成都师范学院史地与旅游学院, 四川 成都 611130
为研究气象因素对成都市大气细颗粒物 (PM2.5)、可吸入颗粒物 (PM10) 的影响，收集了2015―2018年成都市PM2.5、PM10的月平均浓度，采用Pearson相关分析法，分析了成都市PM2.5、PM10与气象条件的关系。结果表明：(1) 2015―2018年，成都市PM2.5、PM10年平均浓度虽然年际间差别较小，但整体呈现逐年缓慢下降趋势，2015年以来成都市的一系列大气污染控制措施是PM2.5、PM10逐年缓慢下降的原因；2015―2018年成都市PM2.5、PM10浓度季节变化特征整体表现为冬季 > 春季 > 秋季> 夏季。(2) 不同气象因素对成都市PM2.5、PM10月平均浓度的影响程度不同，降水量与气温是影响成都市PM2.5、PM10月平均浓度的主要因素，两者与PM2.5、PM10呈较高的负线性相关，其中PM2.5、PM10与降水量的相关系数均为 -0.612，与月平均气温的相关系数分别为 -0.822、-0.776，降水会通过捕获大气中的颗粒物来去除PM2.5、PM10，而温度的升高会加强PM2.5、PM10等污染物在垂直方向上的对流运动，从而对成都市污染物浓度的降低起到重要作用；日照时数、月平均风速、相对湿度等与PM2.5、PM10月平均浓度整体也呈现负相关，但与降水量和气温相比，日照时数、月平均风速与PM2.5、PM10月平均浓度的相关性较低，而相对湿度与PM2.5、PM10月平均浓度的相关性则更加微弱，表明相对湿度的变化对成都市PM2.5、PM10的积累和扩散影响很小。
细颗粒物 可吸入颗粒物 气温 降水量 风速 fine particulate matter inhalable particles temperature precipitation wind speed
1 中国科学院 安徽光学精密机械研究所 中国科学院环境光学与技术重点实验室, 安徽 合肥 230031
2 合肥学院, 安徽 合肥 230601
3 安徽大学 物质科学与信息技术研究院 安徽省信息材料与智能感知实验室, 安徽 合肥 230601
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
静态散射光蕴含颗粒尺寸的特征信息, 因此静态光散射法是快速测量水体悬浮物粒度的有效手段。然而由于颗粒侧向和后向散射光微弱, 不易探测; 前向散射受艾里斑影响, 存在测量盲区, 导致静态光散射法的小颗粒粒度测量精度不足。提出水体小粒径悬浮物粒度低位异面扫描光散射测量方法, 以光电倍增管为探测器, 采用多角度连续扫描方式探测颗粒的光散射信息: 通过缩短探测器到样品池距离, 提高相同角分辨率下的散射光强度, 提升侧向和后向散射光探测灵敏度; 将探测器偏离激发光轴, 避开艾里斑盲区, 在不改变前角小角度测量精度条件下, 实现前向大角度散射光探测。在此基础上, 结合米散射模型, 实现小粒径悬浮物粒度测量。不同粒度样品实验表明, 方法能准确测量350nm至2μm范围内颗粒的粒度, 2μm、1.5μm、500nm和350nm标物D50的测量相对误差均不超过5.61%, 均低于标物不确定度的相对误差, 且优于实验室内激光粒度仪的测量结果。
光学测量 小粒径 悬浮颗粒物 粒度测量 静态光 低位异面测量 optical measurement small particle size suspended particulate matter particle size measurement static light low position out-of-plane measurement
1 南京信息工程大学大气物理学院，气象灾害预警与评估协同创新中心，江苏 南京 210044
2 南京牧镭激光科技有限公司，江苏 南京 210038
大气颗粒物是最重要的空气污染物之一，会对人类健康产生负面影响。激光雷达探测是实现颗粒物分布高精度测量的可行手段。气溶胶消光系数在一定程度上能反映气溶胶质量浓度的相对大小，气象要素对消光系数和质量浓度的影响不容忽视。本团队利用反演得到的消光系数，结合地面温度、相对湿度、风速、地面气压等地面气象要素，与PM2.5、PM10质量浓度建立数据集；通过主成分分析法计算数据特征，基于广义回归神经网络(GRNN)对PM2.5、PM10质量浓度建立评估模型。GRNN模型得到的PM2.5和PM10质量浓度的评估值与真实值的相关系数分别为0.86和0.85，均方根误差(RMSE)分别为2.58 μg/m3和10.84 μg/m3，平均绝对误差(MAE)分别为0.81 μg/m3和1.53 μg/m3。将GRNN模型应用于激光雷达扫描模式下，对南京市浦口区颗粒物质量浓度的水平分布进行了评估，评估值和实际站点测量值的一致性较好，进一步验证了GRNN模型用于颗粒物质量浓度评估的有效性。
遥感 气溶胶消光系数 颗粒物质量浓度 神经网络 气象要素 中国激光
2022, 49(17): 1710001
1 青岛海洋科学与技术试点国家实验室“观澜号”海洋科学卫星工程部, 山东 青岛 266237;
2 中国海洋大学信息科学与工程学部, 山东 青岛 266100
3 中国科学院上海光学精密机械研究所空间激光信息传输与探测技术重点实验室, 上海 201800
4 自然资源部第二海洋研究所卫星海洋环境动力学国家重点实验室, 浙江 杭州 310012
5 清华大学深圳国际研究生院, 广东 深圳 518055
垂向层化是海洋水体的基本特征之一,几乎所有海洋学科的测量与分析都需要直接或间接的剖面信息。激光雷达是目前唯一可以遥感方式获得百米级海洋剖面信息的手段,激光雷达水体回波信号主要受水分子与水体颗粒物吸收、散射作用的共同影响。从激光雷达的后向180°散射信号中反演水体颗粒物成分时,活体浮游植物及其降解物、无机颗粒(悬浮泥沙)、浮游动物、气泡等颗粒物在粒径、组分、形状、内部结构等方面的复杂性决定了水体光学特性的复杂性。180°处的体散射系数β(π)是激光雷达水体探测的基本参数,然而不同浮游植物颗粒的散射相函数在180°处相差10倍。目前的模拟仿真中采用的仅具有普适意义的Petzold体散射函数或Voss & Fry穆勒矩阵偏振参数,与具体的遥感探测水体的体散射函数或穆勒参数有很大的差别。针对这个激光雷达中最重要的基础性问题之一,也是主被动光学海洋观探测中的基本问题,进行了综述,并参考国际相关研究人员近些年的一些研究成果,试图提出后续应当重点解决的理论与技术问题。
光学学报
2022, 42(12): 1200001
1 河海大学自然资源部海洋灾害预报技术重点实验室, 江苏 南京 210098
2 河海大学海洋学院, 江苏 南京 210098
3 江苏科技大学船舶与海洋工程学院, 江苏 镇江 212100
基于2018年5月27日—31日长江口邻近海域的海洋科学综合调查,利用船载走航式表观光谱观测系统进行了定点及连续光谱测量,结合快速多参数水质仪和声学多普勒流速剖面仪同步观测结果,研究了悬浮颗粒物(SPM)的高频变化特征及其影响因素。研究结果表明,长江口邻近海域SPM浓度存在高频变化特征,且受潮汐作用影响显著。在退潮周期内,其浓度在定点站位内有明显的先上升后下降过程,且浓度高值与高流速相对应。断面走航观测显示,SPM在短时间内变化特征存在明显的空间差异。在水深较浅的区域中局地再悬浮过程的作用明显,且SPM浓度与流速之间有着良好的对应关系,而在水深较深、离岸较远的区域中SPM浓度的变化则可能与长江冲淡水过程相关。
海洋光学 悬浮颗粒物 走航光谱测量 高频变化
1 中国科学院安徽光学精密机械研究所中国科学院环境光学与技术重点实验室，安徽 合肥 230031
2 合肥学院生物食品与环境学院，安徽 合肥 230601
3 合肥学院先进制造工程学院，安徽 合肥 230601
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
5 安徽大学物质科学与信息技术研究院，安徽 合肥 230601
静态光散射法能够实现水体悬浮颗粒物粒度分布的快速检测，但测量精度易受背景干扰。传统的样品散射光减背景光方法无法有效消除背景干扰。提出了基于散射光基线的背景干扰消除方法，在样品散射光减去背景干扰的基础上，拟合出散射光强分布基线，进一步消除背景的干扰。120 μm及9.86 μm标准粒径样品的测量结果表明，相较于传统方法，120 μm样品的D10、D50以及D90的测量相对误差分别由56.9%、17.2%、8.1%下降到0.4%、0.8%、2.8%；9.86 μm样品的D10、D50以及D90的测量相对误差分别由17.2%、10.0%、0.1%变到11.6%、3.4%、0.1%。表明基线法能够大幅提升背景干扰的去除效果，提高颗粒物粒度测量的准确性。
测量 背景干扰 悬浮颗粒物 粒度测量 CMOS探测器
中国船舶重工集团公司第七一八研究所，河北 邯郸 056027
我国针对环境空气颗粒物污染治理的政策日益严格。为解决工业现场长期测量稳定性的问题，国内外研究者提出采用鞘流结构来制约颗粒物重叠和光腔污染的方案。从光腔结构、质量浓度计算方法和气路结构三方面入手，对传感器的测量精度和抗污染性进行优化。基于光学追迹，对光腔结构进行模拟，以实现散射光的最佳收集效果；通过修正特征参数，降低传感器的测量误差；设计简易内循环模式的鞘气保护结构，降低由颗粒重叠导致的测量误差并对光腔进行保护；研究上述结构下气体流速对总尘浓度（TSP）、PM10和PM2.5检测结果的影响，设置最优的气泵流量。实验结果表明，得到了高稳定性的气溶胶浓度传感器，可同时测量TSP、PM10和PM2.5的质量浓度，测量误差小于±5%。
传感器 光散射法 颗粒物浓度传感器 稳定性 鞘气保护 质量浓度计算方法 激光与光电子学进展
2021, 58(21): 2128002
1 南京信息工程大学电子与信息工程学院, 江苏 南京 210044
2 南京信息工程大学海洋科学学院, 江苏 南京 210044
3 福建省气象灾害防御技术中心, 福建 福州 350001
4 福建省灾害天气重点实验室, 福建 福州 350001
长江口青草沙水库是重要的饮用水源,其水质评估非常关键。为客观、科学地评估青草沙水库的水质状况,以水体悬浮物作为评估水质的一个关键参数,利用Landsat-8 OLI高空间分辨率数据开展了相关研究。采用与现场观测匹配的卫星资料,建立了青草沙水库悬浮颗粒物(SPM)的反演算法,利用现场观测资料进行精度验证,结果显示相关系数较高,均方根误差较小,由此表明该算法的反演精度较高,结果可信。利用建立的算法,对Landsat-8 OLI数据进行处理得到2013—2019年的SPM平均空间分布和时间分布特征。结果发现:河口范围内青草沙水库SPM浓度最低;水库上部SPM浓度随季节变化较大,在冬季最大,春季最小;水库中部与下部SPM浓度较低且变化很小。研究结果表明,长江口青草沙水库水体清澈,水质较好。
海洋光学 长江口 青草沙水库 悬浮颗粒物 Landsat-8 OLI 遥感反演 激光与光电子学进展
2021, 58(22): 2201001
