果显示:对于相同数目原始微粒的气溶胶凝聚粒子,其单次散射反照率和不对称因子明显依赖于入射光的入射角度和气溶胶凝聚粒子的形状;对于不同尺寸参数的气溶胶凝聚粒子,其单次散射反照率和不对称因子随尺寸参数的增大而增大,当尺寸参数大于3时,气溶胶凝聚粒子的散射主要集中于前向散射。

基于单次散射反照率的矿物高光谱稀疏解混

矿物的混合多属于致密型混合,在可见光—短波红外波段的混合呈现非线性特征,同时由于矿物混合的复杂性以及图像中完全纯净的像元可能不存在等原因,使得从图像上提取端元具有较大不确定性。本文根据矿物单次散射反照率的线性可加性,提出一种基于矿物单次散射反照率光谱库的稀疏解混算法,利用Hapke模型将矿物反射率转换成矿物单次散射反照率,构建矿物单次散射反照率光谱库,以半监督的方式通过稀疏回归的方法从光谱库中寻找最优端元组合,并估算混合像元中各端元的丰度。利用RELAB矿物混合光谱库进行算法验证,结果表明,丰度反演的平均绝对误差为3.12%;将本文方法应用于美国内华达州铜矿区的AVIRIS高光谱图像数据,所得丰度图与美国地质勘探局USGS矿物识别结果具有较好的一致性。本文算法不需要从图像提取端元,并且考虑到了矿物的非线性混合特征,能够得到较高的反演精度,在近地行星和卫星表面岩矿成分的探测等领域具有较好的应用前景。

近海海洋水体光散射特性研究——以蓬莱近岸海域为例

对水体散射特性的分析方法进行了研究,并以蓬莱附近海域水体为例对方法进行了验证。从分析结果可以看出,烟台蓬莱附近海域水体散射占据主导,单次散射反照率ω0在0.6～0.8之间变化,且后向散射比例Bp在0.08～0.17间变化,虽高于Mobley给出的0.03的上限,但与Mie理论模拟计算的结果相吻合,属于具有强后向散射特征的II类水体;该区域的粒子折射指数*np高于1.15,说明水体具有典型的矿物质颗粒特征。通过对实测数据的分析发现,文中提出的方法适合于我国近岸水体,可为研究我国近岸水体的水体散射特性提供借鉴。

基于S5P/TROPOMI的中国东部气溶胶单次散射反照率反演初探

气溶胶单次散射反照率SSA(Single Scattering Albedo)的卫星定量遥感对气候评估和大气污染治理均具有重要意义。搭载于S5P(Sentinel-5 Precursor)上的对流层监测仪(TROPOMI)具有目前同类卫星传感器中最优的空间分辨率。本文基于S5P/TROPOMI数据开展了中国东部地区的SSA反演研究。首先利用中国东部地区AERONET(Aerosol Robotic Network)站点数据对OPAC(Optical Properties of Aerosols and Clouds)气溶胶模型进行约束改进,构建了更为合适的气溶胶类型,并使用地基激光雷达(Lidar)预设相应气溶胶类型的垂直结构。然后使用辐射传输模型SCIATRAN构建查找表LUT(Look-Up Table),将TROPOMI UVAI(Ultraviolet Absorbing Index)和MODIS AOD(Aerosol Optical Depth)数据联合输入反演气溶胶SSA数据。反演结果与地基站点数据对比,相关系数R^(2)为0.61,均方根误差为0.05;和OMI SSA产品相比,总体趋势一致且具有空间连续性更好。基于TROPOMI的高分辨率SSA算法和数据将有助于中小尺度下气溶胶时空分布、光学特性等研究。

腔增强反照率光谱仪

主要技术与性能指标,气溶胶光学最低探测限(1σ,5 s):消光系数0.17 Mm−1,散射系数0.07 Mm^(−1),吸收系数0.17 Mm^(−1),气溶胶光学检测范围:0-2000 Mm^(−1),响应时间:5-300 s,测量误差:消光和散射系数3%,吸收系数4%,单次散射反照率5%,NO_(2)分子最低探测限(1σ,60 s):15 ppt,NO_(2)分子检测范围:20 ppt-100 ppb;测量误差:4%。

天津城区春季大气气溶胶消光特性研究

利用天津大气边界层观测站2011年4月1日~5月10日气溶胶散射系数、吸收系数、PM2.5质量浓度、大气能见度和常规气象观测数据,分析了气溶胶散射系数和吸收系数的变化特征,以及气溶胶消光系数与PM2.5质量浓度和大气能见度的关系,并对两种方法计算的消光系数进行了比较.结果表明,观测期间天津城区气溶胶散射系数为369.93 Mm-1,对大气消光贡献为86.7%,气溶胶吸收系数为36.32Mm-1,对大气消光贡献为8.5%,单次散射反照率为0.91;气溶胶散射系数和吸收系数的日变化特征具有明显的双峰结构,对应于早晚交通高峰;不同天气类型下其日分布特征存在较大差异,霾日散射系数和吸收系数最高,沙尘日和降水日次之,晴日最低;气溶胶散射系数和吸收系数与PM2.5质量浓度呈线性正相关,与大气能见度呈指数负相关,观测期间气溶胶质量散射效率均值为2.95m2/g;采用Koschmieder’s公式反算能见度获得的大气消光系数,与通过测量气溶胶散射系数、气溶胶吸收系数、气体散射系数和气体吸收系数等分量加和获得的消光系数相比一致性较好,高相对湿度天气下能见度反算值高于各系数加和值.

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。

东亚地区矿物尘气溶胶直接辐射强迫的初步模拟研究

为研究东亚地区矿物尘气溶胶的直接辐射效应,在区域气候模式RegCM3中加入起尘方案、建立矿物尘气溶胶输送模式,并将其辐射过程加入区域气候模式的辐射方案.通过对2001年3月～2002年3月的模拟发现:中国西北和蒙古国年平均地表起尘率在1μg/(m2·s)以上,最大达到90μg/(m2·s)是东亚地区最主要的矿物尘气溶胶源地;东亚地区矿物尘气溶胶柱含量最大值达5g/m2,出现在塔克拉玛干沙漠和秦岭地区;气溶胶大气顶直接辐射强迫基本呈现大陆上为正、海洋上正负均有的分布特征,区域平均辐射强迫在春夏秋冬分别为1.08,0.88,0.37,0.40W/m2,短波辐射强迫在陆上为正、海上正负均有,长波辐射强迫均为正值;四季的地表辐射强迫分别为-5.64,-2.25,-1.37,-1.87W/m2;辐射强迫数值对矿物尘气溶胶单次散射反照率的变化较敏感.

深圳城市气溶胶物理光学特性的观测研究

气溶胶是影响气候变化和空气污染的重要因子.在深圳地区展开气溶胶观测实验,可以获得可靠的光学物理特征,进而有助于准确评估气溶胶在新型超极城市区域的气像和环境效应.本文利用2010年12月至2011年8月太阳光度计、黑碳和浊度计等气溶胶观测资料,分析了新型超级城市深圳地区的气溶胶物理光学特性.深圳地区气溶胶呈明显季节变化,冬、春季由于城市污染性气溶胶的影响,气溶胶光学厚度和Angstrom波长指数都较大,夏季受海盐气溶胶的影响,光学厚度较小,Angstrom波长指数也较小.光学厚度与Angstrom波长指数对比表明城市综合性污染是引起深圳气溶胶高光学厚度的主要原因.深圳地区气溶胶的散射系数、吸收系数的平均值(标准偏差)分别为178.7×10-6 m-1(126.6×10-6 m-1)和32.5×10-6 m-1(18.1×10-6 m-1),均低于珠三角腹地多年观测平均值的二分之一和国内其他大型城市观测值.而单次散射反照率为0.81,与珠三角其他地区得到的结果接近.此外,气溶胶吸收、散射和单次散射反照率呈明显日变化,可能主要受大气边界层变化的影响.

基于实测高光谱数据的矿物含量提取方法研究

针对利用线性模型提取矿物含量精度较低的问题,以波长范围为350-2 500nm的岩石光谱为数据源,基于光谱匹配方法进行矿物识别,应用简化的Hapke模型将岩石样品反射率转换为单次反照率,利用线性模型分解单次反照率进行含量提取,并通过分段滤波及建立区域光谱库的方法提高识别精度,建立了一种基于实测光谱数据的矿物含量提取方法。通过对包古图V号岩体光谱数据的分析,与X射线衍射结果相比,该方法对长石类矿物的识别精度为100%,含量提取精度为80.5%;对粘土类蚀变矿物的识别精度为92.2%,含量提取的精度为92.36%。该方法将矿物学共生关系加入到矿物识别方法中,保证了结果的可靠性;提出了分段滤波的预处理思路,避免了滤波算法对光谱波形及吸收特征的影响,并且据有较好的去噪效果;应用Hapke模型进行实测的岩石光谱解混,能避免复杂的光谱非线性分解计算,从理论上提高矿物含量提取的精度和计算的效率。该方法对快速分析蚀变信息等工作具有一定的指导意义。

太湖北岸气溶胶光学特性长期变化特征

利用太湖北岸地基太阳光度计(CE-318)2005年9月~2016年4月的观测数据,以及多年气象观测资料,对太湖北岸气溶胶年际尺度、季节尺度及逐月的光学特性、变化特征及影响因素进行了系统分析.揭示太湖北岸:1)AOD年均值呈逐渐降低趋势,但累年(2005~2016)均值高达0.776,2005~2012年累年均值为0.842,较全国同一时期AOD均值高63%;2)AOD四季变化分明,夏季(0.920)最高、冬季(0.689)最低、春季(0.788)与秋季(0.788)相近;3)气溶胶α指数逐年增大,年增幅约0.013,表明太湖地区大气污染物颗粒平均粒径逐年减小,非自然源比重持续增加;4)气溶胶α指数季均值为秋季>冬季>夏季>春季,依次为1.320、1.232、1.164、1.098;5)体积谱四季均呈双峰结构,夏冬两季积聚模态粒子与粗模态粒子的体积浓度接近,春季以粗模态粒子为主,秋季以积聚模态粒子为主,6)气溶胶SSA季均值各年四季变化特征相似,累年总体季均值为秋季>夏季>春季>冬季,依次为0.933、0.917、0.900、0.882,但年均值自2007年起呈逐年缓增趋势,年增幅约0.006,表明太湖地区气溶胶粒子的散射能力在逐年增大.

基于AERONET和SKYNET网观测的中国北方地区气溶胶光学特征分析

利用AERONET和SKYNET两个国际气溶胶网站提供的2.0等级气溶胶数据产品,分析了中国北方地区榆中、北京、香河、榆林、敦煌和蒙古国达兰扎达嘎德6站气溶胶光学特征的日变化规律和季节变化特征,并对其影响机制进行了研究。结果表明,由于受沙尘天气的影响,中国北方地区和蒙古国各测站春季气溶胶光学厚度均出现了较高值,而波长指数则出现了最低季节平均值,气溶胶粗、细粒子的体积谱分布也表现出明显的特征差异。此外,由于受局地人类活动的影响,各测站气溶胶光学参数也表现出不同的变化特征,即在夏季相对湿润的环境下,北京和香河站受当地城市污染气溶胶吸湿增长的影响,其气溶胶光学厚度比其他季节都大,同时该地区夏季单次散射反照率也出现了明显增大。

太湖地区大气气溶胶光学及微物理特征分析

利用2005年9月-2008年6月AERONET太湖站的Level 2.0数据,分析了该地区光学厚度随波长的变化趋势。结果表明,在双对数坐标中太湖光学厚度随波长变化的曲线并非直线,可用二次多项式拟合,气溶胶粒子符合对数正态谱分布。单次散射反照率SSA的变化表明,冬季SSA值较小;春季SSA随波长增大而增大,8、9月SSA随波长增大而减小。2005年9月—2006年11月太湖站粒子谱和粒子体积浓度变化表明,春季粗粒子体积浓度约是细粒子的2倍～2.5倍;总粒子体积浓度受粗粒子影响出现峰值;夏末及初秋细粒子的体积浓度要明显大于粗粒子的。春季粒径<3μm的粗粒子增加量比粒径>3μm的粗粒子增加量要大,因而粗粒子有效半径减小。最后分析了2006年4月16～18日北方沙尘天气对太湖地区气溶胶微物理参数的影响。

长江三角洲地区大气顶气溶胶直接辐射强迫遥感估算

利用MODIS和OMI卫星遥感数据估算长江三角洲地区大气顶气溶胶直接辐射强迫并分析其时空变化特征.结果表明了大气顶辐射强迫和气溶胶光学厚度(AOT)存在明显的线性相关关系,R和RMSE分别为0.89和5.50.大气顶辐射强迫的区域月平均变化范围大约在-10--70W/m2之间,一年中最大值(-53.97±6.14W/m2)和AOT一样出现在6月,最小值(-16.41±2.10W/m2)出现在12月.4个季节的大小依次是:夏季(-44.30±9.09W/m2)>春季(-42.00±7.83W/m2)>秋季(-28.02±6.32W/m2)>冬季(-20.40±5.00W/m2).在6月,大气顶气溶胶辐射强迫空间差异最明显,在太湖沿岸的城市地区,如上海、杭州,辐射强迫可达-70W/m2,而在千岛湖地区大约为-10W/m2.在12月,空间差异最小,北部城市地区大约为-20 W/m2;南部地区大约为-10 W/m2.