不同濕度下粉塵粒子群的散射和偏振特征

不同濕度下粉塵粒子群的散射和偏振特征

1理論參數(shù)化和輻射傳輸模式在空氣中收集的氣溶膠顆粒主要是通過反射、散射和吸收太陽短期輻射以及單次高波輻射，或用作云凝結(jié)核。增加云微滴，改變云特性，影響地氣系統(tǒng)的輻射收支，并影響區(qū)域和全球的氣候影響。了解沙塵粒子對輻射、氣候和環(huán)境的影響,需要考慮以下幾點信息:1)沙塵氣溶膠的時空分布;2)沙塵氣溶膠的物理光學(xué)性質(zhì);3)化學(xué)組成等。具體地說,在清楚沙塵氣溶膠時空分布信息后,需要根據(jù)化學(xué)組分對沙塵氣溶膠進行參數(shù)化處理,以獲得沙塵氣溶膠的具體光學(xué)特性,最后將其加入輻射傳輸模式來估算沙塵的輻射和氣候效應(yīng)沙塵物理光學(xué)特性包括吸收/散射/消光系數(shù)、單次散射反照率和相矩陣函數(shù)等,不同濕度條件下,不同化學(xué)組分的沙塵氣溶膠具有不同的吸濕性,也影響其散射輻射特性。本文根據(jù)Mie散射理論計算了0.2~40μm波段上滿足對數(shù)正態(tài)分布的沙塵氣溶膠粒子群在不同相對濕度條件時的散射輻射特性參數(shù),著重指出了單次散射反照率的波段分布和濕度影響,分析并比較了不同波段處的散射相矩陣元素及其濕度變化,說明了沙塵粒子群的散射和偏振特性。2數(shù)據(jù)和方法的研究2.1濕沙門氣溶膠粒子的表征復(fù)折射指數(shù)是描述電磁輻射與物質(zhì)相互作用的參數(shù),它由實部和虛部構(gòu)成。一般相對濕度下氣溶膠粒子的復(fù)折射指數(shù)是由干氣溶膠粒子和凝結(jié)的液態(tài)水共同決定,常用等效均勻球形粒子的折射指數(shù)表示。Hue562nel式中n為氣溶膠復(fù)折射指數(shù),下標(biāo)w和0分別表示水和干氣溶膠粒子;r式中u為常系數(shù),對于大陸潔凈大氣粒子,氣溶膠吸濕性差,u=5.8;對于海洋大氣粒子,氣溶膠吸濕性強,u=3.9;對于污染大氣粒子,氣溶膠吸濕性介于兩者之間,u=4.4。本文研究中的沙塵粒子屬弱吸濕性氣溶膠,u取4.8。研究中所用的干沙塵氣溶膠粒子和液態(tài)水的復(fù)折射率由HITRAN2008數(shù)據(jù)集提供。HITRAN數(shù)據(jù)集作為目前世界范圍內(nèi)常用的大氣分子光譜數(shù)據(jù)庫,最初是由美國空軍劍橋?qū)嶒炇以?0世紀(jì)60年代為深入細致研究大氣的紅外輻射特征而創(chuàng)建的根據(jù)氣溶膠折射指數(shù)和相對濕度間的關(guān)系,計算了相對濕度在30%~95%條件下濕沙塵氣溶膠粒子的復(fù)折射指數(shù)。圖1給出了干沙塵氣溶膠和相對濕度為30%,50%,60%,70%,80%,90%和95%條件時濕沙塵氣溶膠粒子的復(fù)折射率實部和虛部的波段分布。2.2氣溶膠粒徑譜分布實際大氣中,氣溶膠是由許多不同粒徑粒子構(gòu)成,粒子群的粒徑尺度分布復(fù)雜多變,常用一些函數(shù)來描述粒子尺度譜分布。具體研究中,利用一些經(jīng)驗公式來描述譜分布,常用的氣溶膠粒徑譜分布主要有3種:Junge譜、Deirmenjian譜和對數(shù)正態(tài)譜分布。大量的理論和實驗研究表明,對數(shù)正態(tài)分布適用于一切隨機過程,對數(shù)正態(tài)分布函數(shù)能夠較好地描述一種模態(tài)的氣溶膠粒子尺度分布式中r此外,等效粒子半徑是表征粒子大小的另一參數(shù),其定義為粒子尺度的三階矩與二階矩的比值。在對數(shù)正態(tài)分布條件下,粒子的等效半徑可表為在對數(shù)正態(tài)分布的假設(shè)下,研究中沙塵粒子群的尺度分布取典型參數(shù)。具體地,沙塵粒子取等效半徑為2.365μm海洋傳輸型沙塵粒子(模態(tài)半徑r2.3大氣中mie散射在濕氣溶膠復(fù)折射指數(shù)計算中,采用等效折射指數(shù)模型,即認(rèn)為濕氣溶膠粒子為均勻球形粒子,其折射指數(shù)既不同于干氣溶膠的折射指數(shù),也不同于水的折射指數(shù),而采用等效折射指數(shù),這樣濕氣溶膠的散射問題就簡化為球形粒子的散射問題。單個球形氣溶膠粒子的散射問題可由Mie散射理論求出。實際大氣中氣溶膠粒子群是各種尺寸粒子的集合,其散射特性是考慮一定體積內(nèi)所含有的各種不同粒徑粒子的貢獻相加。單位體積內(nèi)粒徑在r到r+dr間的粒子數(shù)為n(r)dr,則粒子群的體積消光系數(shù)β式中Q氣溶膠粒子群的單次散射反照率為描述氣溶膠散射特性的必要參數(shù),除了上述消光系數(shù)和單次散射反照率,還有一個就是相矩陣函數(shù),一般來說,若沒對散射粒子的形狀和位置做若干假設(shè),則相矩陣共有16個獨立元素,但對于一個均勻且各向同性的圓球來說,只有4個獨立元素,其相矩陣表示為本文以文獻[26~28]中介紹的理論和方法為參考,以IDL語言為編程工具,對粒徑符合對數(shù)正態(tài)分布的沙塵氣溶膠粒子群,計算了不同濕度條件下,0.2~40μm波段上的散射特征參數(shù),分析單次散射反照率和散射相矩陣元素,說明沙塵粒子群的散射和偏振特性。3顆粒沙的散射輻射特性3.1濕度對單次散射反照率的影響由(6)式知,單次散射反照率ω定義為氣溶膠粒子散射消光與總消光(吸收+散射)的比,是衡量氣溶膠粒子吸收特性的參數(shù)。圖2給出了干氣溶膠粒子和8種相對濕度條件(30%,50%,70%,75%,80%,85%,90%和95%)下,沙塵氣溶膠粒子群的單次散射反照率在0.2~40μm波段上的變化。由圖2中可以看出沙塵粒子群單次散射反照率受濕度影響明顯,在大于9.0μm的熱紅外波段,單次散射反照率隨相對濕度的增大而減小,在小于9.0μm波段上,除在2.8~3.2μm波段間沙塵氣溶膠粒子群散射的單次散射反照率隨相對濕度的增大而減小,其他波段上單次散射反照率總是隨著濕度的增大而增大。整體而言,不同濕度條件下,沙塵單次散射反照率隨入射波長有大的變化起伏,但其趨勢大體一致,峰谷出現(xiàn)的位置基本相同,集中在3.0,6.0,8.1μm附近,在這些變化劇烈區(qū),干和濕的變化影響較大,特別是3.0μm和8.1μm附近;此外,可見光、近紅外波段單次散射反照率較大,相對濕度95%時接近于1,具有較大散射特性,而大于10μm的熱紅外波段吸收性較強。3.2沙區(qū)主要在不同相對濕度條件下,不同相對濕度條件下,沙場群散射相矩陣元素p-ppp為了更進一步地說明不同波段上沙塵粒子群的散射和偏振特征,圖3~8給出了紫外0.337μm、可見光0.55μm、近紅外0.86μm、短波紅外1.536μm、中紅外3.75μm和熱紅外11.0μm6種代表波段上,不同相對濕度條件(30%,50%,70%,75%,80%,85%,90%和95%)下,沙塵粒子群散射相矩陣元素P散射相矩陣元素P-PPP3.3單次散射反照率高不同濕度條件下,不同波段上沙塵粒子群的散射和偏振特性存在差異,這種特征差異主要是由折射指數(shù)的不同引起。從圖1給出的不同相對濕度條件下沙塵氣溶膠粒子的復(fù)折射指數(shù)實部和虛部,可以看出,可見光和近紅外波段上復(fù)折射指數(shù)的實部和虛部都隨著濕度的增加是減小的,同時實部比虛部要高出幾十至幾千倍量級,特別是在高濕度條件下,這就造成了沙塵粒子群在可見光、近紅外波段上的散射要遠強于吸收,即單次散射反照率值較高,且隨著濕度增大而增大;短波紅外上,雖然實部隨濕度增加是增大的,但相對變化不大,同時實部仍高于虛部百倍量級,所以其單次散射反照率仍然較高,隨濕度增加仍保持增大變化;而熱紅外波段上,實部隨濕度增加而減小,虛部卻隨濕度增加而增大,兩者在量級上也只差幾倍,致使該波段上單次散射反照率變小,呈現(xiàn)出隨濕度增加逐漸減小的趨勢。同樣,不同波段處,相矩陣函數(shù)表現(xiàn)出的濕度差異也可由復(fù)折射指數(shù)進行部分解釋,如關(guān)鍵散射角(最小或最大,其值隨折射指數(shù)實部的增大而增大本文理論計算了不同濕度條件下沙塵粒子群的散射和偏振特性,結(jié)果的可信度需要實驗或?qū)崪y數(shù)據(jù)進行驗證。為此,研究選擇撒哈拉沙塵實驗(SAMUM)實驗期間,站點PorteauSahara連續(xù)實際測量的沙塵數(shù)據(jù)對本文理論計算的單次散射反照率ω和相矩陣元素P4入射光在不同波長的影響基于Mie散射理論,結(jié)合對數(shù)正態(tài)分布函數(shù)分布的沙塵氣溶膠粒子群,計算了8種相對濕度條件下,沙塵粒子群的光散射特性參數(shù)。在0.2~40μm波段范圍內(nèi),不同濕度下,沙塵粒子群的單次散射反照率變化趨勢一致,除在3.0,6.0和8.1μm附近出現(xiàn)跳躍性變化外,其他變化相對平滑。在可見光、近紅外波段單次散射反照率隨濕度增加而接近于1,具有較大散射特性,而大于10μm的熱紅外波段吸收性較強,隨濕度增加而減小。對于0.2~40μm內(nèi),散射光強受濕度影響較小,隨散射角的增加呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢,前向散射遠高于后向散射,隨著波長增加散射光強減弱,且波段越大,后向散射區(qū)內(nèi)的增大趨勢越趨平緩。不同波段的入射光經(jīng)沙塵粒子群散射產(chǎn)生的線偏振和圓偏振隨散射角和濕度變化存在差異:散射光的偏振特性及其濕度差異主要表現(xiàn)在后向散射區(qū),多以拱形形式體現(xiàn),拱頂峰值散射角位置存在差異,且峰值散射角隨濕度的降低向后向漂移;特別的,在熱紅外波段,線偏振呈現(xiàn)以90°為中心的軸對稱分布,入射光為圓偏振光時產(chǎn)生的圓偏振呈現(xiàn)以90°為中心的點對稱變化,入射光為-45°方位向的線性偏振光時產(chǎn)生的圓偏振變化起伏不大,同樣以近90°為中心的軸對稱形式;在前向和后向僅對入射光為圓偏振光時產(chǎn)生圓偏振散射。最后從理論和實驗數(shù)據(jù)對研究進行了初步的分析和驗證,表明沙塵氣溶膠粒子群的散射偏振特性具有一定的可信度。這些結(jié)論為沙塵氣