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沙尘天气期间气溶胶光学特性变化特征大气气溶胶粒子可以通过散射、吸收太阳辐射和吸收、发射红外辐射直接影响地-气系统辐射能收支,对流层气溶胶通过直接辐射强迫和间接辐射强迫强烈地影响着气候系统。
沙尘天气下，大气中气溶胶含量变化较大，能够显著的影响沙尘区域内的辐射平衡过程，对全球气候和环境有着不可小视的作用。
研究沙尘天气间气溶胶的光学特性变化，对研究气溶胶的辐射影响有重要意义。
本文选取来自兰州大学干旱气候与环境观测站（SACOL）站点Level 2.0的数据，通过对比沙尘天气间与采暖期和非采暖期的晴天、降水后晴天的日变化数据，分析得出沙尘天气间气溶胶的光学特性变化，并初步探索其原因，得出以下结果：（1）采暖期：在沙尘期间，气溶胶光学厚度峰值(676nm)为1.20，Angstrom波长指数峰值为0.13；在晴天期间，Angstrom波长指数峰值为0.34，气溶胶光学厚度峰值(676nm)为0.59；在降水后晴天期间，气溶胶光学厚度峰值(676nm)为0.59，Angstrom波长指数峰值为1.14。
（2）非采暖期：在沙尘天气，气溶胶光学厚度峰值(676nm)为2.95，Angstrom波长指数峰值为0.07；在晴天气溶胶光学厚度峰值(676nm)为0.56，Angstrom波长指数峰值为0.99；在降水后晴天气溶胶光学厚度峰值(676nm)为0.39，Angstrom波长指数峰值为0.67。
（3）沙尘天气间气溶胶以粗粒子散射为主。
关键词：气溶胶；光学特性；气溶胶光学厚度；Angstrom波长指数；单次散射反照率第一章绪论1.1 研究的目的和意义大气气溶胶是指悬浮于大气中粒径小于10μm的微粒。
虽然气溶胶质量仅占整个大气质量的十亿分之一,但其对大气辐射传输和水循环均有重要的【1。
除温室气体外,大气气溶胶是造成地球气候变化最重要的大气成分之影响】【2。
大气气溶胶粒子可以通过散射、吸收太阳辐射和吸收、发射红外辐射一】直接影响地-气系统辐射能收支,从而影响区域乃至全球的气候及生态环境;气【1,溶胶粒子还可作为云的凝结核改变云的光学特性和生命期,间接影响气候】【3。
气溶胶光学厚度名词解释
嘿，你知道气溶胶光学厚度不？这玩意儿啊，就像是天空中的一层
神秘面纱！比如说吧，你看那雾蒙蒙的天气，有时候感觉眼前好像隔
着一层什么，那其实就可能跟气溶胶光学厚度有关系呢！它其实就是
描述气溶胶对光的衰减作用的一个指标呀！
气溶胶是什么呢？简单来说，就是空气中那些小小的颗粒呀，像灰
尘啦、花粉啦、污染物啦等等。
这些小颗粒会散射和吸收光线。
而气
溶胶光学厚度呢，就是用来衡量这些小颗粒对光的影响程度有多深的。
想象一下，这就好比是一条路，本来光可以直直地通过，但是路上
突然多了很多障碍物，光就得绕来绕去，或者被挡住一部分，对吧？
气溶胶光学厚度就是在告诉我们这条路上的“障碍物”有多少呀！它的
值越大，说明气溶胶越多，对光的衰减就越厉害。
所以啊，气溶胶光学厚度可重要啦！它能影响我们看到的天空的明
亮程度、颜色，甚至对气候都有影响呢！这可不是开玩笑的呀！你说
它是不是很神奇呢？
我的观点结论就是：气溶胶光学厚度是个很关键且有趣的概念，对
我们理解大气环境有着重要意义。
方法一： 1. 利用SPSS计算出大气光学厚度与大气参数（ρ0（大气的路径辐射项等效反射率）、S（大气下界的半球反射率）、T(μs)T(μv)(大气上行下行透过率)）的对应关系，据此建立查找表，然后利用多波段数据进行地气解耦，得到大气光学厚度。
2. 构建查询表利用6S 模型构建气溶胶光学厚度查询表，输入参数为：太阳天顶角，气溶胶模式，550nm波长处气溶胶光学厚度的等级，查找表计算的波段（第一和第三波段），海拔高度。
3. 数据预处理（1）重采样，为了加快运算速度和提高信噪比；（2）辐射定标，将图像的DN值转化为表观反射率。
4. 结果反演根据获得的表观反射率计算出NDVI（用于识别暗目标），利用获得的太阳高度角对查找表进行插值，得到要计算波段的不同大气光学厚度下的大气参数：ρ0、S、T(μs)T(μv)。
5. 图像平滑与成图输出在获得大气光学厚度后，对结果图像进行平滑处理，达到内插部分非暗目标点的监测值并抑制异常点的目的，采用9×9像元的距离加权平均的滤波方法进行；将结果导入ArcMap 中，进行叠加矢量图，分等定级以及添加图名图例等操作，制成专题图。
方法二：1. 对要反演气溶胶光学厚度的卫星图像惊醒地理和辐射率校正 2. 然后用MODTRAN模型模拟生成τ（气溶胶光学厚度）和ρ（地表反射率）的查找表
3. 接着判断卫星观测到的地表像元反射率Lobs与MODTRAN模拟的大气总辐射Ltotal是否相等。
4. 如果不等，就改变ρ，再用MODTRAN重新计算Ltotal，再判断是否相等。
5. 如果相等，则根据ρ和τ的关系曲线，由反演出的地表反射率ρmap，计算到气溶胶光学厚度分布τmap。
2.3 辐射传输模式基于大气辐射传输理论，人们发展出了许多种大气辐射传输的模式和算法。
特别是近二十年来，快速高效的辐射传输算法使得大气辐射传输模式能够面向更广泛的用户。
国外对辐射传输模式在模式本身的改进和完善上的研究近年来取得了较快的发展。
LOWTRAN系列是计算大气透过率及辐射的软件包，由美国空军地球物理实验室(AFGL)编写，其主要用途是为了军事和遥感的工程应用。
它以20cm-1的光谱分辨率的单参数带模式计算了0cm-1到50000cm-1(0.20μm到无穷)的大气透过率、大气背景辐射和太阳直射辐照度等参数。
MODTRAN将光谱分辨率提高到2cm-1。
但LOWTRAN和MODTRAN，都是以计算晴空大气条件下的辐射为主要目的，有关云的输入参数有限，比如只限定了几种云类，而没有比较具体的云性质参数，而且LOWTRAN中只使用了二流近似来计算多次散射，这就在很大程度上限制了辐射对云性质的敏感性研究。
为了提高LOWTRAN和MODTRAN模式处理有云大气辐射传输的能力并提供方便易用的软件工具，P.Ricchiazzi开发了SBDART(Santa Barbara DISORT Atmospheric Radiative Transfer)模式[45][46]，它是计算晴空和有云状况下地球大气和表面的平面平行大气辐射传输的程序包，包括所有影响紫外线、可见光和红外辐射的重要过程。
该程序包使用离散坐标法求解辐射常数方程，给出了完全稳定的解析解，可求解垂直非均匀、各向异性并含热源的平面平行介质中的辐射传输问题。
该程序包对基于Chandrasekhar公式的计算方法作了改进，用标准矩阵解法直接求取齐次微分方程组的特征值，提高了计算效率，而且，SBDART模式计算了热辐射、散射、吸收、下边界双向反射和发射等物理过程，非常适合对云雾参数进行研究分析，因此本文选用SBDART模式对云雾进行模拟。
2.3.1 SBDART的物理模型及其功能1)使用了六种标准大气廓线(热带、中纬度夏季、中纬度冬季、副极地夏季、副极地冬季、美国标准大气US62)。
能见度和浓度换算公式散射光在大气中散射传输时，符合Beer-Lambert 定律：0LI I e σ-= (1)I 是进入介质前的光强，I 是从介质张投射出来的光强。
σ为消光系数，L 为介质厚度。
若设0/I I ε=，则(1)式简化为：ln L εσ=-(2)(2)式中0/I I ε=即为大气透射比，也就是大气目标光的辐射衰减。
若将其取值为目标能见与否的分界值——人眼分辨对比阈值时，根据能见度定义，相对应的大气介质厚度L ，就是能见度V 或（气象光学视程MOR ）。
将介质厚度L 以V 进行代替，便得到大气能见度Koschmieder 定律公式：ln V εσ=-（3）其中V 为能见度，σ为消光系数；ε为对比视觉阈值，取值范围是0.02—0.05，通常取0.02。
当取0.02时，(3)式可以化为：3.912V σ=(4）变成了能见度和消光系数之间的关系。
假设介质厚度为L ，介质中的粒子浓度为ρ，粒子粒径为d ，当光穿越介质时，如图1所示I 0I....图1 光束穿越介质示意图根据Mie 散射理论，散射截面积A 为：24d A π=(5)带入到散射系数s u 、和吸收系数a u 的计算公式得：2(,,).(,,).4L L s sca sca d u Q m r Adr Q m r dr πλρλρ=⎰=⎰(6)200(,,).(,,).4L L a abs abs d u Q m r Adr Q m r dr πλρλρ=⎰=⎰ (7)其中(,,)Q m r λ为消光效率因子，是折射率m,粒子半径r 和波长λ的函数，其中ρ为浓度。
根据消光系数的定义，则消光系数σ为：2((,,)(,,))4la s abs sca d u u Q m r Q m r drπσλλρ=+=+⎰(8)将(8)式带入(4)式可得：223.9123.912((,,)(,,))((,,))44llabs sca ext V ddQ m r Q m r drQ m r drππλλρλρ==+⎰⎰(9)(9)式中，消光效率因子(,,)ext Q m d λ可由下式给出：212(,,)(21)Re()ext n n n Q m d n a b X λ∞==++∑ (10)这里，/x d πλ=是粒径参数，n a 和n b 成为Mie 系数。
激光雷达之回波信号激光雷达之距离平方距离平方为回波信号乘以距离平方，激光雷达之消光系数消光系数: 消光系数是被测溶液和胶体对光的吸收大小值。
大气能见度V与水平消光系数之间存在一个经验公式：σ（λ）≈3.912V (550λ)qkm−1,其中q={0.585V13⁄ V≤6km1.3 V>6km大气激光雷达距离校正对数回波函数定义为:S(r)=ln(P(r)∙r2)=−2∫σ(r)dr+lnβ(r)+C1r式中P(r)为回波功率，σ（r）是大气消光系数，β（r）为后向散射系数，C1为常数。
则大气消光系数的微分表达式为：根据回波信号功率求取消光系数。
σ(r)＝−12 dS dr然后利用最小二乘法对回波函数S（r）进行拟合，既得S（r）的曲线斜率，斜率的一半即为消光系数。
激光雷达之后向散射率在两个均匀介质的分界面上，当电磁波从一个介质中入射时，会在分界面上产生散射，这种散射叫做表面散射。
在表面散射中，散射面的粗糙度是非常重要的，所以在不是镜面的情况下必须使用能够计算的量来衡量。
通常散射截面积是入射方向与散射方向的函数，而在合成孔径雷达及散射计等遥感器中，所观测的散射波的方向是入射方向，这个方向上的散射就称作后向散射。
后向散射系数是表示后向散射截面与入射光截面之比，而后向散射率是指90°～180°角内光束散射的辐射通量与入射辐射通量之比，它们计算所得的结果应该是一样的。
激光雷达之退偏振比偏振电磁波照射降水质点后，其散射的电磁波的偏振波与全偏振波之比根据球形粒子的散射理论，假定散射粒子是球形的，且各向同性，当照射光为线偏振光时，散射光也是与入射光电矢量振动方向相同的线偏振光，而非球形粒子的散射光将不再是完全偏振光，也就是退偏振，可以利用其散射电磁辐射的退偏振信息，探测并区分球型和非球型粒子存在的比例，退偏振度定义为：垂直分量的散射波强度与平行分量的散射波强度之比。
偏振特性可以使用退偏振比(Depolarization Ratio)来衡量，比值应该小于1。
Koschmieder定律水平能见度水平能见度（horizontal visibility）是指视力正常的人在当时天气条件下，能够从天空背景中看到和辨认出的目标物（黑色，大小适中）的最大水平距离；夜间是能看到和确定的一定强度灯光的最大水平距离。
水平能见度与空气质量密切相关，可作为衡量大气环境质量的重要指标，其对航空、陆上和海上交通以及人们的日常生活都有影响。
定义水平能见度（horizontal visibility）是指视力正常的人在当时天气条件下，能够从天空背景中看到和辨认出的目标物（黑色，大小适中）的最大水平距离；夜间是能看到和确定的一定强度灯光的最大水平距离。
影响因子大气中悬浮着多种固体微粒和液体微粒，统称大气气溶胶粒子，它们是水平能见度的影响因子。
固体微粒固体微粒有的来源于自然界，如火山喷发的烟尘，被风吹起的土壤微粒，海水飞溅扬入大气后而被蒸发的盐粒，细菌、微生物、植物的孢子花粉，流星燃烧所产生的细小微粒和宇宙尘埃等；有的是由于人类活动，如燃烧物质排放至空气中的大量烟粒等。
它们多集中于大气的底层。
这多种多样的固体杂质，有许多可以成为水汽凝结的核心，对云、雾的形成起重要作用。
同时固体微粒能散射、漫射和吸收一部分太阳辐射，也能减少地面长波辐射的外逸，对地面和空气温度有一定影响，并会使大气的能见度变坏。
液体微粒液体微粒是指悬浮于大气中的水滴和冰晶等水汽凝结物。
它们常聚集在一起，以云、雾形式出现，不仅使能见度变坏，还能减弱太阳辐射和地面辐射，对气候有很大的影响。
理论研究Koschmieder定律Koschmieder定律是1924年Koschmieder提出的白天目标物视程理论，是确定白天目标物能见度的基础。
Allard定律Allard定律是Allard在1986年提出的大气灯光照度传输公式，它是测量夜间大气能见度的基础。
Mie散射理论计算大气能见度关键在于计算消光系数，Mie散射理论是计算消光系数的基础。
沙尘气溶胶观测及消光系数的反演某市是多发生沙尘天气的地区之一。
本文利用某大学半干旱气候与环境监测站的微脉冲激光雷达CAMLTM（CE-370-2，CIMEL&CNRS）观测资料，分析某市不同天气条件下的气溶胶（沙尘气溶胶）垂直分布特征。
并利用雷达方程对其进行反演，得到了气溶胶的光学参数—消光系数和光学厚度。
本文通过分析激光雷达资料和消光系数的变化特征，总结出以下的结论：春季晴朗天气中，沙尘气溶胶浓度低，随时间变化不明显，随高度变化比较稳定。
大气中的气溶胶集中在2000m以下，500m以下的浓度最高。
气溶胶最主要来源是人类活动。
沙尘天气中，气溶胶浓度很高，时空变化很明显，气溶胶最主要来源是沙尘。
沙尘气溶胶集中在2000m以下，沙尘过境前后的浓度时空变化彼此不同，分布范围不稳定。
关键词：沙尘气溶胶，激光雷达，消光系数第一章引言1.1 简介气溶胶是浮在大气中的固体和液体微粒与气体载体组成的多相体系，例如：尘埃、烟粒、云雾滴、冰晶和雨雪等。
沙尘气溶胶的来源是土壤、岩石风化、火山喷发的尘埃等，对西部地区来说，以土壤为来源的气溶胶最多，西部地区比其它地区容易发生沙尘暴，西部干旱地区的沙尘气溶胶浓度比其他地区的沙尘气溶胶浓度高。
每年的春季是西部地区沙尘高发的季节，原因是春季的气温逐渐回升、但降水仍然很少、气候干燥、风力较强、土壤解冻后造成表面疏松，容易被气流带起进入到大气中，严重者形成沙尘暴。
沙尘气溶胶的观测，一方面能够表示该地区大气中颗粒物的污染程度，另一方面则能够表示该地区的天气现象的发展变化和气候变化。
它的影响主要有：1.沙尘气溶胶对太阳辐射的影响。
气溶胶对太阳辐射具有反射、散射、吸收等作用，无沙尘和有沙尘的情况下太阳辐射变化很大，对沙尘气溶胶光学特征参数的研究能够助于研究沙尘气溶胶对太阳辐射的影响。
2.沙尘气溶胶对天气过程的影响。
在湿度足够的条件下，气溶胶粒子是成云到降雨过程中非常重要的因素，它起着凝结核、冰核、冰冻核、冰化核等作用。
大气气溶胶的光学特性参数测量与解析方法研究大气气溶胶是指悬浮在大气中的微小颗粒，包括尘埃、烟雾、雾霾等。
它们对光的散射和吸收作用，直接影响大气的能量平衡和可见光透过性。
因此，测量和解析大气气溶胶的光学特性参数，对于了解大气污染物的分布、来源和变化趋势具有重要意义。
光学特性参数是指描述大气气溶胶对光的散射和吸收能力的物理量。
这些参数包括散射系数、吸收系数和相函数等。
散射系数是指单位体积气溶胶对入射光的散射能力，吸收系数则是指单位体积气溶胶对入射光的吸收能力。
而相函数描述了散射光的方向性分布。
测量大气气溶胶的光学特性参数主要依靠遥感技术和地面监测技术。
遥感技术利用航空或卫星平台上的光学传感器，通过测量散射和吸收光的强度，推算出气溶胶的光学特性参数。
这种方法适用于大范围区域的监测，但受到气象条件、云层干扰等因素的限制。
地面监测技术则是在地面上设置光学仪器，直接测量气溶胶的光学特性参数。
常用的地面监测方法包括散射光谱法、吸收光谱法和多角度散射法等。
散射光谱法通过测量入射光和散射光的光谱分布，反推气溶胶的散射系数和相函数。
吸收光谱法则是通过测量入射光和透射光的光谱分布，推算气溶胶的吸收系数。
多角度散射法是一种比较先进的地面监测方法。
它利用不同角度下散射光的变化规律，反推出气溶胶的相函数和散射参数。
这种方法需要精密的仪器和复杂的数据处理，但可以提供更为详细的气溶胶特性信息。
解析大气气溶胶的光学特性参数是一个复杂且具有挑战性的任务。
在实际应用中，需要考虑光学模型的准确性、测量误差的影响以及数据处理方法的可靠性等因素。
此外，气象条件、地理位置和气溶胶组成等因素也会对测量结果产生影响。
除了测量，还有一些模拟方法可以用于解析大气气溶胶的光学特性参数。
比如，利用光学传输模型和气溶胶浓度观测数据，可以通过反演方法计算出散射系数和吸收系数。
这种方法不仅可以分析气溶胶的光学特性，还可以估计气溶胶对辐射场的影响。
总之，大气气溶胶的光学特性参数测量与解析方法研究是一个复杂而重要的领域。
