基于OPAC的典型环境及气溶胶的消光特性分析

王晓蕾，李庆辉

(国防科技大学气象海洋学院，长沙 410073)

0 引言

气溶胶是指悬浮在气体中的固体和(或)液体微粒与气体载体共同组成的多相体系。气溶胶既可以通过散射和吸收太阳短波辐射直接影响地气系统的辐射收支，还可以作为云凝结核改变云的微物理特征进而对区域和气候产生影响[1-6]。并且，气溶胶的物理、化学以及光学特性会对云、降水和其他天气现象产生影响[7-9]。准确获得大气气溶胶的光学特性也是计算气溶胶辐射强度和估算气溶胶气候效应的基础。其中，消光系数是能见度测量的重要中间量，因此，气溶胶消光特性的研究对能见度的测量有重要意义。

大气能见度是气象观测的常规项目之一，是表征大气光学状态的重要参量[10，11]，较为常用的是水平能见度和垂直能见度。能见度的测量主要有目测和器测两种，水平能见度和垂直能见度器测时通常选用不同的仪器，水平能见度以透射式和散射式能见度仪为主，而激光雷达由于抗干扰性强、分辨力高等优点广泛应用于垂直能见度的测量[12，13]。能见度测量仪器的多样性导致探测光源波长的多样性，使得能见度测量时需要进行消光系数的波长修正，其关键是探究消光系数的特定光谱修正模型。

目前认为消光系数σλ随波长λ的变化σλ=f(λ)满足简单的σλ=0.55σ0/λ，其中σ0为波长0.55 μm的消光系数[14]，但是不同的地区、不同的环境，由于气溶胶成分、浓度以及大气相对湿度的改变会产生很大的误差。多波长消光系数还可以根据模式推导得到，但是，模式的波长参数和湿度参数一般都是非连续的，获取的消光系数也是非连续值[15]。除了直接对消光系数随波长的变化进行研究，还有对表征吸收特性的吸收光学厚度与波长关系的探究[16-21]，认为气溶胶吸收光学厚度与波长满足简单的幂指数衰减规律，并且给出了黑碳、沙尘、生物燃烧等气溶胶的吸收Angstrom指数，但并没有对典型环境和独立的气溶胶成分进行研究。对典型环境的吸收光学厚度研究中[22]，在气溶胶吸收光学厚度与波长间近似满足幂指数衰减规律的基础上，针对不同环境进一步讨论该规律适用的气溶胶类型、波长范围以及相对湿度的影响，但是对于不同的典型环境，给出的定标规律的使用波段不同。王金虎[23]等研究了气溶胶组分的消光特性对气溶胶浓度的变化，但仅仅给出了550 nm和1000 nm波长处的结果。在测量能见度时，需要进行消光系数的波长修正。为了避免地气系统长波辐射的影响，能见度测量仪器的光源一般选择在短波波段，并且近红外波段较多，因此主要对0.55～2.5 μm波段的消光特性进行研究。文章在现有研究的基础上对不同典型环境以及气溶胶成分的消光特性进行探究，建立0.55～2.5 μm波段消光系数与波长、相对湿度的定量关系。

文章利用光学特性软件包OPAC计算了多个相对湿度条件下陆地型、海洋型、沙漠型和城市型等多种典型环境的气溶胶消光特性，对现有消光系数σλ随波长λ的关系进行修正。由于主动式能见度测量仪器需要考虑波长对消光系数的影响，因此文章的研究结果可以为不同相对湿度下不同典型环境的波长修正提供参考，为能见度测量时消光系数的特定光谱修正提供科学依据，能够有效提高能见度测量的准确性；同时，对于阐明Mie散射激光雷达探测气溶胶的光学特性、分析现有Mie散射激光雷达在不同工作环境下的性能具有重要的研究意义。

1 仿真原理

1.1 OPAC

文章的仿真实验通过OPAC软件包实现，OPAC是气溶胶与云光学特性程序包，此软件包中的气溶胶成分是对全球气溶胶数据的统计结果，可以在8种相对湿度条件下提供6种水云、3种冰云和10种气溶胶成分在0.25～40 μm的61个波长处的微物理和光学特性。实际大气中的气溶胶是不同成分的混合物，在OPAC中可以得到基本成分以及由基本成分所组成的典型环境气溶胶的光学特性。OPAC假设气溶胶为球形粒子，并且认为所有的气溶胶粒子的谱分布满足对数正态分布，利用气溶胶粒子的粒子谱分布和光谱折射率，基于Mie散射理论计算出气溶胶的光学特性，共提供消光系数等16种不同的光学参数。

1.2 气溶胶粒子谱分布

OPAC中内置的气溶胶粒子谱分布均满足对数正态分布，其表达式为：

式中，N0是单位体积粒子总数；rgm是粒子峰值半径；σgm是几何标准偏差。

1.3 消光系数的计算

消光系数是大气能见度测量的重要中间参量。根据Mie散射理论可知，由气溶胶的复折射率m和谱分布n(r)，即可计算气溶胶的消光系数：

(2)

式中，rmin和rmax是粒子谱的粒径上下限，在实际计算中通常取0.1～10 μm。在OPAC的仿真计算中，认为不同相对湿度条件下粒子谱不变，但是气溶胶的复折射率会发生变化。由此计算不同条件下气溶胶的消光系数。

2 结果和讨论

针对大陆、城市、沙漠和海洋4类6种环境，利用OPAC计算0，50%，70%，90%，99%等5种相对湿度条件下的消光系数随波长的变化(图1)。

可见，6种典型环境的大气消光系数随相对湿度的变化而变化，同一波长处的消光系数随着相对湿度增大而增大；并且相对湿度越大，消光系数的变化也越大，但是消光系数的变化趋势以及波峰、波谷所对应的波长值基本没有发生变化，因而在进行消光系数随波长变化关系的研究中需要考虑相对湿度的影响。

图1 典型环境在不同相对湿度条件下消光系数随波长的变化(a)清洁大陆；(b)污染大陆；(c)城市；(d)沙漠；(e)清洁海洋；(f)污染海洋

气象上常用的能见度概念即所谓的气象视距RM，与可见光(中心波长0.55 μm)的消光系数的关系可由式(3)给出：

(3)

式中，σ0为波长0.55 μm处消光系数。

当探测光源的中心波长为λ时，气象光学视距应作适当订正，可以用式(4)作为近似：

(4)

式中，σλ为波长λ处的消光系数。

由公式(3)(4)可知消光系数随波长变化为：

(5)

但是通过OPAC的仿真结果发现，消光系数随波长的变化不是简单的满足该式。以式(5)为基础，定义消光系数随波长变化关系的修正量Ecd，即：

(6)

为了避免地气系统长波辐射的影响，能见度测量仪器的光源一般选择在短波波段，并且近红外波段较多，因此主要对0.55～2.5 μm波段的Ecd变化特性进行分析(图2)。

在0.55～2.5 μm波段，6种典型环境的Ecd可以分为两类，第1类包括大陆和城市，Ecd的变化持续增大，在计算时可以将其分为0.55～1.25 μm和1.25～2.5 μm两部分，并将其分别近似为线性增长；同时，在λ约为2.8 μm处，不同相对湿度具有相同的Ecd。第2类包括海洋和沙漠，此类变化简单，Ecd呈指数衰减。两类结合起来，Ecd可以表示为：

(7)

图2 典型环境在不同相对湿度条件下Ecd随波长的变化(a)清洁大陆；(b)污染大陆；(c)城市；(d)沙漠；(e)清洁海洋；(f)污染海洋

采用最小二乘法回归拟合Ecd模型中的各参数。各种典型环境Ecd模型及其参数拟合结果分析计算如下：

1)第1类变化中，不同环境的k1随相对湿度C的变化(图3)，可以对k1进行指数拟合。

k1=c·ei·C

(8)

图3 不同环境下k1随相对湿度的变化

相对湿度小于95%时，Ecd近似不变，即k2为0，当相对湿度达到98%，k2的值不为0。即：

(9)

k1的拟合参数c，i以及k2值计算如表1所示。

表1 k1函数的拟合参数以及k2的取值

2)沙漠环境的Ecd在不同的相对湿度时基本相同，因此可以使用多个湿度条件下拟合参数的平均值作为拟合结果，计算结果为：k=0.386，b=-3.15，k0=-0.068。

3)相较于沙漠环境，海洋环境的变化虽然趋势相同，但是不同的相对湿度下参数不同(图4)。

对海洋环境Ecd的拟合参数，可用式(10)对k进行拟合，用式(11)对k0进行拟合，用式(12)对b进行拟合。

k=aeb·C+ced·C

(10)

k0=c·ei·C

(11)

b=p1·C+p2

(12)

式中的各拟合参数的计算结果如表2所示。

图4 海洋环境拟合参数随相对湿度的变化：(a)k；(b)b；(c)k0

表2 海洋环境Ecd各参数的拟合参数

3 结束语

目前，能见度仪的探测光源波长主要处于近红外波段，文章利用OPAC对该波段的典型环境在不同相对湿度下的消光系数进行了计算，在原有的消光系数与波长的关系基础上将典型环境分为两类，建立了消光系数与相对湿度和波长的定量关系。不同的环境条件下，气溶胶的组成以及含量会发生较大的变化，而OPAC中的气溶胶数据是对全球测量数据的平均，因此利用OPAC计算得到的消光系数与波长和相对湿度之间的关系在实际地区应用时可能会存在误差，但是为改善能见度仪测量模型的环境适应性提供了一定的科学依据和基础。在进行能见度测量时，应进行综合观测，根据实时测得的气溶胶类型、相对湿度值，对应采用文章所提供的气象光学视程与消光系数的数学模型，有望提高能见度的测量准确度，这在综合气象观测即将普及时更好地利用观测资料、提高保障效益具有重要意义。但是，由于OPAC数据自身在实际应用时的局限性，在应用时可以结合本地区的探测结果进行比对校正。