大氣光譜學(xué)與Mie散射研究.pdf

1、人類在發(fā)展自身的同時(shí)也污染了我們賴以生存的自然環(huán)境。隨著工業(yè)的發(fā)展，大氣的污染情況越來(lái)越嚴(yán)重，各種污染現(xiàn)象接連不斷，典型污染包括氣體污染(如二氧化氮，二氧化硫等)和氣溶膠污染等。二氧化氮，二氧化硫之類的氣體會(huì)直接危害人們的呼吸系統(tǒng)，是造成酸雨的主要原因；而大氣氣溶膠對(duì)于人類來(lái)講有害有利，一方面它是形成降雨的必要條件，但另一方面又會(huì)給人體的健康帶來(lái)危害。所以必須對(duì)這些污染物進(jìn)行有效的監(jiān)控，光學(xué)方法是進(jìn)行監(jiān)測(cè)的理想方法，有靈敏度高，速度快，

2、可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的特點(diǎn)，且不會(huì)產(chǎn)生任何新的污染。 本文在對(duì)大氣環(huán)境的光學(xué)研究現(xiàn)狀調(diào)研基礎(chǔ)上，主要在以下方面進(jìn)行了大量的理論與實(shí)驗(yàn)研究工作首先研究了利用差分吸收光譜法監(jiān)測(cè)大氣二氧化氮濃度。該方法的研究在國(guó)內(nèi)得到了普遍重視。該方法建立在吸收定律之上，通過(guò)比較樣品光譜和參考光譜獲得二氧化氮吸收信息。關(guān)于二氧化氮的探測(cè)，一個(gè)重要的問(wèn)題是如何從比值光譜中區(qū)分二氧化氮吸收信息(快變信息)和其它所有消光信息的總和(緩變信息)，在過(guò)去的二氧化氮

3、濃度反演中緩變吸收信息的低階擬合多項(xiàng)式階次的選擇是任意的(通常二至五階任意選擇)，本文發(fā)現(xiàn)這會(huì)給反演帶來(lái)誤差，且多項(xiàng)式階次不同，誤差也不同，故本文利用二氧化氮吸收截面的相對(duì)形狀不應(yīng)發(fā)生變化的事實(shí)，提出利用非線性回歸法確定緩變吸收信息，使確定的緩變結(jié)構(gòu)更加準(zhǔn)確，從而提高了反演的精度，并獲得了成都和西嶺雪山地區(qū)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。還研究了用散射光反演二氧化氮總濃度的方法，利用散射光進(jìn)行監(jiān)測(cè)優(yōu)點(diǎn)是信噪比高，不需精確跟蹤太陽(yáng)，易于操作，但文章發(fā)現(xiàn)只有在

4、特定的散射角度下才能利用散射光進(jìn)行測(cè)量，采用該方法測(cè)得了成都地區(qū)的二氧化氮總濃度；還建立了一個(gè)利用瑞利散射光反演二氧化氮垂直分布的初級(jí)模型，該模型利用了散射光譜中二氧化氮吸收的強(qiáng)弱共同決定于二氧化氮總濃度和二氧化氮垂直分布的特點(diǎn)，并結(jié)合了一些簡(jiǎn)單合理的假設(shè)。利用該模型反演獲得了成都地區(qū)二氧化氮垂直分布，從反演結(jié)果來(lái)看，該結(jié)果能在一定程度上反映二氧化氮真實(shí)的垂直分布，但模型本身較為簡(jiǎn)單和粗糙，要精確確定二氧化氮垂直分布還需要結(jié)合大氣傳輸，

5、光化學(xué)反應(yīng)等信息。然后研究了利用Mie散射理論結(jié)合氣溶膠光學(xué)厚度的測(cè)量反演氣溶膠尺度分布和總濃度的方法。在過(guò)去的氣溶膠尺度反演中多是采用的非獨(dú)立模式，即根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果事先假定氣溶膠尺度分布符合某一函數(shù)形式(如負(fù)指數(shù)，對(duì)數(shù)正態(tài)等)，然后通過(guò)對(duì)比實(shí)測(cè)氣溶膠光學(xué)厚度和理論計(jì)算的氣溶膠光學(xué)厚度確定函數(shù)當(dāng)中的參數(shù)，以確定具體分布函數(shù)。另外由于Mie散射理論計(jì)算的復(fù)雜性，在計(jì)算中常不得不采用近似算法，這都會(huì)給反演結(jié)果帶來(lái)誤差。本文以嚴(yán)格的Mie散射理

6、論為基礎(chǔ)，研究了獨(dú)立模式下(即事先不假定氣溶膠尺度分布的形式)反演氣溶膠尺度分布和總濃度的方法。該方法將氣溶膠尺度分布函數(shù)離散，假設(shè)在每一個(gè)區(qū)間內(nèi)分布函數(shù)為一個(gè)常數(shù)，將這些常數(shù)的值確定后便可獲得氣溶膠尺度分布，問(wèn)題轉(zhuǎn)化成了解一個(gè)矩陣，但該矩陣高度病態(tài)，會(huì)導(dǎo)致的反演結(jié)果不可靠，所以文章分別采用了普通線性回歸法，模擬退火算法和遺傳算法進(jìn)行了反演模擬，通過(guò)模擬結(jié)果的比較發(fā)現(xiàn)遺傳算法最為適用。在此基礎(chǔ)上以飛機(jī)上采集的太陽(yáng)光譜為參考反演獲得了成都

7、地區(qū)氣溶膠尺度分布和總濃度。文章還作了詳細(xì)的誤差分析，討論了散射光對(duì)反演結(jié)果的影響，計(jì)算發(fā)現(xiàn)，在一般的大氣狀況下，散射光的影響可以忽略。本章最后一節(jié)還就反演中存在的一些問(wèn)題作了詳細(xì)討論。 最后文章還利用Mie散射理論和色度學(xué)理論計(jì)算了不同角度下單分散系球形微粒散射色度，給出了一幅0.1-10um半徑下所有散射角度上(0—180°)的球形微粒的高分辨率散射色度譜。在此基礎(chǔ)上模擬了“寶光”現(xiàn)象，以一次散射為前提，詳細(xì)討論了“寶光”

8、外形和霧滴尺度分布的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)決定“寶光”外形的是云霧層表面霧滴的尺度分布，表面大尺度霧滴含量越大，“寶光”越明顯，且色彩越豐富，反之亦然；在一般情況下，云霧是以小尺度霧滴為主，所以難以看到“寶光”現(xiàn)象，故在一定程度上可以根據(jù)“寶光”的外形定性判斷云霧層表面霧滴的尺度分布。還在一次散射的前提下模擬了天空光色度和大氣氣溶膠尺度分布的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)小尺度氣溶膠含量越大，天空將越接近蔚藍(lán)色；如果大尺度氣溶膠含量越大，天空色彩越是黯淡；關(guān)于天空光的