探测气溶胶-水汽的拉曼-米散射激光雷达系统

设计和构建了发射波长为355 nm和532 nm的户外型全天时激光雷达系统,用于探测大气气溶胶和水汽。运用355 nm和532 nm的米散射、532 nm的偏振、氮气和水汽分子的拉曼激光雷达技术,用于对边界层结构、对流层气溶胶和云光学特性及其形态、水汽混合比进行连续探测研究。该系统结构紧凑,运输方便,具备远程操作、数据传输、一键式启动等功能。利用该系统对大气气溶胶和水汽进行探测,探测结果表明:在大气气溶胶的探测过程中,在重污染条件下混合层高度较干净天低,在0.5 km以下,而干净天在1 km左右;通过对消光系数、Angstrom指数和退偏振比分析可知,重污染条件下,底层大气气溶胶以球形粗粒子污染物为主,干净天底层大气气溶胶以球形细粒子污染物为主;在云层中,Angstrom指数明显减小,且出现负值,说明云粒子半径较大。在水汽探测过程中,采用自标定方法获得系统的标定常数为121,与已标定的激光雷达系统对比,误差在±0.3 g/kg以内;连续探测结果表明可对夜晚5 km及白天混合层以内进行探测。该系统满足产品化的需求,可广泛运用于大气环境的监测领域中。

中国地区大气气溶胶光学厚度与Angstrom参数联网观测（2004-08-2004-12）

利用2004年秋冬季全国联网资料，给出中国19个典型区域大气气溶胶的光学厚度（AODλ-_500nm）、Angstrom混浊系数（β）和Angstrom波长指数（α）．结果表明，在青藏高原，海北、拉萨，AOD平均分别为0．09、0．12，β平均分别为0．05、0．13，α平均分别为1．09、0．06，东北地区，海伦、三江，AOD平均分别为0．14、0．15，β平均分别为0．04、0．06，α平均分别为2．32、1．58，北部的荒漠地区，阜康、沙坡头、鄂尔多斯，AOD平均的范围为0、17～0．32，β平均的范围为0．09～0．19，α平均的范围为0．68～1．28．森林生态地区，长白山、北京森林、西双版纳，AOD平均的范围为0．19～0．42，β平均的范围为0．12～0．19，α平均的范围为1．11～1．25．农业生态地区，沈阳、封丘、桃源、盐亭，AOD平均的范围为0．34～0．68，β平均的范围为0、18～0．38，α平均的范围为0．97～1．39东部沿海地区以及湖泊，胶州湾、上海、太湖，AOD平均的范围为0．49～0．68，β平均的范围为0.21～0．29，α平均的范围为1．24～1．37．内陆城市，北京、兰州，AOD平均分别为0．47、0．81，β平均分别为0．20、0．45，β平均分别为1．66、0．89．并对19个站点气溶胶的光学特性及其变化特征进行了分别论述。

杭州市大气气溶胶光学厚度研究

利用2011-2012年杭州国家基准气候站内太阳光度计（CE-318）观测资料,分析杭州市气溶胶光学厚度（AOD）和Angstrom波长指数（α）的变化特征.结果表明,2011-2012年杭州市AOD500nm年平均值为0.86±0.47,α440~870nm年平均值为1.25±0.23.AOD季节变化特征不明显,主要与该地区天气形势以及内外源影响密切相关.α季节变化差异也不大,受北方带来的沙尘气溶胶影响,春季α略偏低.AOD呈现单峰型日变化特征,峰值出现在15：00,谷值出现在06：00,午后 AOD 明显升高主要与强烈的太阳辐射引起光化学反应产生的二次气溶胶以及近地层气溶胶在湍流输送作用下向城市上空扩散有关.从频率分布来看,AOD和α频率分布均呈现明显的单峰特征,并且较好的符合对数正态分布.α在高值区间1.1-1.7出现频率为77.8%,表明杭州市以平均半径较小的气溶胶粒子为主,属于城市-工业型气溶胶类型.杭州市AOD的高值（〉1.0）主要表现为粗模态气溶胶以及细模态气溶胶的吸湿增长.

Angstrom公式参数对ET0的影响及FAO建议值适用性评价

作为计算太阳总辐射(Rs)的主要公式,Angstrom公式参数(a、b)的合理取值是计算参照腾发量(ET0)的重要前提。针对FAO所提出的a、b建议值(a=0.25、b=0.5)在中国无辐射观测资料地区被大量使用,而其合理性尚未得到系统评价的情况,基于中国104个地面站的观测数据,在逐月时间尺度上,讨论了a、b变化对ET0的影响,分析了a、b的地区分布规律,评价了FAO建议值所导致的ET0计算误差,进而阐明了该建议值在中国7个区域的适用性。提出了无辐射资料情况下a、b的地区综合取值方法。主要研究结论是:①参数a、b偏差对ET0的计算有重要影响,在中国无资料地区采用FAO建议值将导致较大的太阳总辐射(Rs)和ET0计算误差。②大多数站点,a的率定值较FAO建议值明显偏小,而b的率定值明显偏大。新疆地区和华南地区a、b率定值分布比较集中,而在其它区域比较分散。③FAO建议参数值在东北、西北和新疆3个区域计算ET0的适用性较好,而在西南和华南两个区域的适用性很差,计算的ET0偏高较大。④提出的地区综合取值方法,能使Rs和ET0的计算精度较FAO建议值显著提高。

中国3个AERONET站点气溶胶微物理特性分析及比较

选取中国地区区域代表性较强且观测时间序列较长的3个AERONET站点（SACOL、香河和太湖）,分析了其气溶胶微物理参数特征.香河和太湖多年平均气溶胶光学厚度（AOD）分别为0.67±0.66和0.72±0.44,是SACOL AOD平均值（0.38±0.27）的近2倍,且AOD变化范围较大.SACOL春冬季AOD较大,夏秋季AOD较小;而香河和太湖夏春季较大,秋冬季较小.结合尺度分布、体积浓度等参数特征说明沙尘是SACOL春季最主要的气溶胶类型,香河春季受沙尘的影响也较严重,而太湖受沙尘影响的频率较香河要小的多;香河和太湖AOD最大值出现月份与细模态粒子体积浓度最大值出现月份一致,是由于细模态粒子的消光效率是粗模态粒子的3--4倍.细模态体积比（Vf/Vt）的年变化趋势与？ngstr？m波长指数（α）的年变化趋势相似,Vf/Vt和α均可以用来分析粒子尺度大小的年变化特征.但α〈0.75时,3个站点Vf/Vt均小于0.4,以粗模态粒子为主;α〉1.7时,Vf/Vt大于0.6,以细模态粒子为主;而0.75〈α〈1.7时,也是α出现概率最高的区间,3个站点Vf/Vt均在0.1∽0.8之间变化.

徐州冬季雾-霾天颗粒物粒径及气溶胶光学特性变化特征

为研究徐州冬季雾-霾天气形成过程中颗粒物粒径及气溶胶光学特性的变化特征,分析了2014年12月1日-2015年2月28日徐州大气颗粒物质量浓度（PM（10）、PM（2.5）、PM1）、数浓度（0-1μm、1-2.5μm、2.5-10μm）和气溶胶光学特性等数据.结果表明：0-1μm粒径范围细颗粒物的大量增多是引发徐州冬季雾-霾天气的主要因素,徐州冬季地面风速小（静风或轻风天气）,较高的大气相对湿度对雾-霾的形成和维持起着重要影响作用.持续时间较长的雾霾天气,因颗粒物吸湿增长和水汽附着,1-10μm粒径范围大气颗粒物在雾霾时段易发生沉降而减少,后随相对湿度降低雾霾转为短时间的霾天气,1-10μm颗粒物数浓度大幅上升.徐州冬季500nm波段AOD total和AOD fine mode具有相同的变化趋势,雾-霾日AOD total和AOD fine mode显著高于非霾日.AOD fine mode与AOD coarse mode的比值雾-霾日亦明显高于非霾日,而且在雾-霾日Angstrom波长指数主要集中在1-1.6,表明徐州冬季雾-霾时段大气中细颗粒物为主控粒子.

北京秋季大气气溶胶光学厚度与Angstr?m指数观测研究

利用2010年10～11月CE318太阳光度计观测资料,得出了北京市秋季气溶胶光学厚度（AODλ=500nm）,Angstrom波长指数（α）和浑浊度（β）.结果显示,气溶胶AOD,Angstrom指数,浑浊度平均值分别为0.5（±0.69）、0.95（±0.33）、0.24（±0.31）,变异系数分别为139%、35%和132%.非污染天,AOD变化较小,峰值出现在15：00,但大气中细粒子组分相对较高;污染天,AOD波动很大,没有明显的日变化,颗粒物以细粒子为主.非污染天,当α〈0.5,α与AOD呈反相关,α〉1.0,两者呈现正相关;污染天,两者无明显关系,但当AOD〉1.0,α随AOD的增大而变小.当Vmax〈1m/s和1m/s4m/s,AOD和α均出现小值,α与AOD呈负相关.风向也是影响α和AOD变化的重要因素,尤其ENE为主导风向时,α与AOD呈明显正相关.温度的变化并未对α和AOD的变化造成很大影响.局地扬尘或沙尘气溶胶呈非亲水性,但当α〉0.5,AOD随相对湿度（RH）的增大有一定程度的增大.

中国3个AERONET站点气溶胶大小的识别及特征分析

AngstrOm波长指数α是判断气溶胶粒子大小的重要参数,但当气溶胶尺度分布不满足Junge分布时,仅用α不能很好的反映气溶胶粒子的尺度信息.利用Mie散射理论和AERONET站点实测资料分析说明在0.75<α<1.7区间内,结合AOD谱曲率a2可以得到更详细的粒子尺度信息.对SACOL、香河和太湖站,当a2<–0.4时,气溶胶以细粒子占主导地位,Vfine/Vtotal>0.6;当a2>0.3时,多以粗粒子为主,Vfine/Vtotal<0.4.利用Gobbi气溶胶图解法分析显示SACOL站AOD的大值主要是由于沙尘气溶胶的影响造成的;香河站沙尘和细粒子气溶胶都会产生大值AOD,并且图解法可以很好的区分这两种情况;太湖站受沙尘的影响较小,大值AOD绝大多数是由于细粒子气溶胶造成的.

气溶胶光学厚度谱特征判断粒子大小方法初探

当气溶胶谱满足Junge分布时,Angstrom指数(α)可以准确地描述粒子大小,但真实大气气溶胶很少完全满足这一条件,仅用α判断粒子大小会有较大出入。基于北京、香河、兴隆、太湖4个Aeronet观测站21世纪以来各站历时都超过1年的气溶胶光学厚度资料,获得5511组lnτ与lnλ的二次拟合参数a_3,a_1,尝试找到一种结合α,a_2,a_1判断粒子大小的方法。结果表明:当气溶胶为粗粒子时(V_(fine)/V_(total)<0,2),α均小于0.75,仅用α就可以较好地判断粒子大小,但当气溶胶以细粒子为主时(V_(fine)/_(total)>0.7),该方法会有较大出入,此时a_2,a_1可以有效地辅助α判断粒子大小,α>0.75,a_2<-0.5或a_2<-0.5,a_1<-1.0是较好的判据。此外,分析发现国外研究提出的用a_2-a_1判断粒子大小的方法效果并不理想,尤其在1<a_2-a_1<2的情况下,粒子的组成有多种可能。

北京地区大气气溶胶光学厚度的观测和分析

利用中国科学院大气物理研究所研制的中分辨率太阳-天光光谱自动观测系统(MORSAS)于北京对太阳直射光谱和天空散射光谱进行准连续观测,其中无云情况(包括晴天和浑浊天气)下的观测资料用于获取大气气溶胶光学厚度.该仪器与一台美国NASA主持的国际气溶胶观测网仪器CIMEL CE-318太阳光度计进行对比观测,二者所得结果一致性较好.作者给出了近3年北京地区大气气溶胶光学厚度和表征粒子谱宽度的Angstrom指数(a)的变化情况.与20世纪90年代中期相比,近3年北京秋冬季气溶胶光学厚度有所减小,表明北京的环境治理有一定成效;而春季气溶胶光学厚度则在近2年有明显增加,源自沙尘天气,且Angstrom指数亦变小,表明大粒子比例增加,因此需要加强对沙尘源的治理.

北京市区秋季气溶胶粒子浓度与特性参数的观测研究

对2010年10月和11月北京市区粒径小于2．5pm（PM2，）和2．5～10μm之间（PM2.5-10）的气溶胶粒子质量浓度进行了观测和分析，同时研究了同期的Angstrom指数和散射系数等气溶胶特性参数的变化。结果表明，不同粒径颗粒物的质量浓度与气溶胶特性参数的逐时日变化明显。PM：，质量浓度在凌晨5时至6时取得最小值，夜间20时至21时取得最大值；PM2.5-10质量浓度则在9时至10时和20时至21时出现双蜂。气溶胶Angstrom指数在下午明显高于上午，最大值出现在16时左右；散射系数高峰出现在17时至18时。2010年10月7—9日出现了显著的灰霾天气，灰霾天气下PM2.5，和PM2.5-10质量浓度均有明显增加。细粒子增多是导致PM25增加和Angstrom指数增大的主要原因。另外，灰疆天气期间散射系数迅速增大，非灰霾天（10月11日）的散射系数只有灰霾天（10月8日）的1．27％。

淮北平原Angstrom公式参数校正及太阳总辐射时空特征分析

为了解淮北平原太阳总辐射的时空特征,基于安徽省新马桥试验站内自动气象站2011—2016年的实测太阳总辐射R_s数据,分别采用最小二乘法和遗传算法对Angstrom公式中经验系数a,b值进行率定,对比分析2种率定值与FAO建议值计算ET_0和R_s的差别;基于优选的率定参数,选取砀山、亳州、宿县、蚌埠及阜阳5个典型气象站点,对淮北平原太阳总辐射的时空分布特性进行分析.结果表明,FAO建议的经典参数a,b值并不适用于淮北平原,其较大估计了R_s和ET_0.通过最小二乘法和遗传算法率定得出的a,b值均可有效提高R_s和ET_0两者计算的准确性,且遗传算法率定的结果更优.1955—2014年的60 a内,淮北平原的日均R_s从北到南总体呈现逐渐降低的趋势,且平原北部下降幅度明显低于平原南部,1980年为主要转折年,1980年之前安徽省淮北平原年日均R_(s年际)下降趋势不明显,1980年之后年日均R_s年际下降趋势明显;R_s季节分布特征依次为夏季、春季、秋季、冬季,全年和各季度平均R_s在空间上呈现总体北高南低、局部有所差别的分布特征;此外,月尺度上R_s年内变化趋势呈现为单峰型分布,最大峰值出现在6月份,12月份最低.文中的研究成果可为淮北平原常规气象数据精确计算R_s和ET_0提供参考.

长三角地区近10年气溶胶时空分布特征

该文利用2003年3月至2013年2月间MODIS遥感气溶胶三级产品资料,分析了我国东部长三角地区气溶胶光学厚度(AOD)、Angstrom波长指数、细粒子比例和垂直柱质量浓度的时空分布及其变化特征。长三角地区的AOD呈现出北高南低分布,北部(30°N以北)年平均约为0.6~0.7,南部普遍低于0.5。AOD季节分布变现为春夏高、秋冬低,夏季最高。10年间,长三角地区AOD呈现出波动增长趋势,并表现出地区差异,北部增长较南部快。Angstrom波长指数表现为南高北低,春冬低夏秋高,总体变化趋势不显著。冬春季细粒子比例低于夏秋季,北部细粒子比例普遍低于南部,但北部增长率高于南部。从气溶胶垂直柱浓度分布来看,北部高于南部,高值中心在江苏、上海一带,低值区在浙江一带。春季气溶胶柱浓度最高,秋季最低。气溶胶柱浓度北部增长较快,南部有所下降。

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.

黄土高原半干旱地区气溶胶特性

利用2006年8月～2007年7月兰州大学半干旱气候与环境观测站CE-318数据产品,对气溶胶光学厚度,大气可降水量及Angstrom波长指数的日变化及季节变化特征进行了分析.同时分析了常规温压湿资料、PW及Angstrom波长指数与气溶胶光学厚度的关系.对CE-318反演得到的PW与微波辐射计由神经网络算法得到的水汽总量进行了相关性分析,认为二者对水汽总量测量能力相当.

甘肃半干旱区城乡气溶胶光学特性的观测与分析

利用CE318型太阳光度计(532 nm波段)在2004年5月-2007年5月的城乡观测资料,反演分析了半干旱地区城乡气溶胶的光学特征.得到了气溶胶光学厚度(AOD)的年季变化,并对不同季节气溶胶的光学厚度以及波长指数的变化规律进行了讨论.结合兰州市郊区资料,对城郊大气气溶胶光学特征进行了对比及原因分析.认为较城市而言,半干旱区乡村大气总体上较城市更为洁净.城市气溶胶受到冬季采暖期等人为因素的影响,出现了AOD冬季大、夏季小的特点.气溶胶主要以工业粉尘和沙尘气溶胶为主,夜间逆温层对AOD的日变化影响较大.乡村春季沙尘天气较多,气溶胶浓度变化受季节的影响,春季AOD最大.气溶胶主控粒子多为沙尘粒子.

2009—2011年北京地区大气气溶胶光学特性季节变化规律研究

利用AERONET北京站2009—2011年气溶胶地基反演资料,分析了该地区气溶胶光学特性的季节变化特征.结果表明,不同季节大气气溶胶光学厚度(AOT)、Angstrom波长指数(α)具有不同的日变化规律,AOT的变化受当地气溶胶人为排放、大气稳定度条件、大气辐射等因素的影响较大,因太阳辐射的影响,α在午后存在高值或有略微增加的趋势.AOT具有明显的季节变化特征,主要表现为春、夏季大,秋、冬季小,与北京地区温带季风气候特点有关.AOT年均值为0.63.α在四季中均表现为单峰型结构,春季受沙尘粒子不连续性导入的影响,α概率分布最宽,值最小,标准差最大,α<0.5的概率超过10%,粗粒子在四季中占比最多.夏、秋两个季节α均值>1.1,属于典型的城市-工业气溶胶粒子.4个季节α值均大于0.9,年均值为1.07,表明北京地区以气溶胶细粒子为主.水汽柱含量具有明显的季节变化,与降水量具有相同的变化规律,夏季最多达2.33 cm,冬季最少仅有0.3 cm,春、秋季次之.

艾比湖流域春季大气气溶胶光学性质

利用MicrotopsⅡ太阳光度计观测数据,得到艾比湖流域春季气溶胶光学厚度(AOD550)、Angstrom波长指数(α).结果显示,艾比湖流域春季AOD主要集中在0.1~0.4之间;受盐尘迁移过程中粉尘扩散、沉降等影响,精河地区和乌苏地区气溶胶光学性质存在一定差异.精河、乌苏两地AOD平均值分别为0.290和0.242,变异系数分别62.966%和47.444%,α平均值分别为0.609和0.894,变异系数为33.368%和56.946%,精河地区大气气溶胶主控粒子粒径相对较大,而乌苏地区气溶胶粒子的粒径变化幅度相对较大;AOD和α的关系复杂,当地主导风向是沙尘气溶胶的主要来源,温度变化并不是导致艾比湖流域AOD变化的内在原因;α<0.5时,乌苏地区AOD随RH的增大而减小,精河地区受盐尘中可溶性离子的影响,表现出一定的吸湿性,α>1.0时,细粒子吸湿增长造成AOD随RH的增大而增大,当0.5<α<1.0,气溶胶表现出一定的吸湿性,但当50%<RH时,可能存在降雨对气溶胶大颗粒的冲刷从而导致AOD的降低;精河地区AOD高值的主要原因是大粒子的增加,小粒子气溶胶引起高污染现象的可能较小;乌苏地区气溶胶组成成分复杂,AOD高值受细模态粒子和粗模态粒子共同影响.

秸秆燃烧和沙尘对气溶胶光学特性的影响

利用多年积累的我国几个典型地区的太阳辐射计观测数据,反演了秸秆燃烧和沙尘日及其前后晴朗日的气溶胶光学厚度(AOD)和表征粒子尺度的ngstrm指数(α),并运用观测结果和反演数据对已知气溶胶源予以验证。对比分析了多个典型地区源自秸秆燃烧和沙尘的气溶胶光学特性,结果显示,秸秆燃烧和扬尘时AOD都大幅增加,而α在秸秆燃烧时比通常晴朗日增大,取值大于1.3;在扬尘时比通常晴朗日明显减小,取值小于0.5。另外,不同地区不同气溶胶源的AOD与α的关系明显不同。分析结果表明,α可作为秸秆燃烧和沙尘天气的一个标志参数,为生物燃烧性有机碳黑气溶胶光学特性的检测方法提供依据,也可为分析我国西北城市地区受周边沙漠的影响程度提供有益参考。

丽江高美古大气透明度和可降水量

大气气溶胶和可降水量会影响天文望远镜光学成像系统的观测质量。利用中国科学院安徽光学精密机械研究所自主研制的DTF-6型太阳光度计观测了丽江高美古2010年10月～2011年5月的太阳直接辐射,获得了丽江高美古晴朗无云天气条件下气溶胶光学厚度(大气透明度)、ngstrm指数和可降水量;给出了该地区观测期间气溶胶光学厚度、ngstrm指数和大气可降水量的日变化与季节变化特征。实验期间,气溶胶光学厚度和可降水量日变化大致可分为4种类型,季节变化都呈现为冬季最小,秋季次之,春季升高。总体来说丽江高美古气溶胶光学厚度和可降水量都较小,该地区大气较清洁透明,且大气中积聚的多为小粒子,适用于天文观测。