陆文强 1,2,3杨世植 1,2,3,*罗涛 1,2,3李学彬 1,2,3[ ... ]韩叶颜 1,2,3
1 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所中国科学院大气光学重点实验室，安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学研究生院科学岛分院，安徽 合肥 230026
3 先进激光技术安徽省实验室，安徽 合肥 230037
4 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所基础科学研究中心，安徽 合肥 230031
5 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所通用光学定标与表征技术重点实验室，安徽 合肥 230031
基于中分辨率成像光谱仪/云和气溶胶探测激光雷达（MODIS/CALIOP）的匹配数据集，提出一个分类神经网络进行透明卷云的识别，利用两个回归神经网络对透明卷云的光学厚度和云顶高度进行反演。结果表明，分类网络的精确度可达到84%，检测率达到79%。对成功识别的透明卷云参数进行了反演，得到透明卷云光学厚度的平均绝对误差为0.2，均方根误差为0.25，相关系数为0.79。对云顶高度进行了反演，得到云顶高度的平均绝对误差为0.61 km，均方根误差为0.74 km，相关系数达到0.87。本研究利用MODIS/CALIOP匹配数据集以及神经网络算法，可得到透明卷云的分布以及其参数特性，为其在南海海域上空的分布情况提供了数据支撑，有助于相关研究人员了解该地区透明卷云的分布情况，提高辐射计算的精度。
大气光学 透明卷云 中分辨率成像光谱仪 云和气溶胶探测激光雷达 神经网络 中国南海海域
1 安徽大学物质科学与信息技术研究院，安徽 合肥 230601
2 中国科学院安徽光学精密机械研究所中国科学院大气光学重点实验室，安徽 合肥 230031
3 中国科学技术大学研究生院科学岛分院，安徽 合肥 230031
为了研究海洋大气气溶胶不同模态的光学特性，基于球形粒子的Mie散射理论，综合运用能见度仪、自动气象站、光学粒子计数器（OPC）以及腔衰减相移式单散射反照率监测仪（CAPS）等设备，对广东茂名地区近海海域的大气气溶胶进行粗、细模态分类以及复折射率反演和研究。反演结果表明，在530 nm处，细模态气溶胶复折射率在相对湿度大于55%时约为1.35（±0.01）?0.019（±0.003）i，在相对湿度小于55%时约为1.37（±0.02）?0.020（±0.003）i；粗模态气溶胶复折射率在相对湿度大于55%时约为1.4?0.004（±0.002）i，在相对湿度小于55%时约为1.48（±0.02）?0.005（±0.002）i。不同模态的气溶胶粒子折射率差异明显，该结论对研究海洋气溶胶气候效应具有一定的参考价值，同时对建立茂名地区海域气溶胶模型具有重要意义。
大气光学与海洋光学 海洋气溶胶 Mie散射 复折射率 气溶胶谱分布 粗模态 细模态 激光与光电子学进展
2023, 60(21): 2101002
1 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所大气光学重点实验室，安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学研究生院科学岛分院，安徽 合肥 230026
3 中国科学技术大学环境科学与光电技术学院，安徽 合肥 230031
在中国南部热带海域，基于超声风速仪阵列测量的大气三维风速可计算得到速度结构常数，结合折射率梯度可计算得到折射率结构常数，其中温度和湿度对的影响是通过折射率梯度体现。将超声单点虚温估算方法的计算结果作为标定，与本研究的超声风速仪阵列估算方法的144次计算结果进行相关性分析，得到平均相关系数为0.85，最高可达0.99，最低为0.71；通过误差分析，可得平均为0.3。研究表明：超声风速仪阵列能够捕捉高频光学湍流效应的变化情况，利用超声风速仪阵列估算近海面光学湍流强度可以从风速、湿度、温度等不同方面分析湍流效应，实现在无人值守情况下对光学湍流的连续、长期的全天候观测。
大气光学 光学湍流 超声风速仪 风速结构常数 折射率结构常数
1 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所大气光学重点实验室, 安徽 合肥 230031
2 安徽大学物质科学与信息技术研究院, 安徽 合肥 230601
3 中国科学技术大学环境科学与光电技术学院, 安徽 合肥 230031
在海洋地区利用相干多普勒激光风廓线雷达反演可以得到边界层内全天候大气光学湍流廓线。采用机器学习方法-后向传播神经网络进行训练得到边界层光学湍流估算模型,以探空实测常规气象参数作为模型输入参数估算不同日期不同时刻的边界层内大气光学湍流廓线,并与实测值进行比较。通过误差分析可知,白天和夜晚的估算光学湍流廓线均方根误差分别为0.4332和0.5626,相关系数分别为0.8899和0.7673。该研究表明,相干多普勒激光风廓线雷达反演的光学湍流廓线可以通过神经网络模型实现全天候对海洋大气边界层光学湍流廓线估算的功能,且效果较好,在光电工程及天文选址方面具有重要工程参考意义。
大气光学 激光雷达 湍流廓线 大气边界层 机器学习 神经网络 光学学报
2022, 42(12): 1201004
红外与激光工程
2022, 51(5): 20210916
1 中国科学技术大学环境科学与光电技术学院，安徽 合肥 230026
2 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所大气光学重点实验室，安徽 合肥 230031
利用温度脉动仪在近海面测量的大气折射率结构常数，结合集合经验模态分解（EEMD）获得不同时间尺度的本征模态函数（IMF）分量，对IMF的周期进行分析，结果表明IMF的平均周期存在较高吻合度的自然指数关系，根据大气湍流各态历经性可以得到其空间尺度特征。对得到的IMF分量进行Hilbert变换，得到IMF在各自中心频率的瞬时波动情况，同时得到常规气象参数与的Hilbert-Huang变换边际谱。结果表明，对比传统的快速傅里叶变换（FFT），Hilbert-Huang变换更能体现出光学湍流的频谱分布特征。分析了不同层结的常规气象参数与的相关性，进一步认识近海面光学湍流时空特征。研究结果为海洋环境下激光传输提供一定参考价值。
大气光学湍流 集合经验模态分解 本征模态函数周期 Hilbert-Huang变换 边际谱 激光与光电子学进展
2022, 59(12): 1201001
巫阳 1,2,4罗涛 2,3,4,*刘常瑜 2,3,4,5张坤 1,2,4[ ... ]饶瑞中 1,2,3,4
1 中国科学技术大学环境科学与光电技术学院, 安徽 合肥 230026
2 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所中国科学院大气光学重点实验室, 安徽 合肥 230031
3 中国科学技术大学研究生院科学岛分院, 安徽 合肥 230026
4 先进激光技术安徽省实验室, 安徽 合肥 230037
5 安徽建筑大学环境与能源工程学院, 安徽 合肥 230601
通过改装多旋翼无人机 (UAV ) 和搭载各类载荷以及联合地基观测设备对大柴旦地区大气、环境以及气溶胶参数进行测量。利用获得的数据资料,对该地区近地层气溶胶粒子数浓度(即单位体积空气中气溶胶粒子的数目)、消光系数以及气象要素等特征进行了分析。结果表明,在大柴旦地区,近地层气溶胶粒子数浓度日变化显著,呈现双峰形态,气溶胶粒子数浓度的变化范围为75~220 cm -3,消光系数的变化范围为0.004~0.038 km -1;当风速小于6 m/s时,气溶胶粒子数浓度与风速呈负相关关系;当风速大于6 m/s时,二者呈正相关关系;相对湿度对气溶胶粒子的影响较小,这可能是由于该地区以沙尘型气溶胶为主,吸湿性较弱。本研究基于多旋翼无人机探测平台,可以有效地获得近地层精细化大气、环境结构,有助于研究人员了解该地区气溶胶的结构、变化特征以及建立气溶胶模式,同时也为气溶胶及大气环境参数探测方法提供了技术支撑及思路拓展。
大气光学 大气气溶胶 无人机 近地层 气溶胶粒子数浓度 气象要素
1 中国科学技术大学环境科学与光电技术学院, 安徽 合肥 230026
2 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所, 中国科学院大气光学重点实验室, 安徽 合肥 230031
3 先进激光技术安徽省实验室, 安徽 合肥 230037
4 中国科学技术大学研究生院科学岛分院, 安徽 合肥 230026
结合茂名外场观测数据以及气象要素再分析数据,对台风外围环流影响和局地海陆风环流(SLBC)影响下沿海地区的大气边界层(ABL)结构识别方法和特征规律展开研究。利用气象要素探空数据和微脉冲激光雷达(MPL)观测数据进行了大气边界层高度(BLH)识别方法的适用性分析,提出了一种新的基于微脉冲激光雷达的BLH识别方法,以有效提高复杂边界层结构情况下激光雷达识别BLH结果的准确性,进而分析了受大尺度和局地环流影响的ABL结构以及BLH的时空变化特征。结果表明:沿海地区在没有大尺度天气系统的控制时,局地SLBC的影响较为显著,会使ABL出现多层复杂结构,BLH表现出波峰和波谷交替出现的日变化规律;BLH开始增长的时间一般出现在白天的陆风-海风转换时刻,最大值一般出现在正午气溶胶层顶的位置,即2 km左右;BLH下降的时间通常伴随着夜间的海风-陆风转换,最小值一般出现在夜间残留层以下稳定边界层顶的位置,低至500 m左右。而台风外围环流控制下,局地SLBC引起的局地对流现象会被抑制,ABL昼夜交替的空气上升、下沉运动减弱甚至消失,整个ABL内气溶胶垂直分布较为均匀,BLH与气溶胶层顶基本重合,维持在2 km左右,BLH变化波动不大且没有比较明显的日变化规律。
大气光学 台风外围环流 海陆风环流 边界层结构 边界层高度 光学学报
2021, 41(19): 1901004
1 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所中国科学院大气光学重点实验室，安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学研究生院科学岛分院，安徽 合肥 230026
3 先进激光技术安徽省实验室，安徽 合肥 230037
4 中国科学技术大学环境科学与光电技术学院，安徽 合肥 230026
研究气溶胶辐射强迫和激光大气传输效应，需要掌握气溶胶光吸收特性参数及其垂直分布情况。提出一种基于实测与模式相结合的方法来估测垂直高度上气溶胶吸收系数分布。首先采用太阳辐射计和激光雷达观测的数据分别反演整层气溶胶光学厚度（AOD）和消光廓线，再将辐射传输计算软件moderate spectral resolution atmospheric transmittance algorithm and computer model（MODTRAN）和santa barbara DISORT atmospheric radiative transfer（SBDART）在相应气溶胶模式下的数据结果作为约束条件，得到气溶胶吸收廓线，并通过外场实验测量数据进行反演实验。结果表明，所提方法是可行的，可作为气溶胶吸收系数垂直分布有效获取的一种新的技术途径。
大气光学 气溶胶 吸收系数廓线 激光雷达 太阳辐射计 辐射传输 激光与光电子学进展
2021, 58(19): 1901001
大气气溶胶的光吸收特性是全球气候变化和区域天气的重要影响因素。 随着国家重大光电工程技术的快速发展, 近红外波段的大气气溶胶光吸收特性受到越来越多的关注。 基于光声光谱技术, 自行搭建了一套1 064 nm波长气溶胶光学吸收系数测量装置, 结合扫描电迁移率粒径谱仪对合肥近郊科学岛附近的大气气溶胶的光吸收系数和粒径谱进行了9 d的连续测量, 获取了气溶胶的光学吸收系数、 粒子数浓度及粒径谱的长时间测量数据。 基于测得的光吸收系数与粒子数浓度进行相关性分析。 结果表明, 当气溶胶粒径谱相对稳定时, 气溶胶光吸收系数与数浓度之间具有很好的相关性, 相关系数为0.62~0.99。 此外, 还观测到了夜间粒子的粒径增长过程。 在该时段内粒子数浓度相对稳定, 气溶胶粒子的平均粒径从120 nm左右增长到175 nm附近, 其吸收系数随着粒径的增长从6 Mm-1增加到17 Mm-1。 通过对吸收截面和粒子平均粒径之间的相关性进行理论拟合和分析可知, 该时段内的气溶胶粒子更接近于面吸收体。 最后, 结合环境质量观测站点给出的空气质量监测数据, 对测量期间出现的雾霾天、 晴天、 阴雨天等三种典型天气条件下的气溶胶粒子的光吸收系数和粒径谱的日变化测量数据进行对比分析。 分析结果表明, 三种天气条件下吸收系数和粒子数浓度的日变化趋势具有明显的气象特征: 雾霾时段, 环境中的粒子数浓度及其中的大粒子浓度逐渐增多, 光吸收系数增大; 晴天时, 附近道路上的机动车在交通繁忙时段的尾气排放使得大气中的细粒子在短时间内急剧增多, 导致光吸收系数显著增强; 雨天时, 降水对大气中的气溶胶粒子具有明显的清洗作用, 使得环境中的粒子数浓度显著减少, 导致其吸收系数变小。 实际大气气溶胶光吸收系数的观测与相关测量数据的比对和分析结果验证了所建立测量装置的可靠性, 也为近红外波段气溶胶光吸收特性的深入研究积累了经验。
光声光谱 大气气溶胶 光学吸收系数 1 064 nm波长 Photoacoustic spectroscopy Atmospheric aerosol Optical absorption coefficient 1 064 nm wavelength 光谱学与光谱分析
2020, 40(10): 2989
