一种测量大气气溶胶折射率的新方法

一种测量大气气溶胶折射率的新方法

气候溶胶是气候理化过程中的一个重要因素。许多关于气的科学领域都包含气溶胶。大气气溶胶对气候变化有重要的直接和间接的影响,通过气溶胶粒子吸收和散射太阳辐射,直接改变地-气系统的能量收支。大气气溶胶粒子的折射率n=nr-ini。折射率实部nr主要与光散射有关,而折射率虚部ni主要与光吸收有关,是大气气溶胶吸收特性的一个重要参数,它决定了大气气溶胶在辐射和气候效应中的作用是加热还是冷却。因此,探索测量气溶胶粒子折射率的方法是很有意义的。在实际大气中,由于气溶胶粒子化学成分的不同导致ni的变化范围相当大。折射率的测量复杂得多,滤膜取样方法和元素碳浓度法可以测量折射率虚部,但误差也较大;光声方法测量灵敏度高,但要求的设备和技术都较复杂,还不能广泛地用于测量;遥感反演方法也有其局限性。本文结合能见度仪、激光雷达和粒子计数器的测量结果,提出反演大气气溶胶粒子折射率的新方法,对其进行理论分析,并对这种方法的合理性进行初步验证。1仪器和测量原理1.1气象光学视距的计算能见度仪(FD12U21208,芬兰Vaisala公司)根据气溶胶粒子的前向散射特性测量气象光学视距(MOR)。该仪器主要由发射、接收和控制三部分组成。发射器发出脉冲近红外光,接收器探测气溶胶粒子的前向散射光,然后将该信号转换成偏频信号(offsetfrequency)。再根据频率信号与MOR之间的对数关系,计算出气象光学视距。需要说明的是:MOR对应的识别目标的对比度阈值ε=0.05,而通常所说的能见度所对应的对比度阈值ε=0.02,所以MOR乘以系数c(c=ln(1/0.02)/ln(1/0.05))就得到能见度VH。1.2气溶胶粒子谱分布的测量结果DLJ-92多道光学粒子计数器(安徽光学精密机械研究所研制)是利用粒子的光散射特性来测量粒子的数密度谱和浓度的。由于它直接抽取环境空气,不破坏粒子的悬浮状态,所以测量结果能真实反应气溶胶粒子谱分布的特征。该仪器采用60°的散射光学系统,气溶胶粒子通过光照区时所散射的光信号被光电倍增管接收并转换为电脉冲,以电脉冲的幅度来确定粒子的大小,以电脉冲的计数来确定粒子的浓度。它将半径为0.15～6.0μm的粒子分成17档,其分档半径如表1所示。标定仪器使用的标准粒子是折射率n=1.59-0.0i,直径为(0.71±0.05)μm的聚苯乙烯小球。1.3大气mie散射激光雷达方程微脉冲激光雷达采用二极管泵浦的固体激光器(如Nd:YLF,Nd:YAG),获得微焦耳脉冲能量的高重复率激光脉冲输出,采用光子计数技术高灵敏度探测回波信号。根据大气气溶胶对激光雷达发射激光的Mie后向散射信号即回波的时间变化,通过激光雷达方程,在一定的假设条件下,可以得到回波功率、气溶胶消光系数和消光后向散射比的关系。通常大气在水平方向上是比较均匀的,因此水平方向上的Mie散射激光雷达方程可写为式中:P(R)是激光雷达接收的大气后向散射光的回波功率(W);C是激光雷达常数(W·km3·sr);β(β=βa+βm)是大气气溶胶和大气分子后向散射系数之和(km-1·sr-1);α(α=αa+αm)是大气气溶胶和大气分子消光系数之和(km-1)。气溶胶消光后向散射比S1是气溶胶消光系数αa与后向散射系数βa的比值。2理论分析2.1大气再压能与消光系数和波长的关系能见度通常是指视力正常的人在白天无云的天空背景下辨认出一个视角为0.5°～5°的黑色目标物轮廓和形体的最大距离,在夜间则是能看到和确定出一定强度的灯光的最大距离。晴空背景和黑体目标情况下,对于白光而言,大气水平能见度VH(km)与消光系数α(km-1)和识别目标对比阈值ε(ε=0.02)的关系为对于其它波长应作适当的修正。作为近似,可以用人眼最敏感的绿光(λ=0.55μm)的消光系数代替白光的消光系数所以水平能见度与消光系数和波长的关系为这里使用能见度仪对能见度进行测量,然后由公式(3)就可以转化为波长为0.532μm的消光系数。结合微脉冲激光雷达的水平测量结果,在公式(1)中,P(R)是探测结果,雷达常数C由实验确定,若不考虑大气分子消光,气溶胶消光系数αa可由能见度仪测量得到,因此根据公式(1),水平大气气溶胶后向散射系数βa可以计算出来,气溶胶消光后向散射比S1也就知道了。2.2mie理论的计算根据Mie散射理论,由气溶胶的谱分布和它的折射率可以计算出式中:Qext,M1,M2是折射率n、粒子半径r和波长λ的函数,由于谱分布可以由粒子计数器测量得到,λ=0.532μm,只要我们假设一定的折射率n就可以由Mie理论计算出来αa和S1。若计算出的αa和S1与测量结果在一定范围内相同或者相近,此时假设的折射率就是大气气溶胶真实的折射率。3s1与实部的关系2004年10月在北京大气物理研究所铁塔部,我们采用DLJ-92多道光学粒子计数器和能见度仪进行同步测量。取1h数据的平均(2004年10月2日16时)作为例子,假设了一系列折射率值,并对气溶胶的消光后向散射比进行了计算,图1是计算结果。可以看出,在折射率实部一定时,虚部越大,S1就越大;而当折射率虚部一定时,实部越大,S1就越小。S1随实部和虚部的变化曲线基本上是单调的。2004年10月2日16时,能见度为21.6km,对应λ=0.550μm的气溶胶消光系数为0.138km-1,对应=0.532μm的消光系数为0.146km-1。由于没有激光雷达的数据,在已知消光系数时,可以计算出S1随折射率的变化(见图2)。利用大气气溶胶粒子数密度谱———大气水平能见度反演折射率虚部的方法,可以计算得到大气气溶胶的折射率虚部,此方法不能反演大气气溶胶折射率实部,在假设折射率实部为nr=1.50时,可以得到其折射率虚部ni=0.0119。由图2可以看出,当气溶胶消光系数一定时,消光后向散射比随折射率实部的增大而变小,且变化曲线是单调的;而消光后向散射比随折射率虚部的变化不明显,折射率虚部在0.0100～0.0125之间变化。只要知道气溶胶消光后向散射比,就可以同时知道折射率的实部和虚部与大气气溶胶粒子数密度谱———大气水平能见度反演折射率虚部的方法计算的结果较一致。而由于不用假设折射率实部,其计算结果更合理。另外,若事先知道大气气溶胶折射率,可以利用此方法计算S1,这对于激光雷达精确的数据处理是非常重要的