随着对气候变化、环境监测、大气遥感等领域研究的深入,大气辐射传输研究的重要性日益凸显,往往需要进行辐射传输模拟,计算大气透过率、光谱辐亮度 等参数,进行部分气象要素的反演等,因此亟需发展快速精确、普遍适用的辐射传输模式。主要介绍了一种高度模块化、广泛适用的辐射传输 模式-ARTS(the atmospheric radiative transfer simulator),介绍了模式的研制背景、主要功能、计算流程、应用领域等,并给出了部分模拟 实例的结果。目前,该辐射传输模式已成功应用于Odin/SMR、MASTER与SOPRANO等探测器的正向模拟与反演系统。

为找出中国不同类型观测站点能见度的变化特征及其影响因素,对中国350余个气象观测站29年(1980～2008年)的能见度观测数据进行了分析,并使用人口密 度分布数据对观测站点进行分类。结果表明,我国大气能见度在1980年后呈现缓慢下降趋势,整体表现出西高东低的特征,且东部能见度逐年下降趋势显著。 能见度下降地区多集中于气候湿润或人口密度较高的地区,且人口越密集,能见度恶化程度越显著,低能见度事件发生频率越高。我国西北,包括内蒙、新 疆等人口密度较小、气候较为干燥的地区,其能见度呈现逐年好转的趋势,这可能与我国北方地区沙尘暴次数减少及强度减弱有关。我国华南能见度 下降幅度最为显著,人为经济生产活动可能是造成这一现象最主要的原因,而我国华北和华东的能见度变化的区域协同性正逐渐增强,从一个侧面反 映了该地区所面临的区域性污染加重的现象。

Sellmeier色散公式和扩展的Lorentz-Lorenz色散函数表达式是两种常用的描述不同温度条件下物质折射率与入射光波长的变化关系式。为了探讨两 者在计算光在水中色散问题的区别,运用两种不同的计算模型,在400～1100 nm波长范围内,4种不同温度下,分别模拟了蒸馏水中折射率、 群折射率、群速度色散及三阶色散随光波长的变化曲线,同时分析了由此两种不同理论计算模型给出的主要计算结果之间的差异。 结果显示,尽管由两种关系式计算得出的蒸馏水的折射率和群折射率基本相同,但群速度色散和三阶色散的结果却存在很大的差别。

利用谱反演法来模拟畸变相位屏,通过设定激光发射系统的特征参量,计算得出发射光的远场光斑与接收光的远场光斑的峰值Strehl比,并根据Pearson相 关性的定义,计算得出峰值Strehl比、相关系数大小随传输效应的特征参量(湍流效应特征参量D/r0、热晕热畸变参量Nd)变化趋势。分析发射光与接 收光的Strehl比的相对偏差,验证相关系数的合理性。通过分析其相对偏差和相关系数来研究发射光与接收光远场光斑Strehl比的差异性。

利用偏振激光雷达对南京2015年3月一次沙尘和细粒子污染共存过程的颗粒物垂直分布特征进行观测研究,结合地面气象数据、PM2.5和PM10质量浓度 数据、PM2.5组分数据、卫星MODIS测量结果,探讨不同颗粒形态下的气象因素、颗粒物浓度分布、组分特征以及颗粒物光学特性的时间演变和垂直分 布特征。结果表明:高湿、弱风等不利气象条件利于二次粒子的生成和累积,期间水溶性组分中SNA(SO2－4、NO－3、NH+4)等二次组分浓度明显升高;同一时期长距离输 入的沙尘发生的沉降对地面PM2.5化学组分构成显著影响, 3月21日下午时段至3月22日在1.1～2.5 km高度的沙尘颗粒物向地面输送造成地面PM2.5的Ca2+突 然增大到3.2 μg/m3; 3月22日下午以后在东南气流影响下,地面PM2.5向西扩散, PM2.5颗粒物浓度得到有效稀释,同时段出现了沙尘输入和扬尘过 程,扬尘过程和沙尘输入使地面的粗颗粒增多,PM10剧增至347 μg/m3;南京与无锡地区的颗粒物时空分布呈现高度相似的变化特点,具有区域性分 布特征。后向轨迹分析表明, 500 m、800 m及1000 m三个高度气团移动方向基本一致,主要从内蒙、京津冀、山东等地入海,后又经东海返回内陆抵达南京。

基于臭氧监测仪(ozone monitoring instrument, OMI)数据反演得到了京津冀地区2014年11月北京APEC会议前后5期的NO2整层柱浓度,结合HYSPLIT4气流后向轨迹模式对NO2污染 物的来源及传输路径进行模拟和分析。研究结果表明: APEC前后京津冀NO2垂直柱浓度空间分布极不均匀, APEC前高值、中值分别分布于京津周边及南部 地区,北部及西北处于低值区; APEC期间高值区集中于京津冀南部地区,呈由南到北递减的趋势; APEC后高值区范围向北扩展到京津地区的中南部。APEC期间 除京津冀南部的邢台、邯郸地区NO2浓度升高外,其他地区NO2浓度与会前一周相比平均下降42%。气流后向轨迹模式表明APEC前北京地区NO2污染 源主要来自于唐山、天津地区, APEC期间主要来自于俄罗斯、外蒙地区, APEC后主要来自于太原及京津冀西南地区。

利用OMI(Ozone Monitoring Instrument) NO2 2级数据产品通过采用面积权重得到OMI NO2对流层柱浓度网格化分布, 研究了中部地区3个代表性区域(工业集中区域,黄河流域,以及农业区域)2007～2014年NO2柱浓度时空分布特征。结果表明, NO2对流层柱浓度年均值在2009年最小, 2013年最大, 2014年相对2013年降低大于25%。同时分析了典型时间段(中国农历新年2月以及秸 秆焚烧6月)内3个区域NO2柱浓度变化特征, 2月期间3个区域柱浓度都有不同程度的下降,6月农业区NO2柱浓度上升约80%。NO2柱浓度相 对变化率进一步反映了3个区域NO2柱浓度近8年内的变化特征, 2008年年中至2009年年中工业区域以及沿河流域NO2柱浓度相对往年 同期都有高于15%的下降而农业区没有体现,但2014年以后3个区域NO2柱浓度都出现明显下降,下降比例都在20%以上。

利用OMI传感器获取了2005～2012年中国区域内的SO2柱浓度变化数据,并基于MODIS传感器获取了中国区域内的下垫面土地利用类型数据。应用空 间分析的方法,分别分析了中国区域内的SO2柱浓度与时间的空间关联特征,以及与土地利用类型的空间关联特征。通过研究发现,从空间和时 间区域来说,乌鲁木齐、京津冀、长江三角洲、四川盆地和珠江三角洲为SO2高浓度区;北方地区SO2浓度冬高夏低且峰值呈现逐年上升的趋势,南 方地区则呈现SO2浓度夏高冬低的特点。从土地利用来说,城市和耕地上空的SO2浓度较高,森林、草地和裸地上空的浓度较低。研究 结果表明,人类活动在行星边界层SO2分布和浓度变化中起关键作用。

介绍了一种基于现场可编程门阵列(field-programmable gate array, FDGA)的红外光谱信号采集系统实现方案,采用Altera公司的EP2C35系列 的FPGA为控制核心,完成多路模拟开关切换、A/D转换、数据 存取等功能,实现对64路红外光谱信号的采集。同时针对光谱仪输出的微弱直流信号,设计信号调理电路来抑制噪声,最后通过串口通信将数据传给上位机;简介了各 功能模块的实现方案,并进行了实验验证,结果表明该系统的精度和可靠性高,并且最小可检测到0.23 μV的微弱直流信号,实际信噪比达到45 dB。