基于OPAC的典型環境及氣溶膠的消光特性分析

王曉蕾，李慶輝

(國防科技大學氣象海洋學院，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的輻射收支，還可以作為云凝結核改變云的微物理特征進而對區域和氣候產生影響[1-6]。并且，氣溶膠的物理、化學以及光學特性會對云、降水和其他天氣現象產生影響[7-9]。準確獲得大氣氣溶膠的光學特性也是計算氣溶膠輻射強度和估算氣溶膠氣候效應的基礎。其中，消光系數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項目之一，是表征大氣光學狀態的重要參量[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，而激光雷達由于抗干擾性強、分辨力高等優點廣泛應用于垂直能見度的測量[12，13]。能見度測量儀器的多樣性導致探測光源波長的多樣性，使得能見度測量時需要進行消光系數的波長修正，其關鍵是探究消光系數的特定光譜修正模型。

目前認為消光系數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[14]，但是不同的地區、不同的環境，由于氣溶膠成分、濃度以及大氣相對濕度的改變會產生很大的誤差。多波長消光系數還可以根據模式推導得到，但是，模式的波長參數和濕度參數一般都是非連續的，獲取的消光系數也是非連續值[15]。除了直接對消光系數隨波長的變化進行研究，還有對表征吸收特性的吸收光學厚度與波長關系的探究[16-21]，認為氣溶膠吸收光學厚度與波長滿足簡單的冪指數衰減規律，并且給出了黑碳、沙塵、生物燃燒等氣溶膠的吸收Angstrom指數，但并沒有對典型環境和獨立的氣溶膠成分進行研究。對典型環境的吸收光學厚度研究中[22]，在氣溶膠吸收光學厚度與波長間近似滿足冪指數衰減規律的基礎上，針對不同環境進一步討論該規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境，給出的定標規律的使用波段不同。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波長處的結果。在測量能見度時，需要進行消光系數的波長修正。為了避免地氣系統長波輻射的影響，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波段的消光特性進行研究。文章在現有研究的基礎上對不同典型環境以及氣溶膠成分的消光特性進行探究，建立0.55～2.5 μm波段消光系數與波長、相對濕度的定量關系。

文章利用光學特性軟件包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境的氣溶膠消光特性，對現有消光系數σλ隨波長λ的關系進行修正。由于主動式能見度測量儀器需要考慮波長對消光系數的影響，因此文章的研究結果可以為不同相對濕度下不同典型環境的波長修正提供參考，為能見度測量時消光系數的特定光譜修正提供科學依據，能夠有效提高能見度測量的準確性；同時，對于闡明Mie散射激光雷達探測氣溶膠的光學特性、分析現有Mie散射激光雷達在不同工作環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，OPAC是氣溶膠與云光學特性程序包，此軟件包中的氣溶膠成分是對全球氣溶膠數據的統計結果，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境氣溶膠的光學特性。OPAC假設氣溶膠為球形粒子，并且認為所有的氣溶膠粒子的譜分布滿足對數正態分布，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特性，共提供消光系數等16種不同的光學參數。

1.2 氣溶膠粒子譜分布

OPAC中內置的氣溶膠粒子譜分布均滿足對數正態分布，其表達式為：

式中，N0是單位體積粒子總數；rgm是粒子峰值半徑；σgm是幾何標準偏差。

1.3 消光系數的計算

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

(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，認為不同相對濕度條件下粒子譜不變，但是氣溶膠的復折射率會發生變化。由此計算不同條件下氣溶膠的消光系數。

2 結果和討論

針對大陸、城市、沙漠和海洋4類6種環境，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隨波長的變化(圖1)。

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

圖1 典型環境在不同相對濕度條件下消光系數隨波長的變化(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)的消光系數的關系可由式(3)給出：

(3)

式中，σ0為波長0.55 μm處消光系數。

當探測光源的中心波長為λ時，氣象光學視距應作適當訂正，可以用式(4)作為近似：

(4)

式中，σλ為波長λ處的消光系數。

由公式(3)(4)可知消光系數隨波長變化為：

(5)

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

(6)

為了避免地氣系統長波輻射的影響，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變化特性進行分析(圖2)。

在0.55～2.5 μm波段，6種典型環境的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呈指數衰減。兩類結合起來，Ecd可以表示為：

(7)

圖2 典型環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。各種典型環境Ecd模型及其參數擬合結果分析計算如下：

1)第1類變化中，不同環境的k1隨相對濕度C的變化(圖3)，可以對k1進行指數擬合。

k1=c·ei·C

(8)

圖3 不同環境下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，當相對濕度達到98%，k2的值不為0。即：

(9)

k1的擬合參數c，i以及k2值計算如表1所示。

表1 k1函數的擬合參數以及k2的取值

2)沙漠環境的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的平均值作為擬合結果，計算結果為：k=0.386，b=-3.15，k0=-0.068。

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

對海洋環境Ecd的擬合參數，可用式(10)對k進行擬合，用式(11)對k0進行擬合，用式(12)對b進行擬合。

k=aeb·C+ced·C

(10)

k0=c·ei·C

(11)

b=p1·C+p2

(12)

式中的各擬合參數的計算結果如表2所示。

圖4 海洋環境擬合參數隨相對濕度的變化：(a)k；(b)b；(c)k0

表2 海洋環境Ecd各參數的擬合參數

3 結束語

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對該波段的典型環境在不同相對濕度下的消光系數進行了計算，在原有的消光系數與波長的關系基礎上將典型環境分為兩類，建立了消光系數與相對濕度和波長的定量關系。不同的環境條件下，氣溶膠的組成以及含量會發生較大的變化，而OPAC中的氣溶膠數據是對全球測量數據的平均，因此利用OPAC計算得到的消光系數與波長和相對濕度之間的關系在實際地區應用時可能會存在誤差，但是為改善能見度儀測量模型的環境適應性提供了一定的科學依據和基礎。在進行能見度測量時，應進行綜合觀測，根據實時測得的氣溶膠類型、相對濕度值，對應采用文章所提供的氣象光學視程與消光系數的數學模型，有望提高能見度的測量準確度，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數據自身在實際應用時的局限性，在應用時可以結合本地區的探測結果進行比對校正。