大气悬浮颗粒物的光散射特性研究

摘要

近年来，我国北方以及内陆各大城市的空气污染越来越严重，大气中的悬浮颗粒物越来越多，导致沙尘和雾霾天气的出现越来越频繁，因此研究大气悬浮颗粒物的光散射特性对于了解颗粒物的产生来源、影响大气环境的机理具有十分重要的意义。激光在大气中传输时，大气悬浮颗粒物会使激光产生衰减，影响自由空间光通信(Free Space Opticalcommunication，FSO)的通信距离。因此，研究大气悬浮颗粒物的光散射特性对严重依赖大气环境的FSO有着重要的理论指导意义。 本文利用Mie理论与T矩阵方法，研究了不同类型和不同形状大气悬浮颗粒物的单次散射特性；采用蒙特卡罗方法研究了大气悬浮颗粒物的多次散射特性，并分析了沙尘和雾霾条件下光传输透过率、传输衰减和“能见度”随颗粒物质量浓度的变化关系。具体研究内容如下： (1)以沙尘、PM2.5、海雾和陆雾四种悬浮颗粒物为例，假设它们为球形，采用Mie理论研究了入射光波长为0.55μm时，四种悬浮颗粒物的散射效率因子、消光效率因子、吸收效率因子和后向散射系数随粒子尺寸参数的变化关系，并研究了尺寸参数对沙尘粒子散射相函数的影响。 (2)采用T矩阵方法研究了椭球粒子轴比变化对颗粒物散射相函数的影响，并与Mie理论方法进行了对比；分别研究了沙尘与PM2.5颗粒物采用椭球和柱状模型时的散射相函数，对比分析了粒子取向角对不同类型、不同形状的大气悬浮颗粒物光散射特性的影响。 (3)采用对数正态分布对沙尘的粒径分布进行了拟合，并建立了粒子质量浓度与数量浓度的转换公式。采用Mie理论研究了平面波束通过粒径满足对数正态分布的沙尘粒子群归一化体散射函数，并计算了沙尘粒子质量浓度为1199.4μg/m3(对应的粒子数浓度为1.2892x109/m3)时，0.2μm-10.6μm波段的衰减系数；利用蒙特卡罗方法计算了入射光波长为1.064μm时，衰减系数和“能见度”随沙尘粒子质量浓度的变化关系，并与Mie理论的计算结果进行了对比。结果表明：波长为6.5μm、7.8μm时的衰减系数明显低于其他波长时，分别为0.92dB/km和0.73dB/km，而无线激光通信常用的1.064μm和10.6μm衰减系数分别为11.53dB/km和2.86dB/km;由于多次散射效应的存在，采用Mie理论和蒙特卡罗方法的计算结果相差很大：当激光波长为1.064μm、沙尘粒子质量浓度为3000μg/m3时，采用蒙特卡罗方法计算的衰减系数为14.06dB/km，“能见度”为1.2km。 (4)分析了PM2.5粒径分布参数对传输透过率、衰减系数和“能见度”的影响。采用Mie 理论和蒙特卡罗方法，研究了光传输透过率和衰减系数随PM2.5质量浓度的变化关系；研究了入射光波长为0.55μm时“能见度”随PM2.5质量浓度的变化关系，并与2014-2016年北京的实测数据进行了比较。结果表明：采用蒙特卡罗方法计算的“能见度”与实测数据更吻合；当激光波长为0.55μm、PM2.5粒子质量浓度为500μg/m3时，采用蒙特卡罗方法计算的光传输透过率为3.8%，衰减系数为14.8dB/km，“能见度”为1.1km。

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