基于OPAC的典型環(huán)境及氣溶膠的消光特性分析

王曉蕾，李慶輝

(國防科技大學(xué)氣象海洋學(xué)院，長沙 410073)

0 引言

氣溶膠是指懸浮在氣體中的固體和(或)液體微粒與氣體載體共同組成的多相體系。氣溶膠既可以通過散射和吸收太陽短波輻射直接影響地氣系統(tǒng)的輻射收支，還可以作為云凝結(jié)核改變云的微物理特征進(jìn)而對區(qū)域和氣候產(chǎn)生影響[1-6]。并且，氣溶膠的物理、化學(xué)以及光學(xué)特性會對云、降水和其他天氣現(xiàn)象產(chǎn)生影響[7-9]。準(zhǔn)確獲得大氣氣溶膠的光學(xué)特性也是計算氣溶膠輻射強(qiáng)度和估算氣溶膠氣候效應(yīng)的基礎(chǔ)。其中，消光系數(shù)是能見度測量的重要中間量，因此，氣溶膠消光特性的研究對能見度的測量有重要意義。

大氣能見度是氣象觀測的常規(guī)項目之一，是表征大氣光學(xué)狀態(tài)的重要參量[10，11]，較為常用的是水平能見度和垂直能見度。能見度的測量主要有目測和器測兩種，水平能見度和垂直能見度器測時通常選用不同的儀器，水平能見度以透射式和散射式能見度儀為主，而激光雷達(dá)由于抗干擾性強(qiáng)、分辨力高等優(yōu)點廣泛應(yīng)用于垂直能見度的測量[12，13]。能見度測量儀器的多樣性導(dǎo)致探測光源波長的多樣性，使得能見度測量時需要進(jìn)行消光系數(shù)的波長修正，其關(guān)鍵是探究消光系數(shù)的特定光譜修正模型。

目前認(rèn)為消光系數(shù)σλ隨波長λ的變化σλ=f(λ)滿足簡單的σλ=0.55σ0/λ，其中σ0為波長0.55 μm的消光系數(shù)[14]，但是不同的地區(qū)、不同的環(huán)境，由于氣溶膠成分、濃度以及大氣相對濕度的改變會產(chǎn)生很大的誤差。多波長消光系數(shù)還可以根據(jù)模式推導(dǎo)得到，但是，模式的波長參數(shù)和濕度參數(shù)一般都是非連續(xù)的，獲取的消光系數(shù)也是非連續(xù)值[15]。除了直接對消光系數(shù)隨波長的變化進(jìn)行研究，還有對表征吸收特性的吸收光學(xué)厚度與波長關(guān)系的探究[16-21]，認(rèn)為氣溶膠吸收光學(xué)厚度與波長滿足簡單的冪指數(shù)衰減規(guī)律，并且給出了黑碳、沙塵、生物燃燒等氣溶膠的吸收Angstrom指數(shù)，但并沒有對典型環(huán)境和獨立的氣溶膠成分進(jìn)行研究。對典型環(huán)境的吸收光學(xué)厚度研究中[22]，在氣溶膠吸收光學(xué)厚度與波長間近似滿足冪指數(shù)衰減規(guī)律的基礎(chǔ)上，針對不同環(huán)境進(jìn)一步討論該規(guī)律適用的氣溶膠類型、波長范圍以及相對濕度的影響，但是對于不同的典型環(huán)境，給出的定標(biāo)規(guī)律的使用波段不同。王金虎[23]等研究了氣溶膠組分的消光特性對氣溶膠濃度的變化，但僅僅給出了550 nm和1000 nm波長處的結(jié)果。在測量能見度時，需要進(jìn)行消光系數(shù)的波長修正。為了避免地氣系統(tǒng)長波輻射的影響，能見度測量儀器的光源一般選擇在短波波段，并且近紅外波段較多，因此主要對0.55～2.5 μm波段的消光特性進(jìn)行研究。文章在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上對不同典型環(huán)境以及氣溶膠成分的消光特性進(jìn)行探究，建立0.55～2.5 μm波段消光系數(shù)與波長、相對濕度的定量關(guān)系。

文章利用光學(xué)特性軟件包OPAC計算了多個相對濕度條件下陸地型、海洋型、沙漠型和城市型等多種典型環(huán)境的氣溶膠消光特性，對現(xiàn)有消光系數(shù)σλ隨波長λ的關(guān)系進(jìn)行修正。由于主動式能見度測量儀器需要考慮波長對消光系數(shù)的影響，因此文章的研究結(jié)果可以為不同相對濕度下不同典型環(huán)境的波長修正提供參考，為能見度測量時消光系數(shù)的特定光譜修正提供科學(xué)依據(jù)，能夠有效提高能見度測量的準(zhǔn)確性；同時，對于闡明Mie散射激光雷達(dá)探測氣溶膠的光學(xué)特性、分析現(xiàn)有Mie散射激光雷達(dá)在不同工作環(huán)境下的性能具有重要的研究意義。

1 仿真原理

1.1 OPAC

文章的仿真實驗通過OPAC軟件包實現(xiàn)，OPAC是氣溶膠與云光學(xué)特性程序包，此軟件包中的氣溶膠成分是對全球氣溶膠數(shù)據(jù)的統(tǒng)計結(jié)果，可以在8種相對濕度條件下提供6種水云、3種冰云和10種氣溶膠成分在0.25～40 μm的61個波長處的微物理和光學(xué)特性。實際大氣中的氣溶膠是不同成分的混合物，在OPAC中可以得到基本成分以及由基本成分所組成的典型環(huán)境氣溶膠的光學(xué)特性。OPAC假設(shè)氣溶膠為球形粒子，并且認(rèn)為所有的氣溶膠粒子的譜分布滿足對數(shù)正態(tài)分布，利用氣溶膠粒子的粒子譜分布和光譜折射率，基于Mie散射理論計算出氣溶膠的光學(xué)特性，共提供消光系數(shù)等16種不同的光學(xué)參數(shù)。

1.2 氣溶膠粒子譜分布

OPAC中內(nèi)置的氣溶膠粒子譜分布均滿足對數(shù)正態(tài)分布，其表達(dá)式為：

式中，N0是單位體積粒子總數(shù)；rgm是粒子峰值半徑；σgm是幾何標(biāo)準(zhǔn)偏差。

1.3 消光系數(shù)的計算

消光系數(shù)是大氣能見度測量的重要中間參量。根據(jù)Mie散射理論可知，由氣溶膠的復(fù)折射率m和譜分布n(r)，即可計算氣溶膠的消光系數(shù)：

(2)

式中，rmin和rmax是粒子譜的粒徑上下限，在實際計算中通常取0.1～10 μm。在OPAC的仿真計算中，認(rèn)為不同相對濕度條件下粒子譜不變，但是氣溶膠的復(fù)折射率會發(fā)生變化。由此計算不同條件下氣溶膠的消光系數(shù)。

2 結(jié)果和討論

針對大陸、城市、沙漠和海洋4類6種環(huán)境，利用OPAC計算0，50%，70%，90%，99%等5種相對濕度條件下的消光系數(shù)隨波長的變化(圖1)。

可見，6種典型環(huán)境的大氣消光系數(shù)隨相對濕度的變化而變化，同一波長處的消光系數(shù)隨著相對濕度增大而增大；并且相對濕度越大，消光系數(shù)的變化也越大，但是消光系數(shù)的變化趨勢以及波峰、波谷所對應(yīng)的波長值基本沒有發(fā)生變化，因而在進(jìn)行消光系數(shù)隨波長變化關(guān)系的研究中需要考慮相對濕度的影響。

圖1 典型環(huán)境在不同相對濕度條件下消光系數(shù)隨波長的變化(a)清潔大陸；(b)污染大陸；(c)城市；(d)沙漠；(e)清潔海洋；(f)污染海洋

氣象上常用的能見度概念即所謂的氣象視距RM，與可見光(中心波長0.55 μm)的消光系數(shù)的關(guān)系可由式(3)給出：

(3)

式中，σ0為波長0.55 μm處消光系數(shù)。

當(dāng)探測光源的中心波長為λ時，氣象光學(xué)視距應(yīng)作適當(dāng)訂正，可以用式(4)作為近似：

(4)

式中，σλ為波長λ處的消光系數(shù)。

由公式(3)(4)可知消光系數(shù)隨波長變化為：

(5)

但是通過OPAC的仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)，消光系數(shù)隨波長的變化不是簡單的滿足該式。以式(5)為基礎(chǔ)，定義消光系數(shù)隨波長變化關(guān)系的修正量Ecd，即：

(6)

為了避免地氣系統(tǒng)長波輻射的影響，能見度測量儀器的光源一般選擇在短波波段，并且近紅外波段較多，因此主要對0.55～2.5 μm波段的Ecd變化特性進(jìn)行分析(圖2)。

在0.55～2.5 μm波段，6種典型環(huán)境的Ecd可以分為兩類，第1類包括大陸和城市，Ecd的變化持續(xù)增大，在計算時可以將其分為0.55～1.25 μm和1.25～2.5 μm兩部分，并將其分別近似為線性增長；同時，在λ約為2.8 μm處，不同相對濕度具有相同的Ecd。第2類包括海洋和沙漠，此類變化簡單，Ecd呈指數(shù)衰減。兩類結(jié)合起來，Ecd可以表示為：

(7)

圖2 典型環(huán)境在不同相對濕度條件下Ecd隨波長的變化(a)清潔大陸；(b)污染大陸；(c)城市；(d)沙漠；(e)清潔海洋；(f)污染海洋

采用最小二乘法回歸擬合Ecd模型中的各參數(shù)。各種典型環(huán)境Ecd模型及其參數(shù)擬合結(jié)果分析計算如下：

1)第1類變化中，不同環(huán)境的k1隨相對濕度C的變化(圖3)，可以對k1進(jìn)行指數(shù)擬合。

k1=c·ei·C

(8)

圖3 不同環(huán)境下k1隨相對濕度的變化

相對濕度小于95%時，Ecd近似不變，即k2為0，當(dāng)相對濕度達(dá)到98%，k2的值不為0。即：

(9)

k1的擬合參數(shù)c，i以及k2值計算如表1所示。

表1 k1函數(shù)的擬合參數(shù)以及k2的取值

2)沙漠環(huán)境的Ecd在不同的相對濕度時基本相同，因此可以使用多個濕度條件下擬合參數(shù)的平均值作為擬合結(jié)果，計算結(jié)果為：k=0.386，b=-3.15，k0=-0.068。

3)相較于沙漠環(huán)境，海洋環(huán)境的變化雖然趨勢相同，但是不同的相對濕度下參數(shù)不同(圖4)。

對海洋環(huán)境Ecd的擬合參數(shù)，可用式(10)對k進(jìn)行擬合，用式(11)對k0進(jìn)行擬合，用式(12)對b進(jìn)行擬合。

k=aeb·C+ced·C

(10)

k0=c·ei·C

(11)

b=p1·C+p2

(12)

式中的各擬合參數(shù)的計算結(jié)果如表2所示。

圖4 海洋環(huán)境擬合參數(shù)隨相對濕度的變化：(a)k；(b)b；(c)k0

表2 海洋環(huán)境Ecd各參數(shù)的擬合參數(shù)

3 結(jié)束語

目前，能見度儀的探測光源波長主要處于近紅外波段，文章利用OPAC對該波段的典型環(huán)境在不同相對濕度下的消光系數(shù)進(jìn)行了計算，在原有的消光系數(shù)與波長的關(guān)系基礎(chǔ)上將典型環(huán)境分為兩類，建立了消光系數(shù)與相對濕度和波長的定量關(guān)系。不同的環(huán)境條件下，氣溶膠的組成以及含量會發(fā)生較大的變化，而OPAC中的氣溶膠數(shù)據(jù)是對全球測量數(shù)據(jù)的平均，因此利用OPAC計算得到的消光系數(shù)與波長和相對濕度之間的關(guān)系在實際地區(qū)應(yīng)用時可能會存在誤差，但是為改善能見度儀測量模型的環(huán)境適應(yīng)性提供了一定的科學(xué)依據(jù)和基礎(chǔ)。在進(jìn)行能見度測量時，應(yīng)進(jìn)行綜合觀測，根據(jù)實時測得的氣溶膠類型、相對濕度值，對應(yīng)采用文章所提供的氣象光學(xué)視程與消光系數(shù)的數(shù)學(xué)模型，有望提高能見度的測量準(zhǔn)確度，這在綜合氣象觀測即將普及時更好地利用觀測資料、提高保障效益具有重要意義。但是，由于OPAC數(shù)據(jù)自身在實際應(yīng)用時的局限性，在應(yīng)用時可以結(jié)合本地區(qū)的探測結(jié)果進(jìn)行比對校正。