1 北京林业大学水土保持学院, 北京 100083
2 中国林业科学研究院沙漠林业实验中心, 内蒙古 磴口 015200
沙尘天气事件作为一种危害性极大的灾害天气, 对我国西北干旱区生态环境影响显著。 借助于地面实测颗粒物数据、 MODIS影像数据、 OMI传感器影像数据、 CALIPSO激光雷达数据, 采用HYSPLIT模式对我国西北地区2016年一次典型沙尘事件时空演变特征进行研究。 首先, 基于PM2.5/PM10指数判断西北地区典型城市大气污染源性质以及污染情况; 然后, 利用MODIS影像MCD19-A2数据产品-气溶胶光学深度AOD数据、 OMI-Aura L3级OMAEROe数据产品-紫外吸水性气溶胶指数AAI数据和CALIPSO-Level1级数据, 分析大气气溶胶中沙尘水平空间分布特征; 最后, 借助HYSPLIT模式模拟沙尘气流后向轨迹, 确定区域内沙尘传送路径。 研究结果显示, 西北地区典型城市中西宁、 兰州、 银川在2016年4月30日—5月1日前后PM10指数均超过200 μg·m-3, PM2.5/PM10均小于0.6, 且处于较低值, 这表明是由于自然污染源影响导致空气中可吸入颗粒物含量上升, 可推测此次为沙尘暴事件影响; 大气气溶胶在沙尘事件发生期间呈现出明显水平变化特征, 沙尘事件起源于南疆盆地, 在5月1日至5月4日持续影响新疆南部和中部地区, 青海、 甘肃、 宁夏以及陕西部分地区也受到影响; 根据其变化可知, 塔克拉玛干沙漠是本次沙尘天气事件气溶胶污染形成的中心, 此次沙尘暴事件影响范围主要有新疆南部盆地和中部以及青海省北部地区; 通过对气流轨迹模拟结果来看, 2016年4月30日—5月1日沙尘暴事件通过偏西型路径主要影响新疆以及青海部分地区, 经分析可得其沙尘物质可能来源于南疆盆地、 新疆北部位于准噶尔盆地内部古尔班通古特沙漠以及境外哈萨克斯坦等地区。 这些研究结果将为抑制西北地区沙尘源地起沙过程、 保护生态环境可持续发展提供重要科学依据。
沙尘天气 遥感影像 大气气溶胶 沙尘运移 西北干旱区 Sandstorm event Remote sensing Atmospheric aerosol Dust migration Arid Northwest China 光谱学与光谱分析
2023, 43(6): 1862
1 中国科学院上海光学精密机械研究所航天激光工程部，上海 201800
2 中国科学院大学材料与光电研究中心，北京 100049
3 华中科技大学光学与电子信息学院，湖北 武汉 430074
4 生态环境部卫星环境应用中心，北京 100094
5 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
6 中国海洋大学信息科学与工程学部海洋技术学院，山东 青岛 266100
7 浙江大学光电科学与工程学院，浙江 杭州 310027
8 崂山实验室，山东 青岛 266237
为实现对全球气溶胶光学参数剖面的高精度测量，采用基于碘分子滤波器的高光谱分辨率探测技术。结合欧洲中期天气预报中心（ECMWF）的大气再分析数据集（ERA5）的温度和压强数据，选取在轨期间途经撒哈拉沙漠和加拿大山火区域的星载高光谱分辨率激光雷达（HSRL）的观测数据，对沙尘类气溶胶和烟尘类气溶胶的光学特性进行分析，包括气溶胶的后向散射系数、消光系数、退偏振比和雷达比。结果表明：撒哈拉沙漠地区近地面5 km以内的气溶胶分布主要以沙尘类气溶胶为主，其退偏振比集中在0.2~0.4，雷达比数值集中在40~60 sr；加拿大山火地区的气溶胶主要以烟尘类气溶胶为主，其退偏振比集中在0.02~0.15，雷达比在50~70 sr范围。激光雷达特有的高光谱探测技术，在气溶胶和云的精细化探测和分类方面具有重要应用，将在环境监测中发挥重要作用。
大气气溶胶 云 气溶胶光学参数 星载激光雷达 高光谱分辨率探测技术 光学学报
2023, 43(18): 1899901
1 长春理工大学 光电工程学院, 长春 130022
2 长春大学 电子信息工程学院, 长春 130022
针对传统米散射激光雷达结构复杂和设计成本高的缺陷, 提出一种用来探测大气气溶胶的便携式米散射激光雷达系统。首先设计了收发同轴的光学系统结构, 然后对光电探测器进行了独立设计, 最后基于系统结构搭建了可移动式米散射激光雷达实验平台, 对大气气溶胶进行了初步探测。实验结果表明: 采用设计的电源滤波器滤波后, 开关电源原始纹波电压幅度从0.1 V降低到了0.01 V内, 噪声幅值控制在0.1 V左右; 系统在白天、夜晚的斜程探测距离分别为4.5、6 km, 可以对特定区域的气溶胶进行实时监测。
大气气溶胶 激光雷达 系统设计 回波信噪比 atmospheric aerosol lidar system design echo signal-to-noise ratio
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物理化学实验室, 安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学信息科学技术学院, 安徽 合肥 230026
气溶胶通过散射或吸收长波和短波辐射影响着地球的气候系统。2-甲基甘油酸是一种气溶胶示踪剂, 在大气观测和成核实验中被多次观测到。而硫酸和甲磺酸作为非常重要的气溶胶前体物, 也受到广泛的关注。基于 DF-MP2-F12/VDZ-F12 结合 M06-2X/6-311++G(3df,3pd) 理论方法对 2-甲基甘油酸-硫酸/甲磺酸团簇进行了计算模拟, 分析了其在大气中的物理化学性质。结果表明 2-甲基甘油酸-硫酸团簇和 2-甲基甘油酸-甲磺酸团簇的吉布斯自由能具有相同的温度依赖性。2-甲基甘油酸-硫酸/甲磺酸团簇会优先蒸发 2-甲基甘油酸分子而不是硫酸/甲磺酸分子, 且随着尺寸增加,2-甲基甘油酸分子的蒸发速率迅速增加。此外, 还计算了 2-甲基甘油酸-硫酸/甲磺酸团簇的瑞利散射强度和极化率, 有助于理解此类团簇对大气光辐射的影响。
大气气溶胶 成核 瑞利散射 蒸发速率 atmospheric aerosol nucleation Rayleigh scattering evaporation rate 大气与环境光学学报
2022, 17(2): 213
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
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
1 西南科技大学极端条件物质特性联合实验室, 四川 绵阳 621010
2 西南科技大学理学院, 四川 绵阳 621010
3 西南科技大学制造科学与工程学院, 四川 绵阳 621010
大气气溶胶中重金属污染物能够对生态系统甚至人体造成不利影响, 因而对其中重金属污染物进行检测和分析是有必要的。利用激光诱导击穿光谱 (LIBS) 技术, 对持续收集 20 min 的大气 气溶胶进行金属元素的定性分析和有毒重金属的定量分析, 并重点研究了在本实验系统下气溶胶中 Cr 元素的 LIBS 分析谱线。 随后经归一化处理研究了大气气溶胶中 Cr 元素强度与中国环监总站公布的 PM2.5 和 PM10 含量之间的关系, 通过建立重金属元 素的定标曲线检测了气溶胶样品中重金属元素的含量, 并计算了相关重金属元素的检测限。实验结果表明, 大气气溶胶中含 有 Cr、Na、Mg、Al、Ca、Fe、Ba 等金属元素, 其中 Cr 元素谱线强度与中国环监总站公布的 PM2.5、PM10 数据成正相关, 尤其与 PM2.5 数据相关性更好。本实验建立的重金属元素定标曲线相关系数 R2 在 0.995～0.997 之间, 检测限在 1.9～3.6 mg/kg 之间, 表明该方法可以用于快速检测大气气溶胶中的重金属元素含量。
光谱学 快速检测 激光诱导击穿光谱 大气气溶胶 重金属污染 spectroscopy rapid detection laser-induced breakdown spectroscopy atmospheric aerosol heavy metal pollution
1 中国科学院安徽光学精密机械研究所环境光学与技术重点实验室, 安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学, 安徽 合肥 230026
利用地基激光雷达和CALIPSO卫星数据,选取廊坊地区清洁天、霾天和多云3种天气个例,对廊坊市气溶胶垂直分布特性进行对比分析,并判断污染物的可能来源。结果表明不同天气类型下两个激光雷达反演的消光系数廓线整体一致,相关系数高。清洁天气2 km以下有少量沙尘气溶胶,消光系数均小于0.2 km -1,退偏比集中在0.10~0.30,色比值集中在0.5~1.0,粒子非球形度高且粒径大;霾天在低空500 m以下聚集着球形度高的细粒子污染物,消光系数最高超过2 km -1,退偏比和色比值都较小,污染大陆型气溶胶和污染沙尘同时存在;多云天气下,垂直高度上只在出现云层的位置消光系数很大,廓线有尖峰,退偏比大部分小于0.02,色比集中在0.10左右,受到上升气流的影响,高空7 km以下都分布着少量沙尘气溶胶。
大气光学 大气气溶胶 CALIPSO 消光系数 垂直分布 中国激光
2019, 46(12): 1201003
1 中国科学院安徽光学精密机械研究所 中国科学院大气成分与光学重点实验室, 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230031
为研究海洋大气气溶胶粒子数浓度时空分布和粒径谱分布特征, 2014年8月至2016年3月期间, 利用光学粒子计数器和自动气象站等设备在广州茂名海边、东海和南海海域、三亚近海海域以及太平洋和印度洋海域对海洋大气气溶胶粒子数密度谱及大气温度、湿度、气压、风速等进行了测量。对不同海域不同气象条件下的谱分布特征进行了统计分析, 并对谱分布进行了拟合。结果表明海洋大气气溶胶粒子谱分布是由一个细粒模和一个中间模组成, 但近海的粒子数浓度大于远海。远海气溶胶粒子谱型稳定, 海面风力是引起粒子数浓度变化的主要原因。东海和南海的粒子谱分为二段, 小于0.5 ?滋m时用Junge谱的指数分布来描述, 0.5~4 ?滋m段用对数正态分布来描述。大风天气下海洋气溶胶的消光系数明显增加, 且在1~3 ?滋m波段的消光特征基本不受波长的影响。
海洋大气光学 大气气溶胶 粒子谱分布 消光系数 粒子数浓度 atmospheric and oceanic optics atmospheric aerosol particle size distribution extinction coefficient particle number density 红外与激光工程
2017, 46(12): 1211002
