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烟雾气溶胶光学特性遥感仿验观测研究 分分类号TP79单位代码10183研究生学号xx62xx密级公开吉林大学硕士学位论文（学术学位）烟雾气溶胶光学特性遥感仿真实验观测研究The Optic Properties of Smoke Aerosol by Remote Sensing Simulation Experimental Observation作者姓名孙也涵专专业地图学与地理信息系统研究方向遥感制图及其技术应用指导教师潘军教授培养单位地球探测科学与技术学院2019年年6月烟雾气溶胶光学特性遥感仿真实验观测研究The OpticProperties ofSmoke Aerosolby RemoteSensing SimulationExperimental Observation作者姓名孙也涵专业名称地图学与地理信息系统指导教师潘军教授学位类别理学硕士答辩日期2019年5月28日吉林大学硕士学位论文原创性声明本人郑重声明所呈交学位论文，是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。 除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名日期2019年5月28日关于学位论文使用授权的声明本人完全了解吉林大学有关保留、使用学位论文的规定，同意吉林大学保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权吉林大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 （保密论文在解密后应遵守此规定）论文级别?硕士博士学科专业地图学与地理信息系统论文题目烟雾气溶胶光学特性遥感仿真实验观测研究作者签名指导教师签名2019年5月28日作者联系地址（邮编）吉林省长春市西民主大街938号 （130026）作者联系电烟雾气溶胶光学特性遥感仿真实验观测研究中文摘要（作者孙也涵指导教师潘军）地表高温目标（林火、火山、秸秆焚烧等）燃烧或喷发的同时多产生大量烟雾，影响地表目标物的成像质量与遥感解译精度。 烟雾气溶胶对遥感信息的影响规律与影响机制是大气参数遥感反演、环境监测领域中有待解决的科学问题。 虽然目前气溶胶散射、吸收理论的完善使气溶胶光学特性的拟合逐渐精确，理论与实验应用广泛，但基于高光谱数据的烟雾气溶胶光学特性研究相对较少，应用烟雾气溶胶光学特性于烟雾颗粒物浓度反演的研究及应用实例还不够丰富，对于大气环境监测评价等应用还缺少有利的理论及实验支持。 由此，本研究基于散射、吸收及辐射传输理论，采用遥感仿真实验方法，以烟草燃烧烟雾模拟生物质燃烧产生烟雾，通过布格-朗伯定律及可见光-近红外波段范围内的烟雾散射-吸收理论模型，建立微观尺度上烟雾气溶胶粒子的消光系数、后向散射系数与宏观尺度上烟雾的透过率、反射率的关联；通过仿真实验观测，研究烟雾透过率、反射率随浓度变化特征，并采用回归分析方法正演获取烟雾消光系数、后向散射系数；最后，将正演模型应用于大兴安岭奇乾林场研究区林火烟雾浓度反演。 本研究主要结论如下1.烟雾气溶胶消光系数实验观测研究发现，可见光-近红外所有波段的回归方程均通过相关系数检验法0.01显著性检验，烟雾气溶胶透过率与烟雾气溶胶浓度在可见光-近红外波段范围内符合布格-朗伯定律；以PM1.0，PM2.5，PM10烟雾浓度反演的质量消光系数在可见光-近红外范围内主要分布在1.43-9.05m2/g、0.32-1.99m2/g、0.18-1.12m2/g之间。 对比相关研究中生物质燃烧气溶胶质量消光系数结果，质量消光系数数值相近，结果可信；烟雾气溶胶质量消光系数随波长变化单峰分布，峰值波长在560nm左右。 2.烟雾气溶胶后向散射系数实验观测研究发现，可见光-近红外内波段的体积后向散射系数与烟雾浓度的线性回归方程通过了相关系数检验法0.01显著性，烟雾体积后向散射系数与烟雾浓度具有线性关系，斜率即为质量后向散射系数；以PM1.0，PM2.5，PM10烟雾浓度反演的质量后向散射系数分别主要分布在0.28-5.38m2/g、0.06-1.20m2/g、0.04-0.67m2/g之间。 烟雾气溶胶质量后向散射系数随波长变化单峰分布，峰值波长在560nm左右。 3.对烟雾气溶胶光学特性参数检验发现，浓度反演误差值在450-530nm为反演最佳波段，对应Landsat8影像为第二波段（450-515nm，中心波长483nm）。 通过对Landsat8影II像数据烟雾浓度反演应用，结果发现，可见光波段影像烟雾浓度反演统计结果相近，都可应用于浓度反演。 对第二波段光学厚度并与其他学者对生物质气溶胶或生物质燃烧产生烟雾所反演的光学厚度相比较，反演值较为接近，结果可信。 烟雾对遥感信息的影响规律与影响机制是大气参数遥感反演、环境监测领域中亟待解决的问题。 具体来说就是烟雾的消光特性于后向散射特性。 由于烟雾的消光特性、后向散射特性可由消光系数及后向散射系数来表征，因此，烟雾对地表目标物成像及识别的规律也即转化为探究烟雾的消光系数（消光特性）及后向散射系数（后向散射特性）的取值及规律的问题。 烟雾对电磁辐射具有散射和吸收的作用。 其在可见光-近红外波段范围内作用过程可理解为，一部分太阳辐射能透过大气层向地面辐射，电磁辐射能量在前向传输中受到烟雾的吸收和散射作用（即烟雾的消光特性）而衰减，该能量在经地表目标物反射作用后再次受到烟雾的消光影响而二次衰减，最终被传感器接收。 另有部分电磁辐射能量在穿过烟雾过程中由于烟雾的后向散射作用（即烟雾的后向散射特性）而改变了能量传播方向，使能量未到达地面即被传感器接收。 在不考虑地面发射能量的情况下，传感器实际接收到的能量两方面，一方面为受到衰减的地表目标物的反射能量，一方面为烟雾后向散射能量。 图1.1烟雾对电磁辐射传输原理示意图对烟雾光学特性（消光特性、后向散射特性）参数取值及其规律的研究，有助于辐射传输过程及遥感成像机理的深入研究。 此外，由于生物质燃烧产生气体及颗粒物形成烟雾第1章绪论2气溶胶不仅影响燃烧区及周边区域空气质量及能见度，其燃烧产生的炭黑等颗粒物近似黑体，对大气辐射强迫具有较强影响，影响地气辐射收支平衡，加剧全球变暖；还会形成雾霾等光化学污染，影响人类人体健康。 因此烟雾光学特性的研究对于探究烟雾的发生、传播等过程以及环境质量评价具有实用价值。 论文旨在基于散射、吸收原理和辐射传输理论，采用仿真实验方法，开展可见光-近红外波段范围内的烟雾消光系数、后向散射系数实验观测研究，通过布格-朗伯定律及可见光-近红外波段范围内的烟雾散射-吸收理论模型，建立微观上烟雾气溶胶粒子的消光系数、后向散射系数与宏观上烟雾的透过率、反射率的关联，分析烟雾的透过率、反射率随烟雾浓度变化特征。 消光系数、后向散射系数实验观测模型及实验流程，为烟雾气溶胶参数测量仪器的设计提供模型参考。 为烟雾、高温目标、常温地物等遥感目标识别提供理论支持，为特殊状态大气（烟雾气溶胶）参数的设定提供参考。 1.1.2研究现状由于大气气溶胶的浓度、化学成分变化不仅影响到人们的健康和生存环境，同时对于天气和气候等大气物理过程也具有重要的影响，因此国内外学者对大气气溶胶的光学特性开展了诸多研究，可将其分为气溶胶散射-吸收理论的研究、气溶胶光学特性实验研究与大气气溶胶光学特性应用研究三个方面。 （ （1）散射及吸收理论研究现状大气分子及气溶胶对光的吸收和散射作用不仅产生了散射光，同时对直接及半直接辐射强迫及能见度也产生了重要影响1-4。 粒子的光学特性可以通过采用不同的技术及近似方法来进行数值计算5-8。 对大气的散射和吸收的计算，通常从单个粒子的散射吸收理论研究开始，推广到多个粒子及到整个大气环境。 因此根据粒子的形态，可将粒子分为小粒子、球形粒子及非球形粒子，不同的粒子适用于不同的散射、吸收理论3。 对于粒子半径远远小于波长的粒子，即为小粒子3。 英国科学家瑞利（L.Rayleigh）分别在1871年和1899年利用弹性固体以太学说和麦克斯韦电磁波理论研究了天空发光问题，提出了分子散射理论，瑞利散射适用于小粒子散射9,10。 对于小椭球粒子散射，在瑞利散射理论基础上也发展了多种近似理论算法，例如Rayleigh-Jeans近似方法等9,11。 小粒子的瑞利散射在整个电磁波谱内发生属于连续过程，而吸收只在特别的较窄的波段发生，是非连续过程3,12。 当粒子尺度增加，粒子半径与波长近似时，散射机制变得更为复杂，瑞利散射理论不第1章绪论3再适用。 1908年，德国科学家G.Mie基于麦克斯韦电磁波理论给出了均匀的球状粒子散射问题的精确解，即米散射理论9,13。 米散射理论是球状粒子的通用散射理论9。 通常采用该理论计算散射、吸收截面及任意大小及折射率的球形粒子的散射角度依赖性3。 米散射理论也推广到椭球体粒子的散射计算中，例如分层同心圆柱体、分层同心球体等3,14,15。 由于实际大气中气溶胶粒子大多数为非球形粒子，因此在拟合非球形粒子散射时在米散射理论的基础上又发展了多种算法。 如引入高斯随机粒子模型9,16、T张量方法（T-matrix method）3,17、二阶小扰动近似方法（second-order perturbationapproximation）、基于有限元原理发展的FDTD(finite-difference time-domain)方法、广义多极子技术（generalized multipoletechnique，GMT）3,18等。 这些方法在非球型粒子的散射吸收的计算中，都得到了广泛的应用。 随着气溶胶粒子的吸收和散射理论的研究不断深入，对于散射粒子的光学特性的理论拟合更加精确，也被逐渐应用于实验研究中。 （ （2）气溶胶光学特性实验研究现状由于气溶胶粒子成分复杂且具有多变性，通过计算机模拟进行计算获取的结果通常与实际相差别，因此有必要对气溶胶光学特性进行实际测量。 20世纪中期，德国科学家荣格在对平流层及相对洁净的对流层大气气溶胶进行了观测实验研究，确定了粒子尺度分布与数密度的经验模型，奠定了大气气溶胶光学特性参数反演的基础9。 由于大气中存在悬浮状态的各种固体和液体粒子，当某些悬浮粒子占主导时，即形成不同类型的大气气溶胶。 许多学者对海洋气溶胶、生物质燃烧气溶胶、生物气溶胶、沙尘气溶胶、城市-工业气溶胶等不同类型的气溶胶光学特性进行了研究，包括气溶胶粒子谱分布、光学厚度、消光系数、散射系数、吸收系数、散射截面、复折射指数等19-31。 气溶胶光学特性实验样品主要采取实地测量或采样、室内外仿真实验模拟或实验室获取等方式。 例如，Reid等人对森林大火燃烧产生烟雾进行采样20。 Zhao等人、Gu等人选用实验室条件培养获取的孢子进行光学特性实验研究27,32。 Ansmann等人对沙漠等地区的沙尘气溶胶进行实地观测33。 Chen等人通过室外17m燃烧炉对不同材料进行燃烧，获取燃烧烟雾气溶胶，采用烟雾箱对其进行采样34。 气溶胶光学特性参数反演具有多种实验手段，可分为室内、地基、机载/星载观测实验。 室内实验可对采样或实验室产生气溶胶，进行室内实验室条件模拟实验，采用光声探测仪、浊度计等对散射、吸收、消光等光学特性及其随时间变化化学特性参数量测19-30,32-40。 地基测量可采用太阳和天空扫描光谱辐射计、太阳光度计、分光计等仪器对实际大气进行量测，获取大气气溶胶光学特性参数。 目前，美国国家宇航局NASA发起了地基气溶胶第1章绪论4遥感观测网（AERONET,AErosol ROboticNETWork），采用太阳光度计（法国Cimel CE-318）对大气气溶胶光学特征参数进行反演41。 也可通过机载或星载探测仪，如空腔衰减相移粒子消光监测器等对实际大气气溶胶光学特性参数进行获取22。 此外，激光雷达探测也是遥感探测气溶胶光学特性的重要手段，其基于气溶胶粒子的后向散射特性，通过其反射回波能量反演气溶胶光学厚度、散射系数等光学特性参数38。 目前激光雷达有多种承载形式，包括地基、机载、星载等38,39。 多基于米散射、波长与光学厚度经验关系等理论，通过仪器进行实际测量，或通过对辐照度或反射率等参量进行测量来获取光学特性参数。 Zhao等人、Gu等人依据米散射理论及克雷默斯-克朗尼（Kramers-Kronig）关系，通过测量辐射能量，获取质量消光系数、复折射指数等光学特性参数27,30。 此外，水体悬浮物的后向散射系数等光学特性参数实验研究对于气溶胶光学特性实验研究也具有一定借鉴意义40。 Bowers等人通过对1m深水体上行、下行辐照度的测量实验，依据米散射理论间接获取后向散射系数、复折射系数等光学特性参数32。 随着理论研究的逐步深入，基于不同的理论模型也被逐步应用，深入到更难获取、更微观的光学特性实验研究中。 与此同时，随着探测手段的不断改进，地基、系留气球、机载、星载等探测方式为实验研究提供了更广泛的途径和方式。 （ （3）气溶胶光学特性应用研究现状气溶胶不仅对生态环境、人类健康产生影响，对于地其辐射收支平衡同样具有重要作用。 由此，国内外开展了大量气溶胶应用研究。 研究数据源主要监测站实测数据、大气采样数据等地基观测资料、机载探测器观测资料以及卫星遥感气溶胶反演产品。 研究对象为多种类型的气溶胶，包括海洋气溶胶、生物质燃烧气溶胶、沙尘气溶胶、城市-工业气溶胶等33,42-50。 研究区范围包括法国地中海科西嘉岛、林地高度覆盖的美国加利福尼亚州、新墨西哥州、亚马逊盆地、撒哈拉沙漠、巴西玛瑙斯、中国等城市和地区，覆盖了全球气溶胶污染较为严重的林地、海域、沙漠及城市等区域33,42-47,49-62。 对气溶胶光学特性参数（气溶胶光学厚度、埃指数等）进行短期或长期观测，并探究其主要规律及趋势是气溶胶应用研究最为基础及广泛的主题。 Aklesso等对西非的加纳、多哥、贝宁xx-xx年间MODIS和OMI气溶胶光学厚度数据，分析了10年间年平均光学厚度空间分布，发现南海岸区域较高、北部区域较低，哈麦丹风或干季期间气溶胶光学厚度较高，湿季气溶胶光学厚度较低52。 Baars等人对采用拉曼雷达对亚马逊盆地干湿季的气溶胶进行探测，发现原始条件下气溶胶粒子消光系数低到11030Mm?，光学厚度第1章绪论5小于0.05，干季生物质燃烧烟羽可达到3-5km高，532nm处平均光学厚度可达到0.2653。 Che等人采用太阳光度计在北京城市监测站点对xx年1月雾霾污染期间的大气光学厚度、埃指数等进行连续观测，发现研究区雾霾污染前的光学厚度稳定维持在0.4，雾霾污染后迅速增加1.5倍54。 气溶胶对地气辐射收支的影响受到广泛关注。 生物质燃烧及城市、工业排放物进入大气形成生物质燃烧气溶胶、城市-工业气溶胶等，不仅污染大气环境，气溶胶产生生辐射强迫影响地气辐射收支平衡60,61。 Adesina等人对西非的斯库库扎地区的气溶胶进行研究，发现其平均短波直接气溶胶辐射强迫对整层大气为正向，由于更多的散射型粒子使大气层顶为负向强迫，表现为显著的冷却作用51。 Jose等人研究了海得拉巴等印度地区，发现气溶胶对大气层顶直接辐射效应在冬季为-11.723.5Wm-2,前季风期为-5.52.5Wm-257。 Kaskaoutis等人对印度北部地区的气溶胶研究发现，气溶胶辐射强迫(ARF)与季节平均值相比，在气溶胶爆发期间，地表和大气层顶部的冷却以及大气加热都要多，并且大气辐射加热和气溶胶的垂直剖面在对流层中下层有明显的增加59。 污染排放对大气气溶胶的影响以及大气污染源头的追溯也是气溶胶应用研究的重要主题。 通过对大气气溶胶采样，对气溶胶组分进行物理、化学分析，比对生物质燃烧、城市-工业气体排放等粒子组分，追溯污染源头。 Jung等人研究了亚洲沙尘天气、生物质燃烧等在长距离运输期间中，对下风向地区的气溶胶物理化学特性影响，发现下风向地区黑炭含量明显升高，二次气溶胶比例升高，韩国半岛西海岸的PM10质量浓度明显升高58。 Fu等人对xx年生物质燃烧期间东南亚至东亚地区气溶胶中CO，O3和PM2.5浓度进行分析，发现在燃烧区及下风向浓度有明显升高，证明生物质燃烧显著影响大气环境63。 Claeys等人通过对法国科西嘉岛地区主要海洋气溶胶的组分研究，发现该地区有两种主要类型气溶胶，一种为灰尘为特征的气溶胶主要阿尔及利亚/突尼斯，一种为污染为特征的气溶胶，欧洲东部人为及生物质燃烧源48。 此外，气溶胶颗粒物浓度分布也是当前国内外研究的重要问题。 Chelanit通过对印度马哈拉施特拉邦的5个城市的MODIS气溶胶光学厚度产品与地面监测站获取PM2.5浓度等变量建立多元线性回归模型，实现通过光学厚度产品监测PM2.5浓度分布55。 Ma等人对通过对东南亚热带雨林地区的地面监测站的气溶胶光学厚度及PM2.5浓度进行了回归分析，建立了经验模型，并应用于MODIS光学厚度产品获得了东南亚热带雨林地区的PM2.5浓度分布情况62。 目前针对气溶胶引起的环境问题受到了广泛关注，研究覆盖了全球不同类型的气溶第1章绪论6胶、不同特征的研究区，研究从环境问题出发，讨论了不同区域的气溶胶光学特性的变化及规律、气溶胶组分、气溶胶含碳组分辐射强迫及其对气候环境的影响以及气溶胶颗粒物（PM2.5等）浓度及其空间分布特征等。 研究数据广泛，研究方法多样化，为大气环境监测提供了有益的理论指导。 （ （4）存在问题随着气溶胶散射、吸收理论的深入研究，不仅使实验研究的成果更精确，同时为气溶胶微观粒子的光学特性实验研究提供了理论基础。 气溶胶散射、吸收理论和实验研究的发展，为应用研究提供了理论和实验基础，使其研究成果在不同的领域及科学问题上得到广泛应用。 对气溶胶光学特性的长期监测、气溶胶辐射强迫、生物质燃烧等对大气影响等问题的应用研究，对于大气污染、海洋环境等环境监测、全球变暖等气候问题具有重要指导意义。 虽然目前气溶胶理论、实验、应用研究开展的广泛而丰富，但仍存在值得研究和改进的问题借助于精密仪器，采用复杂的物理模型对烟雾的光学特性进行测量，增加了烟雾浓度反演的难度。 虽然监测平台多样化，监测仪器便携化，但观测范围及观测周期仍然受到限制。 此外虽然现有较多相对成熟的气溶胶光学特性产品，如MODIS、OMI等数据，但其产品空间尺度较大，对于小范围精细研究仍有诸多困难。 烟雾气溶胶颗粒物浓度（PM2.5等）相关数据的获取主要依靠地面监测站获取。 对于气溶胶颗粒物浓度反演问题，烟雾气溶胶颗粒物浓度的相关研究较少，目前较多研究停留在颗粒物浓度与光学厚度的经验模型上，较少从物理机制上进行深入探究。 1.2研究内容、研究方法及技术路线1.2.1研究内容与研究方法为探究烟雾对电磁辐射传输消光特性与后向散射特性及其规律，本文重点从以下三个方面开展了研究。 （1）烟雾气溶胶物理光学特性与几何光学特性的关联研究为实现烟雾气溶胶消光系数与后向散射系数的实验观测研究，通过布格-朗伯定律及可见光-近红外波段范围内的烟雾散射-吸收理论模型，建立微观尺度上烟雾气溶胶粒子的消光系数、后向散射系数与宏观尺度上烟雾的透过率、反射率的关联，在理论上将微观上第1章绪论7难以直接观测的物理量转化为宏观上对烟雾透过率、反射率的实验观测问题，为消光系数、后向散射系数的实验观测研究建立理论基础。 （2）消光系数及后向散射系数遥感仿真观测实验研究为获取烟雾气溶胶的消光系数的取值及规律，基于质量消光系数与透过率的关联，通过仿真实验观测，以室内光源模拟太阳光，以烟雾箱模拟实际大气烟雾环境，烟草燃烧烟雾模拟生物质燃烧烟雾，研究烟雾透过率随浓度变化特征，并采用回归分析方法正演获取烟雾气溶胶消光系数的取值及其规律。 基于消光系数、后向散射系数与透过率、反射率的关联，依据消光系数实验观测结果，通过仿真实验观测，研究烟雾反射率随浓度变化特征，并采用计算机积分计算、回归分析方法正演获取烟雾气溶胶后向散射系数的取值及其规律。 （3）林火烟雾遥感影像反演研究将烟雾气溶胶光学特性研究成果应用于Landsat/OLI影像数据上，对xx年6月19日中国大兴安岭奇乾林场林火产生的烟雾进行浓度反演，对比分析各波段反演结果，以实现气溶胶光学特性实验研究在实际问题中的应用。 1.2.2技术路线本文从烟雾气溶胶的光学特性出发，采用遥感仿真实验观测方法，研究烟雾气溶胶的消光特性及后向散射特性。 通过散射-吸收理论、辐射传输与能量守恒理论，建立消光系数、后向散射系数与透过率、反射率的关联，为消光系数、后向散射系数遥感实验观测提供理论基础，通过对消光系数、后向散射系数实验观测方案的研究以实现消光系数、后向散射系数的获取，最终将研究成果应用于星载数据烟雾浓度反演中(图1.2)。 第1章绪论8烟雾气溶胶光学特性消光特性后向散射特性消光系数观测理论透过率烟雾浓度及厚度实验方案设计结果与分析实验装置的设计与实现质量后向系数观测理论实验方案设计结果与分析实验环节设计烟雾浓度标定透过率观测质量消光系数及其规律透过率烟雾浓度及厚度实验装置的设计与实现实验环节设计反射率观测体积后向散射系数及其规律质量后向散射系数及其规律布格-朗伯定律辐射传输散射理论能量守恒消光系数遥感仿真实验观测方案研究后向散射系数遥感仿真实验观测方案研究林火烟雾遥感影像反演图1.2技术路线图第2章烟雾气溶胶光学特性遥感实验观测理论基础9第第2章烟雾气溶胶光学特性遥感仿真实验观测理论基础烟雾气溶胶的消光特性及后向散射特性是烟雾气溶胶在遥感辐射传输过程中的重要性质，为实现遥感实验观测研究对消光系数、后向散射系数的观测与反演，有必要基于烟雾气溶胶的理论性质及其吸收、散射机制理论，为遥感实验观测研究建立实验原理基础。 2.1烟雾气溶胶粒子的理化性质及其吸收、散射机制2.1.1烟雾气溶胶粒子物理化学性质大气气溶胶是指大气与悬浮在大气中的固体和（或）液体微粒共同组成的多相体系9。 本文中所研究烟雾气溶胶实质上是以生物质燃烧产生的烟尘颗粒物为主要悬浮物的大气气溶胶。 生物质燃烧主要包括四种形式以秸秆、薪柴等生物质为燃料进行炊事或采暖、秸秆焚烧、森林火灾和草原火灾64。 生物质燃烧产生CO 2、CO、NO x、NH4等气体及大量的挥发性有机物，对于生物质燃烧产生的烟雾气溶胶中，主要组分为未燃烧的碳质颗粒及水溶性钾，其中碳质颗粒组分含量可达73%，主要由有机碳和元素碳（黑炭、棕碳等）组成，其中有机碳占碳质颗粒的60-90%45,49,64-68。 图2.1颗粒物形态图69图2.2颗粒物数量粒径谱演变图70研究发现，不同农作物秸秆、烟草等生物质燃烧排放颗粒物主要分布在10-1000nm范围内，颗粒物峰值粒径主要分布在50-200nm之间64,65,67,68。 烟雾颗粒形成初期多为细小的单个主粒子，直径在30-50nm之间，形态以球形为主，在浮力紊流扩散火焰的作用下，烟雾颗粒会发生凝聚形成较大的烟雾凝团68,69。 此外，生物质燃烧排放的一次排放物在光化学反应下还会生成二次颗粒物，使颗粒物发生成长。 因此，烟雾颗粒物粒径在物理化学作用下，峰值粒径往往随时间增加具有升高趋势，而颗粒物浓度则具有降低趋势（图2. 1、第2章烟雾气溶胶光学特性遥感实验观测理论基础10图2.2）。 根据米散射理论，粒径在100nm至1000nm之间的颗粒物对可见光至近红外波段范围内的太阳辐射具有较强的散射能力。 因此烟雾气溶胶颗粒物不仅是大气主要污染成分之一，也是导致大气环境能见度降低的原因。 2.1.2烟雾气溶胶对电磁辐射的吸收作用电磁辐射受到烟雾气溶胶吸收作用影响，可从微观、宏观两个尺度分别进行理解。 微观尺度上，即从气溶胶粒子内部机制来理解，根据量子理论，电磁波的光子高速撞击烟雾气溶胶粒子，将能量传递给气溶胶粒子中的分子的电子、原子核或者整个分子，使外层电子、原子核自旋态、分子的振动、转动能级的跃迁，甚至分子内层电子或其他类型能级的跃迁，其能量传递的结果就是在连续的电磁波带中，出现中断或缺少的波段71。 这一过程就是粒子对电磁波的吸收作用。 不同波长的电磁辐射能量引起不同种类的跃迁，并提供分子内部的不同信息（表2.1）。 宏观尺度上，即从能量观点来理解，电磁辐射投射到烟雾气溶胶上，一部分电磁辐射能量转变为气溶胶本身的内能或其他形式的能，这一过程即为吸收。 辐射在传输过程中，辐射能量由于气溶胶的吸收作用被削弱，气溶胶由于吸收作用温度升高。 由此可见，气溶胶粒子对电磁辐射的吸收并未作用在所有波段上，为非连续过程。 表2.1电磁波谱的分区及特性71波长范围电子辐射光区能级跃迁类型波谱技术10-410-2nm射线区核内部能级跃迁M?ssbauer10-210nm射线区核内层电子能级跃迁电子能谱（X射线谱）10400nm紫外光区核外层电子能级跃迁紫外光谱400800nm可见光区价电子或非键电子可见光谱2.525m红外光区分子振动-转动能级跃迁红外光谱0.150cm微波区分子转动能级跃迁电子自旋能级跃迁纯转动光谱电子顺磁共振谱50500cm射频区核自旋能级跃迁核磁共振谱为了描述单个粒子的吸收能力，引入了吸收截面ab?的概念。 吸收截面表示面积为ab?的截面所截获的单位入射能量，它等效于该粒子吸收的辐射能，因此吸收截面实质是一个等效截面9。 吸收截面与几何截面并不对应，几何截面相对较大的粒子，吸收截面可能相对较小，也即粒子的吸收能力与其粒子大小无关，与粒子内部结构有关（图2.3）。 此外，第2章烟雾气溶胶光学特性遥感实验观测理论基础11吸收截面与几何截面的比值即为吸收效率，吸收截面越大、几何截面越小的粒子，其吸收效率越高。 单位体积中粒子（气溶胶或分子）对某一波段的吸收能力可以用体积吸收系数ab?来表示，它是单位体积中各个粒子吸收截面之和。 为了建立粒子吸收的能力与其的质量密度的联系，体积吸收系数ab?等于粒子的质量吸收系数abk与质量密度的乘积，即ab abk?=?（2.1）其中，abk的单位为21m g?，ab?的单位为1m?。 质量吸收系数可理解为单位质量粒子的总吸收截面。 体积吸收系数可理解为单位体积粒子的总吸收截面。 入射光入射光a (1)a (2)b (1)b (2)图2.3粒子的几何截面与吸收截面2.1.3烟雾气溶胶对电磁辐射的散射作用电磁辐射受到烟雾气溶胶散射作用影响，可从微观、宏观两个尺度分别进行理解。 微观尺度上，即从气溶胶粒子内部机制来理解散射的本质，根据电磁波理论，气溶胶粒子由电子及带正电的质子组成，电磁波照射到气溶胶粒子导致正负电荷中心产生偏移从而构成电偶极子和多极子，在电磁波的激发下做受迫振动，产生次生电磁波，并向各个方向发射，这种次生电磁波即为散射辐射9。 宏观尺度上，即从能量的观点来理解散射，电磁辐射从烟雾气溶胶透射，其中一部分入射波能量的传播方向发生改变，向其他各个方向发射，而使原传播方向上的辐射能量被削弱，即为散射。 散射是作用在全波段范围的，与吸收不同，属于连续过程。 在遥感物理中，一般通过引入散射函数来定量描述散射过程。 假定散射是独立、非相干的一次散射，于O点放置一个气溶胶粒子，入射光延z轴方向从粒子下方入射，探测器D所探测到的散射光强度用(),?来表示，其与该点处散射角度，方位角，距离粒第2章烟雾气溶胶光学特性遥感实验观测理论基础12子R的位置上所探测到的散射光强度(),dI R?及入射光强度0I有关（图2.4），即()()02,dII RR?=（2.2）对散射函数(),?在整个空间4立体角的积分即为一个粒子散射掉的总能量()4,scd?=?（2.3）由于sc?的量纲为L2,因此称sc?散射截面。 与吸收截面相似，散射截面表示面积为sc?的截面所截获的单位入射能量，因此它表征粒子的散射能力9。 同样，散射截面实质也是一个等效截面，与粒子的实际几何截面并不相等（图2.5）。 散射截面与粒子实际几何截面的比值可以表示粒子的散射效率，即散射截面越大、粒子几何截面越小，散射效率越高（图2.5）。 入射光DOzyx入射光入射光散射光散射光a (1)a (2)b (1)b (2)图2.4散射函数的几何表示图2.5粒子的几何截面与散射截面单位体积中粒子（气溶胶或分子）对某一波段的散射能力可以用体积散射系数sc?来表示，在粒子为独立、非相干的一次散射假定条件下，体积散射系数sc?是单位体积中各个粒子散射截面之和。 为了建立粒子散射的能力与其的质量密度的联系，体积散射系数等于粒子的质量散射系数sck与质量密度的乘积，即sc sck?=?（2.4）其中，sck的单位为21m g?，sc?的单位为1m?。 质量散射系数可理解为单位质量粒子的总散射截面。 体积散射系数可理解为单位体积粒