（大气物理学与大气环境专业论文）基于近红外波段的大气粒子散射特性研究.pdf

基于近红外波段的大气粒子散射特性研究 摘要 本文主要分为三个部分，第一部分介绍了粒子散射问题的气象年物理基础，明确了所 讨论大气粒子的种类：气溶胶粒子、雾粒子、降水粒子；以及所讨论波段：近红外波段。 第二部分回顾井运用m i e 理论详细计算了球形近似下各种粒子的近红外散射特性。计算结 果表明，从相对散射强度、同一方向上不同粒子散射的可区分程度来看，在散射式能见度 探测仪器中，工作波长介丁i ：0 8 6 p 2 岬，探测角度选取前向2 5 度4 0 度时，探测的结 果将会是比较理想的。第三部分中，使用超椭球方程来统一描述各种非球形粒子的形状， 然后使用t 矩阵方法计算了一些形状的非球形粒子的近红外散射特性。另外，在本文中还 针对球形粒子的散射场提供了一种三维可视化方法，使对散射场强度的空间分布的理解更 加简单，直观。 关键词：嫩e 理论：t - m a t r i x 方法；大气粒子；近红外散射特性；散射场可视化 超椭球方程；非球形粒子 a n a l y s i so ns c a t t e r i n gc h a r a c t e r i s t i c so fa t m o s p h e r i c p a r t i c l e sb a s i n go nn e a r - i n f r a r e db a n d a b s t r a c t i nt h ef i r s tp a r t ，t h eb a s i ck n o w l e d g eo fp a r t i c l es c a t t e r i n gi nm e t e o r o l o g ya n dp h y s i c sw a s i n t r o d u c e d t h ep a r t i c l e st ob ed i s c u s s e di n c l u d ea e m s o p a r t i c l e s ，f o gd r o p l e t sa n dr a i n d r o p sa n d t h ee mw a v eb a n di nt h ed i s c u s s i o ni sn e a r - i n f r a r e d i nt h es e c o n dp a r t t h em i et h e o r yw a s b r i e f l yr e v i e w e da n dw a sa p p l i e dt oi n v e s t i g a t et h es c a t t e r i n gc h a r a c t e r i s t i c so fs p h e r i c a l a t m o s p h e r i cp a r t i c l e s ，t h er e s u l ts h o w st h a t i nt h ev i s i b i l i t ym e a s u r e m e n tm e t e ru s i n g f o r w a r d s c a t t e r i n gm e t h o d ，w h e nt h ew o r k i n gw a v e l e g t hi sb e t w e e no 8 9 m 2 i - t m ，t h es c a t t e r i n g a n g l ei sb e t w e e n2 5 4 0 0 ，t h ed i s t i n g u i s h a b i l i t ya n dt h er e l a t i v es c a t t e r i n gi n t e n s i t yw o u l db e b e t t e rt h a nt h o s eu n d e ro t h e rc o n d i t i o n s i nt h et h i r dp a r t ，t h es u p e r e l l i p s o i dw a su s e dt od e s c r i b e aw i d er a n g eo fs h a p e ss u c ha ss p h e r e s e l l i p s o i d sa n dc y l i n d e r s a ni m p r o v e dt - m a t r i xm e t h o d w h i c hc a nb eu s e dt oc a l c u l a t ea r b i t r ys h a p e dp a r t i c l e ss c a t t e r i n gf i e l dw a si n t r o d u c e d ，a n dt h e s c a t t e r i n g c h a r a c t e r i s t i c so fn o n s p h e r i c a la t m o s p h e r i cp a r t i c l e sw a si n v e s t i g a t e dw i t ht h i s m e t h o d av i s u a l i z a t i o nm e t h o do fs p h e r i c a lp a r t i c l e ss c t t e r i n gf i e l dw a si n t r o d u c e l t ，w h i c hm a d e t h eu n d e r s t a n d i n go f s c a t t e r i n gf i e l de a s i e r k e yw o r d s ：m i et h e o r y ；t - m a t r i xm e t h o d ；a t m o s p h e r i cp a r t i c l e s ； s c a t t e r i n gc h a r a c t e r i s t i c so f n e a r - i n f r a r e d ；s u p e r e l f i p s o i de q u a t i o n v i s u a l i z a t i o no fs c t t e r i n gf m d ；1 9 0 1 1 - s p h e r i c a lp a r t i c l e s 基于近红外波段的大气粒子散射特性研究 第一章简介 1 粒子散射规律研究的意义和应用 自从1 8 7 3 年麦克斯韦( m a x w e l l ) 建立电磁场基本方程以来，电磁波理论和应用的发 展已经有了一百多年的历史。目前，电磁波的研究已经深入到各个领域，应用十分广泛， 例如无线电波的传播、光纤通信和移动通信、雷达技术、微波、天线、电磁成像、地下电 磁探测、电磁兼容、无线网络、射电天文学，等等。电磁波在实际环境中的传播过稃十分 复杂，例如，各种粒子的散射，各种复杂目标的散射，复杂结构天线的辐射，在波导和微 带中的传播，实际通信中城市环境、移动目标、复杂地形及海面对电磁波传播的影响等等。 在气象领域，雷达，卫星对大气目标的遥测是获得气象目标信息的重要方法，这些方 法都是建立在气象目标( 主要是大气中的各种粒子) 对电磁波散射的基础之上的，这些技 术的应用又反过来促进了粒子对电磁波散射规律的研究。 此外，还有很多领域也对粒子的电磁散射特性有着浓厚的兴趣并纷纷研究利用之，比 如：医学影像学利用组织中的有机粒子对光的散射来分析组织状况；水利科学中用泥沙的 悬浮液对光的散射米分析泥沙的性质和尺度分布；天文学通过分析星际尘埃的电磁散射米 分析遥远星体的物理状况以及星际尘埃的厚度；军事科学中用粒子散射特征来设计、测最 并分析施放熘幕的效果等等。 总之，粒子对电磁波的散射规律是一个很多学科关心的问题，它的解决也要用到很多 学科的知识。所以粒子对电磁波的散射有着重要的研究价值和应用前景。 2 粒子散射问题的研究历史及现状 一 前已述及，粒子对电磁波的散射是一个很多学科都关心的重要现象，冈此。长期以来 各个领域的研究者对这个问题进行了细致深入的讨论。 二十世纪初由m i e ( 1 9 0 8 ) 提出并由s t r a t t o n ( 1 9 4 1 ) 加以总结的均质球形粒子在电磁 场中对平面波散射的精确解理论和计算公式，被广泛的应用于粒子的散射研究，虑j | = m i e 方法能得到粒子散射的解析解和精确的数值结果，多年来国外有许多学者发表了对m i e 散 射的数值解法。1 9 6 8 年d a v e 的算法是第一个完整的m i e 计算程序。1 9 7 6 年l e n l z 利用连 分式解决了递推不稳的难题。1 9 8 0 年w i s c o m b e 总结了前人的方案，改良了侄0 推算法井采用 向量结构运算进一步改进了m i e 算法。近年来，国内学者也发表了不少自己的观点，但是m i e 方法要求粒子严格为球形( s p h e r i c a l ) ，因而无法分折非球形粒子的形状和取向对散射的影 响。实际上，真实的粒子通常是非球形( n o n s p h e r i c a l ) 的，但由于m i e 方法的简捷和快速 的特点，很多人把非球形粒子的散射情况用该粒子的“等效”球形粒子来代替，这种方法 一直到非球形粒子的散射特性被仔细研究以后才逐渐被放弃。 无论是研究球形还是非球形粒子的电磁散射特性，实验和理论分析计算都是相辅相成 的重要手段。理论分析计算是需要结合粒子形状求解m a x w e l l 方程组的边值问题，只有在 粒子形状为特殊几何面时才有解析解，解析解有重要的指导意义，但是在很多情况下只能 获得数值解。随着计算机技术的发展，已经提出求解m a x w e l l 方程组的许多有意义的解法， 例如：矩餐法( m o m ) 、有限元法( f e m ) 、边界元法( b e m ) 、时域有限蒡分法( f d t d ) 等等， 基于近红外波段的大气粒子散射特性研究 已经形成了一门新的学科计算电磁学( c o m p u t a t i o n a le l e c t r o m a g n e t i s m ，c e m ) 。 l 鲁 毛盂 i 8 舌 2l h-tvc：oe【o；a。o皿、 o口i互g哩争 一 目日8目日口目， 一 ll=o gihi=目= 一 o - 口j d h口o；go 、 l女h_tso d 一 2 8g；od目口 一 u墨4idq目盘 一 量i目目目36= d 一 一om富一目。善召。o 基于近红外波段的大气粒子散射特性研究 螂韫媾哒蝾牛卓氍 硅邕精鼙犁帮圣=z 翠 攀廿 一暑q告善基-藉垂期鬈崮看管一攀0i坌fl翟留兰喾叁o|) 基于近红外波段的大气粒子散射特性研究 从以上c e m 的系谱中可以看出，本文讨论的问题属于止演问题( f o r w a r dp r o b l e m ) ，即根 据已知入射电磁波和粒子的情况，求解散射电磁波的情况。如果己知入射l 乜磁波平散射电 磁波的全部或者部分情况，求解散射体的部分或者全部信息的问题则是反演问题( i n v e r s e p r o b l e m ) 。从这一点上来可以作为今后进一步研究的个方向。 3 本文研究的目的和内容 r 幽是南京气象学院电子1 程系研制的前向散射式能见度仪的原理剀。 其中0 3 0 。所使用的是波长9 0 0 0 a 附近的近红外光。 图1 1 前向散射式能见度仪原理图 该仪器通过测鬣前向3 0 度左右方向上的散射光强度，使用其和入射光强的比值= | 计算 大气的能见度。所以，研究大气粒子的近红外散射特性对前期的仪器设计、后期的数据处 理及仪器改进都有着重要的作用。除此以外，粒子的红外散射特一眭还对研究k 波辆射在大 气中的传播规律有着重要的意义。 经过鹰阅大鼙文献发现： ( 1 ) 现有文献资料的结果大多是侧重气象目标对微波波段的电磁波f 常见波艮 3 2 c m ，5 6 c m ，1 0 7 e r a ) 的散射特性的研究，其中讨论的最多的又是后向散射特性和相关物理 规律，而不是前向散射的特性和相关规律。 一 ( 2 ) 由t - 微波波长较长，尺度参数石= 兰二较小，故基于微波波段的人气粒子散射 五 特性基本由瑞利散射规律支配( 当采用3 2 c m 波长雷达时需要进行适当订正) ；当讨论波段 为红外波段时，波长较短，尺度参数x 较大，若继续使用瑞利散射规律来讨论则误差较大， 此时需要j j 严格的m i e 散射理论来讨论，这是现有工作中缺少的。 由丁以上两点，很有必要详细计算基于近红外波段的大气粒子的散射特性。 本文将使刚两种方法计算大气中备种粒子( 气溶胶粒子、雾粒子、降水粒子) 的近红 外散射特性： 首先，使用m i e 理论计算球形近似下各种粒子的近红外散射特性。 然后，使剧t - m a t r i x 方法计算各种非球形粒子的近红外粒子的散射特性。在非球形粒 子的散射特性讨论中，使用超椭球体方程描述非球形粒子，可以获得各种常见的轴对称的 ( a x i s y m m e t r i c ) 非球形粒子的散射特性。 另外，为了更好的理解散射场强度的空间分布，引入了一种散射场的二维可视化方法， 使对散射场的强度和方向的特性的理解更加简单，直观。 基于近红外波段的大气粒子散射特性研究 第二章粒子散射问题的气象及物理基础 1 大气中的粒子 除了气体成份以外，大气中还悬浮着大量固体和液体粒子。通常又将半径小于儿十微 米的固态微粒叫做火气气溶胶。其它则分别称之为雾滴、云滴、冰晶、雨滴以及冰雹、霰 和雪花等同态降水粒子。 大气中的粒子群具有多种复杂的物理化学特性。不仅形态多变，而且粒子的尺度根宽。 小至商径仅1 0 “微米量级的分子团，大到近1 0 到几十厘米左右的特人冰雹。气溶胶一般 包含半径约0o o l 微米的离子到约儿十微米的巨粒子，基本上是蚓体粒子，或是吸收大气 水汽在表面上形成一薄层液态膜。云雾中粒子由液态水滴和冰品组成，其尺度在1 微米到 l o o 微米左右，当超过l o o 微米后，就开始形成降水粒子，降落到地面。 大气中粒子群对于云雾降水的形成、大气污染、大气能见度等光学特性、虹、晕、华 等光象的形成、人气辐射传输与地气系统辐射收支，大气遥感信号传播等过程的影响根人， 因此，它是人气物理学中一个重要研究对象。 1 1 大气气溶胶 大气中的气溶胶是由自然过程和人类活动两部分所造成的。自然源包括火山尘埃、宇 宙尘埃、海水溅诛、花粉与种子、地面尘埃、沙暴、林火烟灰以及由光化反应形成的酸性 粒子。人：j ：源是由 ：业、交通、农业、建筑等直接排放到大气中的尘埃与污染气体的光化 学反应形成的粒子。这些粒子的半径范围约为o o o l 微米到2 5 微米，其数密度为1 0 到1 0 厘米而质量浓度为1 微克米3 到2 0 0 0 微克米3 。 大气气溶胶按其大小可分为三种。半径小于o 1 微米的叫爱根核，、f 径在o 1 到1 o 微米之间的叫大粒子，而半径大于1 微米的叫巨粒子。在不同地区，这些粒子的数密度有 很大差别。城市地区的数密度比极地或背景值可以大1 万倍以上，主要是爱根核和人粒子 数浓度火，这说明大部份由污染气体转换而成。当发生沙暴时，巨粒子浓度可以增加l 千 倍以上。 对于气象分析来说，我们最关心气溶胶以下三个理化性质，即：粒子尺度谱，粒子化 学组成，和光折射指数( 即光折射率或复折射指数) 。 1 1 1 粒子尺度谱 大气气溶胶粒子尺度谱通常用对数半径微分的积分分布来表示，数密度n ( r ) 表示为 基于近红外波段的大气粒子散射特性研究 n ：旦 d l g r ( 2 1 ) 其中n ( r ) 是半径小于r 的气溶皎粒子的总浓度。 1 1 2 粒子的化学组成 人气气溶胶粒子的化学组成变化很大。随来源不同而有很火著异。人体上可以分成五 种基本组成：矿物质、海盐、烟煤、气体转换物或水溶性物、火山灰。火陆性粒子主要与 源地地表与土壤成份有关，大部份由其矿物元素( 铕、钠、钾、钡、钕、镧、铈、硅、钐、 钍、铝等) 组成。r ：业城市粒子大部份来源于城市污染气体的转换，其中主要是s 魄、n o ，、 n 如等污染气体转换成酸性粒子。城市粒子也含有矿物元素，但和大陆粒子不同，它主要来 源于：】：业交通污染的各种元素( 氯、钨、银、锰、镉、锌、锑、镍、砷、铬等) 。海洋性粒 子则主要由氯化钠、氯化钾、硫酸铵等吸湿性物质组成，都是水溶性物质。处丁正常状态 卜的平流层，其粒子也主要由气体转换而形成。主要成份是硫酸和硫酸铵等。当有火山喷 发，大量火山灰将成为平流层粒子的主要组成。 1 1 3 粒子的光折射率 光折射率是描述气溶胶粒子光学性质的个重要物理量。一般的，这是一个复数量 m = 聊。+ i m( 2 ，2 ) 实部m ，主要描述粒子对辐射的散射特性，虚部m 。( 1 0 9 0 表示右旋偏振，卢 p o 线偏振光 q 2 + u 2 q u 0 1 全偏振光 q 2 + u2 + 矿2 q c ， y 1 一1 5 、j 匕、7然自 l 0 o o + ) 光振啸 全 il卜；ilj l q u 矿 基于近红外波段的大气粒子散射特性研究 第三章球形粒子的近红外散射特性研究 1 球形粒子对电磁波的散射与吸收的m i e 理论 入射光照射一个粒子粒子把入射光能量的一部分向各个方向散射，散射光方向与入 射光方向的交角曰称为散射角散射光与入射光组成的平面称为散射平面。把入射光和散 射光的电振动分解成两个分璧，一个与散射平面平行，这个方向的单l ：7 ：向耸为i ：一个与 散射平面垂直，这个方向的单位向量为i 对散射过程的完整描述是把散射光的斯托克斯与入射光的斯托克斯参量之间的关系表 达出来。若入射光的斯托克斯参量为厶，q 0 ，砜，v o 。它在f ，而方向的光强分别为：l ，和，。 拈掣k ：掣 在离散粒子中心r 处，散射光的斯托克斯参量为：l , q 。，u ，k 。它在i 鼋元方向的光 强分别为：i 。和，。 ，：幽，：g 二堡2 册 按( 2 柳式取f = 彪一研十蜗，传播常数七= 等，圆频率印= 等，九为波长，t 为 周期，l 为屯磁波传播的距离，t 为时间，入射光的电振动为 民= t e o 。c o s f - f 元毛c o s + ) ( 2 4 ) 离散粒子中心r 处，散射光的电振动为 巨= 动，岛，c o s ( f + 4 ) + 剃。e c o s ( ( + + 瓯) ( 3 1 ) ( 3 1 ) 式中的a ，a 。，代表散射后电磁波振幅的变化，它们和散射粒子的物理性质，散射角 e 入射光波长等因素有关。点，瓯代表散射过程给电磁波分量产生的位相差，这两项不一定 基于近红外波段的大气粒子散射特性研究 相等，取瓯= 瓯一4 ，卣= f + 4 ( 3 1 ) 式可改写成 按( 2 1 1 ) 式 丘。= i a , e o ，c o s ( 1 + 初。岛。c o s ( 卣十+ 占。) ( 3 2 ) l ：群爵：群k ：姜也+ q 0 ) l ：群瓦：彳厶。：嬖( 厶一q 0 ) u = 2 4 4 瓦i 忑嗣 ：4 a 2 e o , e o , , c o s ( , o oc 。s 疋一2 e o , e o , , s i n q ，os i n 皖】 = 4 4 ( u o c o s 8 , 一v os i n 6 ；) k = 2 4 4 瓦瓦忑嗣 = 4 4 【2 可丽s i n8 ：+ 2 e o , e o s i n ( p oc o s 副 = 4 4 ( u o s i n 6 , + v oc o s , 5 ：, ) h j 斯托克斯参簧不= o q o k 及i 。= ，。 q u ， ( 3 3 ) 分别表示入射光和散射光的强度和偏振状态，则散 ， 射过程可用向量方程表示如下： t = 甄 御) ( 3 4 ) 式中b 代表散射光与入射光的关系，由( 3 3 ) 式 旦，= b 2 2 = 言+ 爿；l 最：= 岛，= 三o ? 一鬈) b ”= b 4 4 = 4 4g o s 占s ，b n = 一b 3 4 = 4 4 。s i n f i , 1 9 0 8 年g m i e 对电磁波通过球形粒子的麦克斯韦方程组求解，得出球形粒子散射与吸 收的表达式。( 详见 1 4 ) - 1 7 o 0 毋目 0 0 岛髓 o o 日毋o o 基于近红外波段的大气粒子散射特性研究 乏三乏咖c o s 觇( p t 捌一c o t ) c 。s ， l 邑= 毛。+ 一) 疋e,=：eo,。exp(40,，-慵cot)eoe x p ( o c o t ) 6 ) i 疋=。，+ 妒。一j f 瓦：毛，望翌竖芝删是p ) 瓦哦趟甾删 。7 1 瓦哦血垃掣s p ) ” 西p ) ：悔p j e x p 0 4 l 嘎= 慨p j e x p 0 磊) 。 k 砜掣 。+ 打+ & 一耐) 1 l 诋卓螂竹叫， 。- 8 基于近红外波段的大气粒子散射特性研究 4 = 攀小警夸州 置1 = b 2 2 圭+ 霹) = 上2 k 2 r 2 鼢+ 是) 骂：= 马，= 三一彳) = 2 i l ：，_ ：矗研一岛墨) ( 3 。) b 3 3 = 色。= 4 4 c 。s 瓯= 上2 k 2 r 2 矗+ 是g ) 蜀，= 一马t = d , & s i n 瞑= i 专b 一马g ) s 7 ，g 分别是复振幅函数s ，马的共轭复数。复振幅函数的垂直分量及平行分晕计算公式 如f ： 眇喜揣删 马鼢鲁肌2 n + 1 1 ) k 蚺壤。捌 这里。散射角，“= c o s 8 复数以，包称为米氏啡i e ) 系数，都是粒子复折射率m = 卅，一f ，r 及尺度参数x ：兰竽的函数。无穷级数表示在入射电磁波作用r ，散射粒子吨运荷随入射 波同步作强迫振荡产生的多种散射电磁波的和。复数日。代表电场振荡对散射的影响，a j 代 表电偶板子的影响，a 2 代表电四极子的影响，口。( n 2 ) 代表电多极子的影响。复数6 。代 表磁场振荡对散射的影响，6 f 代表磁偶极子的影响，b ：代表磁四极子的影响，垃如 2 ) 磁 多极子的影响。折射率虚部碍= 筹，口为距离吸收系数。，6 。计算公式如下： 吼2 b 。= ：如砂。g ) 一m y 。嘛砂：g ) 蜕( 槲匕g ) 一所虬( 制蛾b ) m 叱嘛p 。g ) 一n 嘛砂：g ) m ：d 搿k ，g ) 一。( m x 蛾b ) ( 3 1 1 ) ( 3 ) 式y 。( x ) = 巧。( x l 己( x ) = x 砖g ) 。j o ( x ) ，砖( x ) 分别是球贝赛耳函数和第一 类球汉克尔函数，号表示函数的微商。 1 9 一 基于近红外波段的大气粒子散射特性研究 若入射光的辐照度为e = 磊，+ 磊。，在散射角为o ，距离为r 处产生的散射辐照度为 只= 只，+ l ，散射辐照度只与入射光辐照度f o 的关系是 e = ( 吉 2 k 。i s ：p 1 2 + f 0 。慨p 1 2 】 c s z ， 以散射粒子为顶点，取一个微立体角d q ，在距离r 处微立体角d n 所张的截面为2 d n 射出的散射辐射通譬为d = 只，2 丛2 ，定义角散射截面”口p ) 为 口p ) 2 盎 埘 角散射截面口p ) 的餐纲为( 面积球匝度) 。有( 3 4 ) ( 3 ，9 ) 式。可得对辐射的垂直及平行分 量，角散射截面分别是 当入射光为无偏振的自然光时，角散射截面为 口p ) = 圭k p ) + 啊例= 参h 是刚 把( 3 1 3 ) 式的角散射截面口p ) 对4 z 立体角积分，可得到自然光散射截面为 铲胁跏s i n 芸弘“1 2 + i b o l 2 】 ( 3 1 5 ) ( 3 1 6 ) 盯，称为散射截面，它的量纲是面积。球形粒子的折射率存在虚部时，粒子除了散射外还 有吸收，吸收截面盯。单位辐照度入射时，一个粒子吸收的总能量。吸收截面盯。与散射截 面g 之和称为消光截面q 根据g m i e 的散射理论 一2 0 - m 玎坪 p p 慨 院 匕匕 = = q 基于近红外波段的大气粒子散射特性研究 吒= 竺2 2 2 9 n + l ( 2 胛+ 1 ) r e 。+ 颤) o 口= ae o ( 3 1 7 ) ( 3 18 ) 散射截面盯。，消光截面盯。，吸收截面仃。与几何截面翮2 之比，分别称为散射效率q 1 消光效率包和吸收效率q 幺= 暑，q o = 暑，q = 翮。7 & 7 一翮一 ( 3 1 9 ) 2 散射相函数与散射相矩阵 为了表示散射光强度随散射角e 的相对变化，定义。方向的角散射截面口p ) 与所有方向 角散射截面平均值d 。4 i r 之比为相函数p p ) p p ) ：兰型 o 相函数p p ) 是一个无量纲量，满足归一化条件 ( 3 2 0 ) 胖：4 挚：竽：， 限。， 便，把矩阵口的每一项都乘4 2 o - 。，所得的新矩阵尸称为散射相矩阵 尸：垡曰 仃 异。b ： 巴，冀： 00 0o 00 00 岛只。 如只4 基于近红外波段的大气粒子散射特性研究 e ，= 枷且，了4 n ra = 兰2 ，r r l 蝌+ s ：足+ ) 只：碣= 嘉吨s ) 。( 3 2 2 ) 耻只2 砉鹕硝) 耻也= 芸鼢吨吖) 只，p ) 就是相函数。利用以上公式。可编出计算球形粒子散射与吸收参筐的程序。 3 用m i e 理论计算球形大气粒子的近红外散射特性 根据第二章中所述大气中粒子的实际情况，以及这些粒子对能见度的影响，经过仔细筛 选，扶定针对火气中的粒子分三类分别研究其近红外散射特性。 3 1 气溶胶粒子的近红外散射特性 大气气溶胶化学成分差别很大，人们对其的稠测和研究也是逐步深入的。在七十年代， 美国空军地球物理实验室的l o w t r a n i i 把大气溶胶分为溶于水的“水溶性粒子”与不溶于 水的“沙尘性粒子( d u s tl i k e ) ”两种，并认为其尺度谱没有差别。1 9 8 3 年i a m a p ( i n t e r n a t i o n a la s s o e i a t i o no fm e t e o r o l o g ya n da t m o s p h e r i cp h y s i c s 国际气象丁1 人 气物理协会) 的辐射委员会为了计算辐射的传输与热收支，提出一种标准辐射人气模型 s r a ( s t a n d a r dr a d i a t i o na t m o s p h e r e ) ，把大气溶胶按成分分为六种水溶惺粒子；o 沙 尘性粒子，这两中粒子是陆地近地面空气中气溶胶的主要成分，分别溶于或不溶于水，沙 尘性粒子尺度较火，沙尘暴粒子中沙尘性粒子较多由风从干旱地区地面吹到太空：0 海 洋性粒子，是海浪溅沫形成的，含有3 0 的海盐和7 0 的水： 煤烟：o 火山灰 7 5 的 硫酸水溶液滴，火山平静时期平流层气溶胶是由7 5 的硫酸水溶液滴组成的。前四种成分 在对流层中不同地点按照一定的容积卣分比组成下表中“大陆”、“城市i ：厂”、“海洋”三 种气溶胶模型。 表3 一l “标准辐射大气”对流层气溶胶模型( 括号中为数密度百分比) 成分水溶性沙尘性海洋性煤烟 大陆 2 9 ( 9 3 8 7 6 ) 7 0 ( 2 2 7 1 0 。) 1 ( 6 1 2 3 ) 城市t ：厂 6 1 ( 5 9 ，4 5 )1 7 ( 1 6 6 1 0 ) 2 2 ( 4 0 5 5 ) 海洋5 ( 9 9 9 5 8 )9 5 ( o 0 4 2 ) 这里，我们主要研究对流层大气中的粒子，所以，针对前四种粒子进行讨论。附录1 中给出了对流层大气气溶胶粒子对不同波长的折射( 红外波段) 率。 【1 】对于爱根核( 0 0 0 1 u m r o 1 u r e ) ：分别取半径为0 0 0 1 u m 、0o l u m 、0 1 u m 的粒 子，在入射红外线波长分别为为08 6 u m ，1 0 6 u m ，2 o o u m ，1 5 u m ，2 5o o u m 时，折射率分别为 沙尘性、水溶性、海洋性、煤烟对应的折射率时，计算散射相函数随散射角变化，在计算 一2 2 基于近红外波段的大气粒子散射特性研究 之前，我们应该预期到，这时画出的图像应该和瑞利散射相似。计算结果作图如p 当r = o 0 0 u i b 时： a t 丈x = o 8 6 p r o 粒子半径r = o 0 0 1 1 a n 性质：沙尘性折射率m = 1 5 2 00 0 8 i ( 图中 横轴为散射角0 ，纵轴为相函数，n _ e n v 表示环境即空气的折射率) ) - d 3 一1 n 一h 一1 j 2 0 d e - o0 0 3 - i _ i 一；- h 一s 2 b 波长x = 1 0 6 r u n 粒子半径r = o 0 0 1 伽性质：沙尘性折射率m = 1 5 2 _ j 6 0 0 8 i ，1 00 0 ”4 。1n 一；0 h - 1 0 6 一d 目 2 3 一1 4 - ，n 一- p n | 12 b d0 0 n 基于近红外波段的大气粒子散射特性研究 波长x = 2 0 0 1 _ l m 粒子半径r = o 0 0 1 姗性质：沙尘性折射率m ：1 2 6 0 0 0 8 i - 2 4 基于近红外波段的大气粒子散射特性研究 波长x = 2 5 o o 岬粒子半径r = o o o l 岬性质：沙尘性折射率m = 1 9 7 o2 4 一一0 。0 ”4 - l 7 从图上的结果来看，此时散射的方向性是和瑞利散射一致的。这是囡为此时的粒子很 小，而波长相对很长。这里的尺度参数x ：呈：分别为：o 0 0 7 3 、o0 0 5 9 、o 0 0 3 l 、o o 0 0 4 、 l o 0 0 0 3 都是远小于o 1 的，所以必然和瑞利散射一致。 当r = oo l 时，尺度参数x = 害；分别为：o 0 7 3 l 、o 0 5 9 3 、o 0 3 1 4 、。，0 0 4 2 、o0 0 2 5 也都是远小于0 1 的，所以散射的方向性特性也是和瑞利散射一致的。因此图就不给山了。 当r ：o 1 时，尺度参数x ：墨；分别为1 4 6 1 2 、1 1 8 5 5 , o 6 2 8 3 、o0 8 3 8 , o0 5 0 3 l 这里，就不能把粒子散射完全等同于瑞利散射了。将计算结果画出： 2 5 基于近红外波段的大气粒子散射特性研究 波i 受k = o 8 6 舯粒子半径r = o 1 岬 9 3 1 一l 一目 波k x = 1 0 6 p r o 粒子半径r = o i 呻 波长l = 2 u m 粒子半径r = o u m 性质：沙尘性折射率m = 1 2 6 0 0 0 8 i 2 6 - 基于近红外波段的大气粒子散射特性研究 以上6 张图与瑞利散射有一定的差别，前向( 0 ，9 0 ) 的散射明显大于后向( 9 0 ，1 8 0 ) ，但 是，k 平仍然处处小于b 直这又是瑞利敞射的规律。说明这是瑞利散射向米散射的过渡 区域。 波k x = 1 5o o p m 粒子半径r = o 1 岬 波长x = 2 5 o o 岬粒子半径r = o 0 0 1 ”m 性质：沙尘性折射率m = 1 9 7 - 02 4 以上4 张图与瑞利散射相比，已经看不出差别。从以上的2 0 张图中可以看出，尺度系 数x 对于散射的性质是非常重要的。 如果粒子是水溶性的或者海洋性的或者煤烟类型的，也可以画出以上的各幅图。但是， 从尺度系数的角度来看，他们的散射的方向性的差别是不大的，但是他们的折射率略有羞 别，带来的各个方向上强度有一些差别，从瑞利散射的理论公式时实际计算都可以发现， 1 散射能流正比于，粒子越大，散射的能量越多。 x 【2 】对于大粒子( o 1 “i l l l u r e ) ，我们选取半径r = 5 u l l ，1 0 u m ，1 5 u m 的可溶性粒子，住入射光 波艮分别为0 8 6 u m ，1 0 6 u m ，2 0 u m ，5 0 u m 时分别加以计算，结果如下： 糟。 w 叩嘲 | * 特廿i 。”小- “一。一、j 礁yv 。r e鼬 1 嗣1 5 01 9 口 s c 捆i _ i - 曩l 九= o 8 6 u m 粒子半径r = s u m ，1 0 u m ，1 5 u m 性质：可溶性折射率m = 1 5 2 0 0 1 2 i 发现对于巨粒子来说，曲线发生强烈震荡，为了便于分析，我们每3 度取一次平均值，再 将曲线画出： 此时发现震荡减小，可以看出变化的趋势，图中从r 到上分别代表 r = 5 u m ( 蓝) ，1 0 u m ( 黑) ，1 5 u m ( 红) 。 一3 2 基于近红外波段的大气粒子散射特性研究 = 1 0 6 u m 粒子半径r = 5 u m ，l o u m ，1 s u m 性质：可溶性折射率m = i 5 2 0 0 1 7 。f 、 v l骷融k 鑫、p 飞芦蹶廷添激黟秽 。= 7 ”眵v x = 2 u m 粒子半径 加 明s h 岫：i d e f 。嚣 1 辋1 锄 r = 5 u m ，l o u m ，1 5 u m 性质：可溶性折射率m = 1 4 2 0 0 0 8 - 3 3 咖仃对付t。一讨-=。_讨胥 黜 基于近红外波段的大气粒子散射特性研究 、 l 一 酗。 飞谚咬怨恕护 。s m 嚣女，2 芽 ” x = 5 u m 粒子半径r = s u m ，l o u m ，1 s u m 性质：可溶性折射率m = 14 5 - 0 们2 从以上的几张圈中可以看出，粒子的尺度度参数很大时，散射能量随方向发生强烈的震荡 ( 除了第一幅图，其它图中的震荡已经被人为的平滑了，以便看出规律) ，总的米说，尺度 参数越人，震荡越剧烈：散射能量