大气气溶胶消光特性和折射率的测量

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1、!第"#卷!第$期强激光与粒子束%&’("#，)&($!!$**+年$月,-.,/0123456235)7/538-942:25;6<=>(，$**+!文章编号：!"**"?@A$$（$**+）*$?*$*+?*@!大气气溶胶消光特性和折射率的测量李学彬，!胡顺星，!徐青山，!胡欢陵（中国科学院安徽光学精密机械研究所大气光学研究中心，合肥$A**A"）!!摘!要：!介绍了一种综合利用能见度仪、微脉冲激光雷达和光学粒子计数器测量大气气溶胶折射率的新方法。首先使用能见度仪和激光雷达测量出大气气溶胶的消光系数和消光后向散射比，然后使用粒子计数器测量出粒子谱分布，结合气溶胶粒子折射率，

2、根据球形粒子的米（;B=）散射理论，可以得到气溶胶消光系数和消光后向散射比。通过分析消光系数、消光后向散射比、粒子谱分布和折射率之间的关系，结合已知的消光系数和消光后向散射比，反演出大气气溶胶粒子的折射率。!!关键词：!大气气溶胶；!粒子谱分布；!消光系数；!消光后向散射比；!折射率!!中图分类号：!8)$@#!!!!文献标识码：!5!!大气气溶胶是大气物理化学过程中的一个重要因素，大气科学的很多领域都与气溶胶有关。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!C!DEB!B。折射率实部!D

3、主要与光散射有关，而折射率虚部!B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［"?$］［A］导致!B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［F］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

4、对这种方法的合理性进行初步验证。!"仪器和测量原理!#!"能见度仪（$%）!!能见度仪（<7"$G$"$*H，芬兰%IBJI’I公司）根据气溶胶粒子的前向散射特性测量气象光学视距（;03）。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（&KKJ=LKD=MN=OPQ）。再根据频率信号与;03之间的对数关系，计算出气象光学视距。需要说明的是：;03对应的识别目标的对比度阈值!C*(*F，而通常所说的能见度所对应的对比度阈值!C*(*$，所以;03乘以系数（""C’O（"R*(*$）R’O（"R*(*F

5、））就得到能见度#,。!#&"光学粒子计数器（’()）［T］!!74S?#$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T*U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*V"FWT(*!X的粒子分成"+档，其分档半径如表"所示。标定仪器使用的标准粒子是折射率!C"(F#E*V*B，直径为（*(+"Y*(*F）

6、!X的聚苯乙烯小球。表!"*+,-.&多道光学粒子计数器的名义分档半径/0123!")40553260578439:;;36<:57=5>03;:637<0;8=923;07==:?*+,-.&’()（!@!#A.BC#C=）PZIOO=’"$A@FT+H#"*"""$"A"@"F"T"+I=D&J&’[IDLBP’=DIBNJR!X*("F*($**($F*(A**(@**(F**(T**(+F"(**"($F"(F*$(**$(F*A(**@(**F(**T(**!收稿日期：$**T?*H?*#；!!修订日期：$**T?"$?*@基金项目：国家自然科学基金资助课题（@*@

7、+F*"#）作者简介：李学彬（"#H*—），男，安徽人，博士生，主要从事气溶胶方面的研究；’B]N=>BOH*""^QIZ&&(P&X(PO。0?-强激光与粒子束第3/卷!"#$微脉冲激光雷达（%&’）和雷达方程［"］!!微脉冲激光雷达采用二极管泵浦的固体激光器（如#$：%&’，#$：%()），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*+,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