相对湿度对大气气溶胶粒子短波辐射特性的影响

利用Mie散射原理和重庆实测气溶胶资料,详细计算了边界层内单个气溶胶粒子的光学特性参量,气溶胶粒子群体的散射、吸收、消光系数及不对称因子、散射比、光学厚度;进而采用二流近似和累加法计算了边界层内太阳短波辐射增温率。目的在于研究相对湿度对以上各特性参量的影响。结果表明,相对湿度在65%～95%之间变化时,对气溶胶粒子群体光学特性参数和太阳增温率的影响在量级上可与气溶胶粒子浓度成倍变化的影响相比拟。     

对流层与平流层大气气溶胶粒子的若干散射特性

本文应用Ｍｉｅ散射理论，采用简洁方案计算了ＩＡＭＡＰ提出的大气气溶胶主要粒子的散射效率因子及散射相函数，结果表明，大颗粒的散射能力以７５％硫酸液滴最强，其次是水滴，冰晶，沙尘性粒子；小粒子的散射能力仍以７５％硫酸滴最强，其次是沙尘性粒子，小颗粒相函数的前向后向基本对称；大粒相函数随Ｘ值增大而不对称加大；折射率实部不同，则相函数最小值出现在不同的散射角，折射率虚部较大的煤烟，相函数起伏较小，约在１０     

气溶胶散射相函数的单站观测研究

利用2014年夏季在河北饶阳开展的“华北区域光化学立体试验”观测得到气溶胶辐射特性,根据三波长角散射浊度仪Aurora 4000测量获取的前向角散射系数（10°~90°）和后向散射系数,提出了一种基于浊度仪直接测量的气溶胶角散射系数和改进的HG相函数近似获取气溶胶散射相函数、不对称因子的拟合估算方法。分析了2014年6月16日—8月18日夏季观测试验期间河北饶阳地区大气气溶胶细粒子（PM_2.5）在635 nm,525 nm,450 nm 3个波段的不对称因子、相函数等的变化特征。结果表明:用改进的HG相函数近似能够较好地拟合河北饶阳实际观测的PM_2.5的气溶胶散射相函数。拟合得到河北饶阳地区观测期间干气溶胶细粒子在3个波段的平均不对称因子（g）分别为0.53±0.04（635 nm）,0.57±0.05（525 nm）和0.57±0.07（450 nm）。     

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。     

大气气溶胶散射吸湿增长特性研究进展

大气气溶胶的散射吸湿增长特性反映了相对湿度对气溶胶散射能力的影响。研究气溶胶散射吸湿增长对于评估气溶胶辐射强迫、了解气溶胶对大气能见度的影响具有重要意义。文中对气溶胶散射吸湿增长特性的研究意义、监测方法、中外研究进展、参数化拟合和模型模拟等方面进行了系统回顾和总结,并对未来发展方向做出展望。中国在该领域开展的研究数量偏少,广泛开展气溶胶散射吸湿增长特性研究十分必要。     

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.     

光吸收对冰晶粒子散射相函数的影响

本文利用射线跟踪法对冰晶粒子散射、吸收进行了研究。从理论上对一些常见的近似处理方法进行了讨论，计算了长为300μm，半径为30μm的六棱柱状冰晶粒子在不同波段的光散射相函数以及在波长2.2μm时，五种不同大小冰晶粒子的单次散射反照率。结果表明，即使在有吸收情况下，Snell公式和Lambert公式仍是近似成立的，而吸收效应对散射相函数有明显影响。     

杭州市区大气气溶胶散射特性观测分析

利用2011年杭州国家基准气候观测站浊度仪和常规气象观测资料,研究了杭州市区城市工作和生活环境中气溶胶散射系数的变化特征。结果表明,2011年杭州大气气溶胶散射系数平均值为396.8±191.3 Mm-1。秋、冬季散射系数高于春、夏季。大气环流形势、气象条件变化以及内外源的影响是造成散射系数季节性差异的重要因素。在边界层演变、交通排放和人为活动的共同作用下,散射系数呈单峰型的日变化特征,峰值出现在08:00(北京时,下同),谷值在14:00。工作日散射系数显著高于周末。拟合散射系数逐时频率分布表明,杭州最具代表性大气状态下大气气溶胶散射系数为238.9Mm-1。散射系数随着霾等级的增加而升高,霾期间散射系数的升高可能是造成能见度下降的直接原因。由于观测站特殊的地理位置,导致散射系数在不同风向区间差别不大,但是地面风对气溶胶散射系数具有明显的扩散和输送作用。     

河西春季沙尘气溶胶粒子散射特性的初步研究

利用2008年春季中美沙尘暴联合观测试验中张掖观测站的积分浑浊度仪及同期常规气象资料,分析了有、无沙尘天气下气溶胶总散射系数(550nm)及后向散射比的日变化特征,讨论了一次典型的沙尘暴过程中气溶胶的散射特性。结果表明,在这两种天气状况下,总散射系数日变化都呈双峰型,但峰值大小和出现的时间不同。无沙尘日的气溶胶细粒子所占比例的变化较为明显,日较差比有沙尘日的大。沙尘暴发生时,气溶胶总散射系数有明显的突变,积分浊度仪是对沙尘气溶胶连续监测的有效的工具。     

近红外波段凝结核性质对雨滴散射特性的影响

用M ie散射理论,在已知大气气溶胶粒子的折射率基础上,计算并讨论大气气溶胶以及在其上凝结形成的雨滴的散射相函数、散射效率因子等散射特性。结果表明,对流层中气溶胶粒子的散射能力依次为水滴,冰晶,海洋性粒子,沙尘性粒子,水溶性粒子,煤烟。对于在可溶性核上凝结形成的雨滴,海洋性核的散射能力强于水溶性核的散射能力。由不可溶性核凝结形成雨滴的散射能力依次为煤烟核、冰晶核和沙尘性核。纯水雨滴的散射能力介于沙尘性核和冰晶核之间,强于海洋性核。该结论可以为光学测雨仪器在不同地区条件下的参数设置提供依据。     

Aerosol concentration measurement with multiple light scattering system and laser aerosol spectrometer

The performance of two different optical concentration-measuring techniques was investigated over a concentration range starting with about 10² cm⁻³ and extending over more than four decades. Both instruments are capable of real-time counting, however due to their particular design-single particle counter and ensemble particle-measuring system—they operate in overlapping, but different concentration ranges. The upper, coincidence-free counting limit for the single particle counter used in this study was established to be in the order of 10⁴ cm⁻³. The ensemble technique was found to be functional and stable for concentrations of about 10³ cm⁻³ and limited by the onset of multiple scattering at concentrations nearby 2×10⁶ cm⁻³. Within the determined boundaries, both techniques proved to provide reliable aerosol concentration data.     

气溶胶光散射数值模拟的研究现状及进展

气溶胶光散射信息是辐射传输模拟、气候学研究及大气海洋遥感等的重要前提,由于其基础性地位,气溶胶光散射数值模拟一直是大气科学领域的研究热点。本文简明扼要地对气溶胶光散射数值模拟技术的研究现状进行了综述,主要内容包括以下3个方面:(1)总结和分析了Mie散射理论在实际应用的局限性;(2)对气溶胶光散射理论进行了归类,概述了其发展历程、研究现状,重点分析了不同散射理论的基本原理、适用范围、算法复杂度及相应的优缺点;(3)总结了气溶胶光散射研究中存在的问题,扼要地概括了气溶胶光散射数值模拟的研究热点及发展方向。     

An Aerosol Model of the Marine and Coastal Atmospheric Surface Layer

We present a microphysical model for the surface layer marine and coastal atmospheric aerosols that is based on long-term observations of size distributions for 0.01–100 µm particles. The fundamental feature of the model is a parameterization of amplitudes and widths for aerosol modes of the aerosol size distribution function (ASDF) as functions of fetch and wind speed. The shape of ASDF and its dependence on meteorological parameters, height above sea level (H), fetch (X), wind speed (U) and relative humidity (RH), are investigated. At present, the model covers the ranges H = 0–25 m, U?=?3–18 km s^?1, X?≤?120 km and RH?=?40–98%.

The latest version of the Marine Aerosol Extinction Profiles model (MaexPro) is described and applied to the computation and analysis of the spectral profiles of aerosol extinction coefficients α(λ) in the wavelength band λ?=?0.2–12 µm. MaexPro is based on the aforementioned aerosol model assuming spherically shaped aerosol particles and the well-known Mie theory.

The spectral profiles of α(λ) calculated by MaexPro are in good agreement with observational data and the numerical results obtained from the Navy Aerosol Model (NAM) and the Advanced Navy Aerosol Model (ANAM). Moreover, MaexPro was found to be an accurate and reliable tool for investigating the optical properties of atmospheric aerosols.     

对非球形冰晶94 GHz云雷达后向散射和衰减的研究

针对94 GHz毫米波云雷达的数据处理,基于离散偶极子近似法(DDA)计算了几种非球形冰晶的后向散射及衰减效率,探讨了不同冰云模型下冰云的雷达反射率因子(Z_e)和衰减系数(k)及冰水含量(IWC,记作W)的关系。结果表明:(1)形状对冰晶的散射及衰减效率与粒子大小有关。(2)在实际的冰云中,将六角形冰晶和椭圆冰晶看做同体积的球形粒子将低估其衰减和后向散射。将聚合物冰晶看做等体积球形,将高估其后向散射及衰减,子弹花冰晶的后向散射与同体积的球形相比有减小也有增大,但是衰减比同体积球形的小。(3)冰云模型对Z_e-k、Z_e-W关系具有较大影响,假设滴谱相同的条件下,得到了具体冰云模型下对应Z_e-k、Z_e-W关系的系数。这些探讨为我国W波段云雷达的数据处理提供了参考。     

Approximations of the scattering phase functions of particles

Based on anomalous diffraction theory and the modified Rayleigh-Debye approximation, a physically realistic model in bridging form is described to approximate the scattering phase function of particles. When compared with the exact method, the bridging technique reported here provides a reasonable approximation to the Mie results over a broader range of angles and size parameters, and it demonstrates the advantage of being computationally economic. In addition, the new phase function model can be essentially extended to other shapes and conveniently used in more complicated scattering and emission problems related to the solutions of the radiative transfer equations.     

参数化的多次散射激光雷达方程和它的反演理论 Ⅰ:方程

本文提出了一个参数化的多次散射激光雷达方程,该方程基于本文引出的四个因子,即几何消光因子、消光分布因子、前向散射因子和后向散射因子.前两个因子表征多次散射成分对大气消光系数分布、激光的发散角和接收视场角以及接收孔径的依赖关系,后两个因子表征多次散射成分对散射相函数的依赖关系.这个参数化多次散射雷达方程在241个数值试验中得以检验,这些试验包含很宽的大气条件和雷达几何参数,包括14个大气散射相函数,均匀和不均匀的大气消光系数分布,0.5至1之间变化的一次散射反照率,地基和空间站激光雷达两种情形.数值试验表明,在小于4的光学厚度内参数化的解和Monte-Carlo解之间的标准偏差小于27％,而本模式的计算时间比Monte-Carlo方法偏小4个数量级左右.本模式不仅适合于研究多次散射对激光回波信号和激光大气遥感的效应,而且对于考虑多次散射的激光大气探测而言,是一个合适的应用模式.     

Impact of aerosols on total columnar ozone measurements—a case study using satellite and ground-based instruments

Long-term record of global distribution of ozone during 1979 to 2001, from Total Ozone Mapping Spectrometer (TOMS), over a tropical urban environment has been analyzed and compared with ground measurements. Increase in atmospheric UV-absorbing aerosol loading has been observed after 1991. TOMS columnar ozone during 1979 to 2001 suggested a clear Gaussian pattern of minimum concentration in winter months and maximum in summer months. TOMS ozone showed good correlation with the ground measured columnar ozone during winter months and negative correlation with Sunburning Ultraviolet (SUV) (280–370 nm), UVA and aerosol optical depth (AOD).     

中国典型地区夏季气溶胶时空分布及其对云和降水的影响

利用2006—2016年夏季中分辨率成像光谱仪（Moderate-resolution Imaging Spectroradiometer,MODIS）气溶胶和云资料以及热带降水测量计划（Tropical Rainfall Measuring Mission,TRMM）降水数据,分析了中国8个典型地区气溶胶、云和降水的时空分布特征,探讨了气溶胶与云和降水的相互关系。结果表明：中国8个典型地区夏季平均气溶胶光学厚度（Aerosol Optical Depth,AOD）、云光学厚度（Cloud Optical Depth,COD）、云水路径（Cloud Water Path,CWP）、水云云滴有效粒子半径（Cloud Effective Radius Water,CERW）、冰云云滴有效粒子半径（Cloud Effective Radius Ice,CERI）和降水强度变化范围分别为0.21—1.05、15.01—24.02、151.98—219.20 g·m^-2、12.93—15.37 μm、28.85—39.14 μm和0.44—8.54 mm·d^-1;黄土高原和四川盆地AOD有显著降低趋势,年倾向分别为-2.30%和-3.20%,长江三角洲COD年增幅为29.11%,华北平原、长江三角洲和珠江三角洲CERI及塔克拉玛干沙漠CERW变化趋势分别为-21.60%、-15.77%、-18.94%和-10.31%;AOD与COD和CWP呈正相关,与云滴有效粒子半径（Cloud Effective Radius,CER）关系较为复杂,受水汽影响较大,在云层含水量较低的情况下,CERI（CERW）与AOD呈负（正）相关,而在云层含水量较高的情况下,二者呈正（负）相关;气溶胶和降水关系复杂,整体来看,气溶胶促进了中国地区的夏季降水。     

黄山地区春夏季气溶胶离子组分及其对云微物理特征的影响

利用2009年5-8月在华东地区高山——黄山顶取得的气溶胶和云微物理参数观测资料以及同期气溶胶离子成分数据,结合多种化学组分气溶胶绝热气块分档云模式,研究了黄山地区多化学组分气溶胶对云凝结核和云微物理特征的影响.气团轨迹和气溶胶离子成分的分析结果表明,3种气团影响着黄山地区气溶胶的化学组分,即北方大陆气团气溶胶富含CaCO3,局地污染气团气溶胶以可水溶性无机盐((NH4)2SO4、NH4 NO3)为主,而变性混合海洋性气团气溶胶中NaCl较多.数值模拟结果显示,在气溶胶谱一定时,不同天气形势下黄山气溶胶的化学组分的差异会对云微物理特征产生不同的影响.同一上升速度下实际多组分气溶胶模拟的云滴数浓度大于纯硫酸铵,主要体现在云滴谱第1个峰值3.3 μm之前;气块上升速度低于0.7 m/s时,含有较多不可水溶物质的混合气溶胶对云滴数浓度的影响较大;上升速度大于0.7 m/s时,气块中可凝结水增多,海盐对云滴数浓度增加的效果更显著.多组分气溶胶模拟云滴谱较纯硫酸铵窄,其中,北方气团方案造成云滴谱变窄的程度高于混合气团方案;而模拟的云滴数目增多,造成云滴有效半径减小,云光学厚度和反照率增加,将会对暖云降水及辐射效应产生不同的影响.