相对湿度对气溶胶消光系数的影响研究

论文总字数：17794字

目 录

摘要………………………………………………………………………2

ABSTRACT…………………………………………………………………3

引言………………………………………………………………………4

1. 激光雷达系统的探测原理……………………………………………4

1.1激光雷达简介………………………………………………………………………………4

1.2激光雷达方程………………………………………………………………………………5

1. 激光雷达数据反演消光系数的方法…………………………………6

2.1 Klett反演方法……………………………………………………………………………6

2.2 fernald反演方法…………………………………………………………………………7

1. 资料的获取及数据的反演……………………………………………8

3.1激光雷达资料的获取和处理………………………………………………………………8

3.2气溶胶消光系数的反演……………………………………………………………………9

3.3 相对湿度资料的获取……………………………………………………………………13

3.4 相对湿度廓线的反演……………………………………………………………………15

1. 实验结果的比对分析………………………………………………17

4.1气溶胶消光系数廓线与相对湿度廓线的对比…………………………………………17

4.2多日气溶胶光学厚度与相对湿度的对比分析…………………………………………21

1. 实验结论总结及原因分析…………………………………………22

5.1实验结论的总结…………………………………………………………………………22

5.2原因分析…………………………………………………………………………………22

参考文献………………………………………………………………23

致谢……………………………………………………………………24

相对湿度对气溶胶消光系数的影响研究

陈帅华

，China

Abstract：The hygroscopicity of aerosol is the basic physical and chemical property of aerosol, and has great influence on the optical properties of aerosol. Therefore, it is necessary to study the influence of humidity on the extinction characteristics of aerosol.The extinction coefficient of aerosols mainly includes scattering and absorption of two parts. The humidity mainly affects the aerosol absorption of light, which affects the extinction coefficient of aerosol. When the humidity of air is very high, the aerosol absorbs light very strongly, resulting in the intensity of light reaching the high altitude weakened, so that the propagation distance of light closer. The main purpose of this design is to study the correlation between relative humidity and extinction coefficient,that is, to study the relationship between the two.This research has great value of application , first of all, it has great application in marine science, and it playes a great role in promoting the development of ocean light transmission. Secondly, it can be applied to the navigation of the ship, which is of great help to the navigation of the ship. In addition can also be used in the airport, fog days relative humidity is high, resulting in the high of extinction coefficient,so that the visibility of the flight decreased in the aircraft down the process, easy to ground on the miscarriage of justice, affecting the safe landing of the aircraft..In this paper, the Klett and Fernald methods are used to invert the echo data from the mpl laser radar to obtain the aerosol extinction coefficient curve, compared with the low air humidity data obtained, found that relative humidity has a great influence on aerosol extinction coefficient.When the relative humidity is large, the extinction coefficient is also large, and there is a positive correlation between the two within the scope of the study.

Key words：Extinction coefficient;relative humidity; lidar;

引言

目前国外主要采取悬液计的办法研究气溶胶粒子相对湿度变化对消光系数的影响。这种方法通过研究吸湿后的粒子与干粒子的散射系数之比来表示吸湿增长因子，这样可以得到在实验条件下的消光系数，这种方法的主要优点是能对相对湿度和消光系数直接进行测量，测量值比较准确。然而这种方法需要对粒子进行加湿处理，改变了被测粒子的物理性质，与实际条件下粒子的消光特性有很大的出入。实际大气环境复杂多变，实验室的结果只能反映实验条件下消光系数与相对湿度的关系，并不能较好地反映实际大气中气溶胶粒子的消光特性。

激光雷达具有高时空分辨率、强抗有源干扰能力、较好的低空探测能力等优点，使得激光雷达逐渐成为研究气溶胶垂直结构以及时空演变的重要工具。Mie散射激光雷达既可以探测气溶胶的消光系数，也可以探测它的后向散射系数。本文主要研究运用Mie散射激光雷达对实际大气环境下高空气溶胶数据进行采集，数据采集后对回波信号进行分析处理，选择合适的反演方法进行反演计算，从而获得气溶胶的消光系数，并与获得的大气不同高度上的相对湿度进行对比，研究相对湿度对气溶胶的消光系数影响，并分析产生这种影响的原因。

1.激光雷达系统的探测原理

1.1激光雷达简介
“雷达”英文名称Radio Detection and Range，简称Rader，原意为"无线电探测和测距"，是一种通过发射机发射无线电波到达所测目标物，电磁波被目标物散射回来，被接收机接收，由此获得目标物信息的装置。常规气象雷达发射的信号通常为毫米波段和厘米波段的无线电波，而激光雷达反射的信号为激光。“激光雷达”英文名称Light Detection And Ranging，简称lidar，意为“光探测与测距”，是以激光为载体对大气进行探测的一种新型的遥感探测方式。激光雷达由激光发射机，接收机和信号处理装置三部分以及其他的一些辅助装置例如电源，天线等装置组成。它的严格意义上的表述为：发射激光传输到大气中，激光与大气分子或气溶胶粒子发生碰撞从而发生散射，后向散射回来的光被望远镜接收放大，被望远镜接受的光传到探测器上，经过光电转换变成电信号，存储在计算机中。激光雷达具有识别能力强、抗干扰性能好、盲区小、反应迅速、灵敏度和分辨率高的特点。

由于激光与大气中分子互相作用的机制多种多样，当尺度因子α=2πr/λ（其中r为散射粒子半径，λ为激光波长）远小于0.13时，我们认为此时为瑞利散射，当尺度因子α=2πr/λ大于等于0.13时，认为是米散射，当尺度因子α=2πr/λ远大于0.13（一般要求大于50）时，认为是几何光学散射。所以根据激光波长与探测物质的相对大小不同可以将激光雷达分为Mie散射激光雷达，Rayleigh散射激光雷达。此外还有Raman散射激光雷达，差分吸收激光雷达，共振荧光激光雷达等。拉曼（Raman）散射是大气分子间一种非弹性散射，也即入射光与散射光的波长不同。差分吸收激光雷达是将两束不同波长的激光发射到大气中，大气中待测气体成分对两者中的一种十分强烈的吸收，而对另一种基本不吸收，两束光散射回来的光强度不同，由它们的差值可以确定大气中待测气体成分的浓度。共振荧光激光雷达是利用待测原子或离子等在吸收入射光后发生能级跃迁，以光子形式放出能量，放出的光被激光雷达接收到，进行分析从而确定分子或原子的种类。

不过它们探测的大气物质又有所不同，Mie散射激光雷达主要用于探测大气中的气溶胶粒子，也可以探测尘埃粒子等颗粒物。Rayleigh散射激光雷达一般用于探测大气的中层温度和气体密度。Raman激光雷达主要用于探测大气中的水分，稀有物质，气溶胶等。共振荧光激光雷达主要用于探测高层大气中的原子、离子，例如探测高层大气的钾层，钠层。差分吸收激光雷达用于探测大气中的污染物，O₃，甲烷等。

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