沙尘气溶胶消光特性的初步研究

沙尘气溶胶消光特性的初步研究1

刘菲，牛生杰

南京信息工程大学，南京（210044）

E-mail ：liufei03y@https://www.360docs.net/doc/8e4625302.html,

摘 要：初步研究了沙尘粒子的辐射特性。结果表明：沙尘气溶胶的散射效率因子、消光效率因子第一主峰的位置在0.1—1.0μm 之间，值约为4，并随着波长λi 的增大，第一主峰的位置移向大r 方向。吸收效率因子随着r 的增长而逐渐增大，并向1趋近。单次反照率0?

在粒径为0.1μm －1.0μm 之间时有最大值，约为0.97。粒径在0.1μm －0.4μm 的这一部分粒子对总消光系数的贡献最大。粒子在波长440nm 处的消光能力最强，随着波长的增大，粒子的消光能力逐渐减弱。气溶胶粒子各项消光参数对复折射率虚部的变化非常敏感。 关键词：沙尘气溶胶，效率因子，消光系数，单次反照率，复折射指数

中图分类号：P422

1．引言

气溶胶作为影响气候变化的一个重要因子，引起了全世界科学界的普遍重视[1]。沙尘气溶胶，或称为矿物气溶胶，是对流层气溶胶的主要成分。我国沙尘气溶胶主要来源于新疆、甘肃、内蒙的沙漠以及黄土高原等干旱和半干旱地区。近年来，中国北方频繁发生的沙尘暴事件引起了国内外的广泛关注，沙尘暴已成为一个重要的地球环境问题。

根据IPCC [2]报告，沙尘的平均寿命约4天，平均柱垂直积分含量约32.2mg/m 2，在550nm 波长处质量消光系数0.7m 2/g 。邱金桓等[3]采用激光雷达和光度计对1988年4月北京地区的三次沙尘暴天气过程进行了综合测定。“黑河地区地气相互作用试验研究”期间野外实测沙尘气溶胶资料的分析结果也表明，4月份沙尘气溶胶消光系数或光学厚度比10月份大得多，0.1-1.0μm 的粒子是最主要的消光粒子。牛生杰等[4-8]于1996年至1999年间的4月－5月深入沙漠源地(腾格里沙漠、巴丹吉林沙漠、毛乌素沙地)对沙尘天气进行了系统观测,并利用飞机观测沙漠地区气溶胶，系统分析了贺兰山地区沙尘气溶胶微结构。张文煜等[9]2001年4～9月份在腾格里沙漠沙坡头站进行地面多波段太阳直接辐射观测，研究表明该地区的气溶胶光学厚度在不同天气状况下的变化有很大差别。辛金元[10]等也对这次观测结果进行了分析。张仁健等[11]对2000年4月6日发生的特大沙尘暴期间沙尘粒子的分析表明：沙尘暴期间的粗粒子（d>2μm ）数浓度是尘暴后的20倍以上，细粒子（d< 2μm ）数浓度是尘暴后的7倍。方宗义等[12]根据卫星探测的特点，针对这次华北地区大范围沙尘天气，具体探讨了用星载扫描辐射仪监测沙尘暴的原理和方法。

由于气溶胶时空分布的不确定及粒子物理、化学特性的多变性, 加上观测资料的严重缺乏, 使得气溶胶成为当今环境与气候变化研究中一个既重要又难以估计的不确定因子。大气气溶胶对环境与气候变化的研究在很大程度上依赖于对其时、空分布状况的了解和其辐射特性的准确估计。其中气溶胶光学厚度、消光系数、散射系数、吸收系数等是表征大气气溶胶状况的重要物理参量, 是评价大气环境污染, 研究气溶胶辐射气候效应非常关键的因子。

2．原理介绍

大气气溶胶的尺度范围常取10-3μm 的分子团到101μm 的尘粒、云滴。在本文研究的范围内，沙尘粒子的尺度相对于可见光和近红外，需运用米散射理论来处理[13]。空气中的沙

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本课题得到高等学校博士学科点专项科研基金（项目编号：20050300002）的资助。

尘粒子可以近似地以球形粒子处理(实际测量表明沙尘粒子中有50%左右是球形粒子，采用等容球方法处理，仍可借用米理论进行计算) [14]。

大气质粒散射的计算，可归结为确定效率因子(包括散射效率因子Q s 、吸收效率因子Q a 、消光效率因子Q e )、单次反照率0?、消光系数e β等。消光效率因子Q e (χ,n )表示消光截面与相应的粒子几何截面之比，它是粒子尺度参数(2π)r χχλ=和复折射率n 的函数。

大气气溶胶粒子的折射率很少有直接的测量结果。国外V olz [15]把粒子质量与KBr 混合在一起；Lin [16]和Weiss [17]等人采用“累积板式法”。近年来，尉东胶 [18]提出了从宽谱太阳漫射辐射信息反演大气气溶胶折射率虚部的新方法。李放等[19]运用消光差方法反演了长春净月潭1990年和1991年不同天气条件下的复折射率，平均值分别为n =1.5208－0.0190i 和n =1.5071－0.0204i 。田文寿等[20]根据气溶胶折射率的有效媒介理论，利用兰州市区总悬浮颗粒物TSP 中元素碳的成分含量计算出兰州市区冬季大气气溶胶的复折射率平均值n =1.609－0.1i 。阎逢旗等[21]研究得到复折射率虚部和能见度之间的对应关系。结合同步测量的能见度，反演出大气气溶胶粒子的折射率虚部。对于本文研究对象――沙尘气溶胶，实部n r 和虚部n i 分别取1.53和0.008。下面我们就围绕这两个关键问题进行详细论述。

3．结果与分析

3.1效率因子

根据米散射理论，消光效率因子()n Q e ,χ具有随r 衰减振荡，并趋向于2的重要特性。从图1可见，Q e 的第一主峰的位置约在0.1—1.0μm 之间，随着波长λi 的增大，第一主峰的位置移向大r 方向。根据国内外的实测资料，恰在上面谈及的主峰区域，气溶胶谱常具有尖锐的峰值。因此，消光效率因子（消光系数）最能反映这一区域的谱特征[22]。但随着粒子半径r 的增加，消光因子的变化幅度逐渐减小，当r 大于5.0μm 后，消光因子Q e 对粒径r 逐渐失去敏感性，并逐渐趋向于2，即大质粒从入射光束中消除的光能量正好等于其横截面所阻拦的光能量的两倍。所以King 等人（1978）研究认为，消光法仅可较好地反演粒径在0.1至5.0μm 之间的气溶胶谱分布特征，特别是对0.1至1.0μm 的大粒子谱分布的反演结果更为稳定。

图2是散射效率因子Q s 随粒径r 的变化。从图中可见，Q s 的第一主峰的位置大约也在0.1—1.0μm 之间，随着波长λi 的增大，第一主峰的位置移向大r 方向。当粒径r 很小时，Q s 远小于1，即粒子散射的能力远比投射到它的几何截面上的能量要小。随着粒子半径r 的增加，Q s 也迅速增大，并且上升到接近4这一最大值。当r 大于4.0μm 后，Q s 的变化幅度逐渐减小并以阻尼振荡的形式慢慢收敛，逐渐趋向于1，即对于大粒子而言，散射效率是趋向于1的。这一变化是由于粒子的吸收性质造成的。

从图3吸收效率因子Q a 随粒径r 的变化可以看出，Q a 随着r 的增长而逐渐增大，并向1趋近。并且粒子的吸收特性在不同波段λi 上也有所不同，440nm 波段的吸收能力明显高于其它波段。同时结合图1和2可以看出，随着吸收的加大，Q e 和Q s 曲线上的振动逐渐减小，并且最终消失。

图4中用双对数坐标以440nm 上的数据为例，描述了散射效率因子随尺度参数χ的变化，揭示了散射效率因子的另一些特征。从图中可以看出，在χ接近1的位置，曲线的斜率约等于4。因为χ和λ成反比，这一斜率也表示散射和λ－4成正比。即瑞利散射的情形。

在图中可以看到，当χ值加大时（不论是因为粒子半径的增大还是波长的变短），曲线的斜率要减小，表示从瑞利散射过渡到米散射。当χ＝3.6时，Q s=4.1，为最大值。这表明当沙尘粒子的半径接近为波长的一半时，它的散射最为有效。

图1 消光效率因子随粒径r的变化

Fig 1 extinction efficiency varieties with r

图2 散射效率因子随粒径r的变化

Fig 2 scattering efficiency varieties with r

图3 吸收效率因子随粒径r 的变化 Fig 3 absorbing efficiency varieties with r

图4 散射效率因子随尺度参数χ的变化

Fig 4 scattering efficiency varieties with χ 3.2单次反照率

单次反照率0?代表光束受到散射的百分比，即总消光中散射消光的份数。这是最能反映气溶胶粒子散射消光特性的量。0?越大，表示粒子的散射能力越强。对无吸收的纯散射来说，0?＝1。

从图5可以看出单次反照率0?随粒径r 的变化特征。在粒径等于0.1μm 至1.0μm 之间

时，单次反照率0?有最大值，约为0.97，

这一结果与段民征等[23]获得的乡村型气溶胶0?的气候平均值接近。随着粒径的增大，

0?逐渐减小并且趋于0.5。这表明粒径在0.1μm 至1.0μm 的粒子具有较强的消光作用。D`Almeida G [24]认为：可见光波段占据了总太阳辐射能的很大

部分，大气沙尘粒子单次反照率0?在可见光波段甚至近红外谱段接近中性，即0?随波长的变化很小。这一点可从图中670nm 、870 nm 、936 nm 和1020 nm 波段的曲线看出。这四条曲线相互都比较接近。而440 nm 波段的曲线与之偏离的相对较远，这与单次反照率对复折射率虚部有很强的依赖性有关[25]。

图5单次反照率随粒径r 的变化

Fig 5 single scattering albedo varieties with r

3.3消光系数

气溶胶消光系数是指太阳直接辐射通过大气时受到的削弱程度。它的大小与气溶胶的种类和太阳直接辐射的波段有关，但总的来说是比较稳定的。

图6给出了不同尺度粒子对消光系数的贡献。可以看到，所有粒子的总消光系数和曲线下方的面积成正比，并且对总消光系数贡献最大的是半径在0.1μm －0.4μm 的这一部分粒子，消光的峰值出现在粒径约为0.2μm 处，36.0)440(=e βkm -1。随着粒径的增大，消光系数迅速减小，当粒径增大到1.0μm 时，消光系数已经接近于0。

其次，从消光系数随波长的变化可以看出，气溶胶粒子在440nm 处的消光能力最强，随着波长的增大，粒子的消光能力逐渐减小，而且波长440nm 处的消光系数较其它波长处减小的更快。但同时也发现，消光系数与波长的关系并不是单一的，这一点可以从粒径在0.4μm －1.0μm 这段曲线看出，在这个粒径范围内，各波长上的曲线相互交错，没有明显的规律可循。很多研究表明[26]，消光系数随波长的变化，一般都可以写为：

γλβ1

?=A e

其中A 为常数，指数γ可以从4（适用于瑞利散射和非常小的粒子）变到0（适用于雾对可见光或近红外的散射）。但是只有对非常大和非常小的粒子，这种依赖关系才能在较大的波长范围内表示为一简单函数。本文所研究的沙尘粒子则处于这个极值之间，从整个波长和粒径范围内来看，消光系数的变化仍然是有一定规律的。

图6消光系数随粒径r的变化

Fig 6 extinction coefficient varieties with r

气溶胶粒子的谱分布一般随高度变化不大，但其浓度却随高度按指数规律递减。取气溶胶消光系数随高度指数递减，这种垂直分布称为自然型。从图7可以看出，气溶胶消光系数随高度递减，并且递减的速率随高度的增加是减小的。在2km以下，消光系数值很大，βkm-1，而且递减的速率也很大，曲线的斜率接近于－6。在高度为2km以上，440

(=

)

.0

11

e

消光系数逐渐减小，在4km以上约为10－3量级，在6km以上已经减小到10－4量级。消光系数的减小是因为大气中气溶胶粒子浓度的减小。Bilfford 等[27]发现，从地面到高度约为5km的空中，粒径在0.5至2.0μm范围内的粒子有很稳定的混合。在该区域内，气溶胶的消光特性强烈的依赖于混合层内粒子的浓度及尺度分布。而0.5-2.0μm正是沙尘气溶胶粒子的高浓度范围，因此在5km以下，气溶胶的消光系数相对较大，而5km以上量级就非常小。

图7 消光系数随高度z的变化

Fig 7 extinction coefficient varieties with z

3.4复折射率虚部对消光特性的影响

在可见光波段，气溶胶粒子复折射率的实部变化较小，一般为 1.33

图8－12给出波长为670nm，复折射率实部n r＝1.53，虚部n i分别取为0.0、0.1、0.01、0.001、1和10，各光学参数随虚部的变化。

可以看到，当n i=0时，即在理想反射体、没有吸收的情况下，Q s（＝Q e）表现出一系列的主极大和极小，还有许多小脉动。随着复折射率虚部的增大，即吸收的增大，Q e和Q s 曲线上的振动大大减小并最后消失，对于大粒子，散射效率因子也趋向于1，但这时因为吸收效率的增大，总的消光效率因子仍趋向于2。总之，随着吸收的增加，消光效率因子将更快的趋向于2。

另外一个值得注意的是，当n i<1时，吸收效率因子Q a正比于n i，当n i接近于1时，Q a 有极大值，n i再大时，Q a反而随着n i的增大而减小。这是由于入射光很大一部分被粒子所反射，吸收效率因子又减小了。

图11和12分别描述了单次反照率和消光系数随虚部的变化。

从图11看出，当n i＝0时，即没有吸收的纯散射，粒子对入射光的衰减都是由于散射?＝1。随着吸收的增大，入射光被散射的比重逐渐减小。

引起的，

o

从图12可以看出，消光系数随着吸收的增强而增大，但是当气溶胶粒径达到0.3μm时，

β值随虚部的增大反而减小，这是由于此时粒子对入射光散射减小的幅度小于对吸收增加e

的幅度，并最终引起消光系数的增大。

图8 消光效率因子随虚部的变化

Fig 8 extinction efficiency varieties with n i

图9 散射效率因子随虚部的变化Fig 9 scattering efficiency varieties with n i

图10 吸收效率因子随虚部的变化Fig 10 absorbing efficiency varieties with n i

图11 单次反照率随虚部的变化

Fig 11 single scattering albedo varieties with n i

图12 消光系数随虚部的变化

Fig 12 extinction coefficient varieties with n i

4．结论

本文初步研究了沙尘粒子的辐射特性。通过对消光效率因子、散射效率因子、吸收效率因子、单次反照率、消光系数等的估算，对沙尘气溶胶辐射特性有了一定了解，为进一步准确构建沙尘气溶胶辐射模型作了必要准备。

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Primary Study on Extinction Properties of Dust Aerosol

Liu Fei，Niu Shengjie

Nanjing University of Information Science and Technology，Nanjing (210044)

Abstract

The paper analyzes the radiative properties of Dust Aerosol.The results show that the scattering efficiency and extinction efficiency of dust aerosol both appear a high value when radii is 0.1-1.0μm. The value is about 4. And the position of high value is in the direction of bigger radii when the channel λi increases. The absorbing efficiency increases with the radii increases and approaches 1. The highest SSA is about 0.97 when radii is 0.1μm－1.0μm. The aerosols with radii range from 0.1μm－0.4μm contributed significantly to the total extinction coefficient. The highest extinction capability is for 440nm wavelength. For the wavelengths longer than 440nm, extinction capability is lower. The aerosol extinction parameters are very sensitive to the imaginary part of complex refractive index. Keywords：Dust Aerosol,efficiency，extinction coefficient，single scattering albedo，complex refractive index

作者简介：刘菲，女，1980年生，硕士，主要研究方向是气溶胶。