激光雷达探测大气气溶胶研究进展
周军
（中国科学院大气成分与光学重点实验室，合肥市230031）摘要本文分析了米散射（Mie）激光雷达、拉曼（Raman）激光雷达、高光谱分辨激
光雷达（HSRL）及偏振（Polarization）激光雷达在大气气溶胶探测研究中的特点及其应用进展。随着激光技术、光学机械加工技术、信号探测与采集技术的发展和新的探
测原理与方法的涌现，大气气溶胶探测激光雷达取得了长足的技术进步。激光雷达由
单波长单功能向多波长多功能发展；由仅仅夜晚探测向白天夜晚连续探测发展；由需
要人工干预向着无人值守自动化运行发展；由实验室的研究设备型向商业化产品型转
化。对于大气气溶胶光学参数、微物理参数和气溶胶分类的探测研究，需要定量地获
取多波长大气气溶胶消光系数、后向散射系数及退偏振比等光学参数，如2α（355nm，532nm）+3β（355nm，532nm,1064nm）+2δ（355nm，532nm）等。为此，研制被称
之为Next generation aerosol lidar的多波长Raman/HSRL-Mie-Polarization激光雷达系统为激光雷达界所关注。为了适应区域性和全球气候与环境变化对大气气溶胶三维空间
分布和时间演变资料（4D）的需求，近些年来，先后建立了区域性的地基大气气溶胶激光雷达观测网（如EARLINET、AD-Net等）。国际气象组织（WMO）正在此基础上组建全球大气气溶胶激光雷达观测网,G AW A esosol LI dar O bservation N etwork
(GALION)。同时，气溶胶激光雷达的支撑平台也由地基向机载（如国家航空遥感系统）和星载（如CALIPSO）方向发展。
关键词激光雷达、大气气溶胶、气溶胶观测网
1. 气溶胶激光雷达的功能
2008年10月世界气象组织（WMO）发布的GAW Report No.178《Plan for implementation of the GAW Aerosol Lidar Observation Network GALION》文件中明确地给出了各种类型的激光雷达探测大气气溶胶的功能[1]，如表1所示。
表1.各种类型的激光雷达探测大气气溶胶（云）的功能。
表 1 中的 BL 为 Mie 散射激光雷达；SPM 为太阳光度计；DL 为偏振激光雷达；RL 为 Raman 激光雷达；HSRL 为高光谱分辨激光雷达；MRL 为多波长 Raman 激光雷达。
2. 大气气溶胶激光雷达
2.1 Mie 散射激光雷达（BL ）
Mie 散射激光雷达接收的大气后向散射回波信号可以表示成如下 Mie 散射激光雷达方程 形式，
1
z P (z ,λ ) = K β(z ,λ ) exp{?2 α(z ' ,λ )dz '} ∫z （1）
L L L
2 L L z 0 式中，P L (z,λL )是激光雷达接收的高度 z 处的大气后向散射回波功率(W)；
λL 是激光波长（n m ）；K L 是激光雷达系统常数（W.km 3.sr ）；
β(z,λL ) 是 高 度 处 的 大 气 在 波 长 λL 上 的 后 向 散 射 系 数 (km -1·sr -1) ， β(z,λL )=
βm (z,λL )+βa (z,λL )，βm (z,λL )和βa (z,λL )分别是空气分子和大气气溶胶的后向散射系数；
z α(z,λL )是高度 z 处的大气在波长λL 上的消光系数（km -1），α(z,λL )= αm (z,λL )+ αa (z,λL )，
αm (z,λL )和αa (z,λL )分别是空气分子和大气气溶胶的消光系数；
z 0 是激光雷达所在的高度（km ）。
在 Mie 散射激光雷达数据处理中，使用 Fernald 方法反演大气气溶胶后向散射系数或消光 系数垂直分布[2]： βa (z ,λL ) = ?βm (z ,λL ) +
z X (z ,λ ) exp[?2(S ? S ) β (z ' ,λ )d z ' ] ∫z （2） L 1 2
m L c X (z c ,λL ) ' z X z 1 ∫z z ' 2 )∫z βm ( ,λL ) z '' d z '' d z ' ? 2 )
S ( ,λL ) exp[?2( S 1 ? S ] β (z ,λ ) + β (z , λ c c a c L m c L 式中X(z,λL )=P(z,λL )Z 2 。为此，必须事先做出以下三个假设：
假设气溶胶的消光后向散射比（激光雷达比）S 1为一不随高度变化的常数；空气分子的消 光后向散射比S 2为8π/3 Sr 。
空气分子的后向散射系数βm (z ，λL )和消光系数αm (z ，λL )通过实际大气中温压湿气象探空 资料或使用温压湿标准大气模式，获得空气分子的密度，再由分子Rayleigh 散射理论计算得到；
在对流层顶附近搜索一个气溶胶含量相对较少的高度作为标定高度Z C ，并假设标定高度 上的气溶胶的散射比为已知，作为（2）式中的边界值。
这些假设值将给反演的大气气溶胶后向散射系数的误差为10%左右，给反演的大气气溶胶 消光系数的误差为50%左右。
Mie 散射激光雷达的优点是结构简单、成本低、技术成熟、自动化程度高、探测跨度可以 覆盖整个对流层或平流层，能够实现白天与夜晚的连续探测。能够较好地获得大气中各种层 结构的垂直分布和时间演变特征。缺点是由于 Mie 散射激光雷达方程中同时存在大气气溶胶 的消光系数和后向散射系数，为了求解方程必须假设两者之间满足某种已知的关系，这种假 设会给反演结果带来较大的误差，特别是反演的大气气溶胶消光系数往往会有较大的误差。
Mie 散射激光雷达已经有商业化的产品，而且被广泛应用到大气气溶胶探测中，如国际上 微脉冲激光雷达网（MPLNET ）和亚洲沙尘网（AD-NET ）等激光雷达网中采用的就是 Mie 散 射激光雷达。星载激光雷达 CALIOP 也是一台带偏振检测通道的 Mie 散射激光雷达[3]。对于平
流层气溶胶的测量，目前也主要依靠 Mie 散射激光雷达。
2.2 拉曼激光雷达（RL ）
Raman 散射激光雷达方程为，
P (z ,λ ) = K N (z ) d σN (λ ,π) exp{? z [α (z ' ,λ ) +α (z ' ,λ )]dz '} 1
∫z R R R N 2 L m L m R 2 z d ? 0 (3)
z exp{? [α (z ' ,λ ) +α (z ' ,λ )]dz '} ∫z a L a R 0 式中，P R (z, λR )是激光雷达接收的高度 z 处的氮气分子 Raman 后向散射回波功率（W ）；
K R 为 Raman 激光雷达系统常数（W.km 3.sr ）；
λL 和λR 分别是发射波长和 Raman 散射波长（nm ）；
N N2(z)是高度 z 处的氮气分子的数密度（cm -3）；
d σN (λL ,π)/d Ω是氮气分子在波长λL 上的后向 Raman 散射截面（cm 2 sr -1)； αm (z,λL )和
αm (z,λR )分别是高度 z 处的空气分子在波长λL 和λR 上的消光系数（km -1）； αa (z,λL )和αa (z,λR )分别是高度 z 处的大气气溶胶在波长λL 和λR 上的消光系数（km -1）； z 0 是激光雷达所在的高度（km ）。 对于拉曼激光雷达（RL ），求解大气气溶胶消光系数αa (z,λL )
如下式所示[4]：
N (z ) d N 2 ln ?α (z ,λ ) ?α (z ,λ ) dz P (z ,λ )z 2 m L m R α (z ,λ ) = R R （4）
a L λ L )k
1+ ( λR 式中氮气分子的数密度 N N2(z)和空气分子的消光系数αm (z,λL ),αm (z,λR )的垂直分布可以从 当地（或附近）的适时气象探空资料或者历史气象探空资料中获得。
Raman 激光雷达的优点是能够比较精确地测量大气气溶胶的消光系数、后向散射系数和 激光雷达比。缺点是 Raman 回波信号微弱，比米散射或大气分子的瑞利散射信号小 3-4 个数 量级。因此，Raman 激光雷达白天探测大气气溶胶的高度受到限制，一般在夜晚进行观测， 另外，为了提高回波信号的信噪比，需要对回波信号进行较长时间的累积平均，这在一定程 度上限制了其时间分辨率。Raman 激光雷达主要用于测量大气边界层与自由大气中下部大气 气溶胶层和云层中的消光系数和激光雷达比。
拉曼激光雷达的结构也比较简单，成本比较低，但是对激光器输出的激光波长、脉冲能 量和重频以及接收望远镜的口径等的要求都比 Mie 散射激光雷达要高。
Raman 激光雷达的探测大气气溶胶后向散射系数的误差为 5 %左右，探测大气气溶胶消光 系数的误差为 10%左右。由于 Raman 激光雷达探测大气气溶胶与云的精度比较高，是目前世 界气象组织和国际激光雷达委员会推荐的一种大气气溶胶与云的激光雷达技术。在计划建立 的全球大气气溶胶激光雷达观测网 GALION 的实施计划中，明确规定骨干站必须装备 Raman 激光雷达系统[1]。欧共体基于地基 Raman 激光雷达，组建了欧洲气溶胶观测网 EARLINET ， 用于测量、研究大气气溶胶的光学性质，该激光雷达网的最终目标是要建立气溶胶气候学。
2.3 偏振激光雷达
偏振激光雷达是通过探测非球型粒子后向散射光的退偏振特性来研究粒子的形态的，是 一种研究卷云和沙尘气溶胶等大气非球形粒子形态的有效工具。大气中的沙尘粒子和卷云粒 子都是典型的非球形粒子，当一束线偏振激光照射到这些非球形粒子时，其后向散射光将不
再是线偏振光，探测其后向散射光中的垂直分量和平行分量，可以获得粒子的退偏振特性。
偏振激光雷达探测气溶胶粒子的退偏振比δ（z ,λ) 可表示为[5]：
δ(z ,λ) = βs (z ,λ) = k (λ) P r s (z ) (5)
βp (z ,λ) P r p (z ) 式中， k (λ)=k p (λ)/k s (λ
) ,为平行分量和垂直分量两个通道的增益常数比 k (λ) ，即标定因子， 它包含了激光雷达系统的退偏振效应和两个通道不同的探测效率等，可以使用非偏光源法、
空气分子法和1/2波片法等来测定
k (λ)[6]。这样，通过分析偏振激光雷达接收到的各个高度处大 气后向散射回波功率的平行分量P r p (z ,λ)和垂直分量 P r s (z
,λ)以及标定因子 k (λ)，利用（5）式，就 可以获得大气退偏振比的垂直分布廓线 δ(z ,λ) 。由于大气中空气分子的退偏振比很小，仅为 0.0297，因此，偏振激光雷达探测大气中非球形粒子时获得的大气退偏振比δ(z ,λ) 主要来自这 些非球形粒子的贡献。
2.4 高光谱分辨激光雷达（HSRL ）
由于空气分子 Raman 后向散射回波信号较为微弱，限制了 Raman 激光雷达在大气气溶胶 测量中的应用。为了弥补 Raman 激光雷达的缺点，提出利用空气分子的 Rayleigh 后向散射回 波信号取代空气分子的 Raman 后向散射回波信号，以实现对对流层大气气溶胶消光系数、后 向散射系数的昼夜连续测量。
由于空气分子运动速度的 Maxwell 分布宽度约为 300m /s ，其产生的 Doppler 频移约为 1 GHz.。相反，大气气溶胶粒子的质量较大， 其运动速度是由大气风场(~10m /s) 或大气湍流 (~1m /s) 确定，产生的 Doppler 频移分别约为 30 MHz 和 3 MHz 。因此 Mie 散射回波信号和 Rayleigh 散射回波信号的光谱并不重合。空气分子和大气气溶胶后向散射回波信号的光谱曲线 中间的尖峰是大气气溶胶的 Mie 散射回波信号，旁边较宽的区域是空气分子的 Rayleigh 回波 信号。要将大气气溶胶的 Mie 散射信号和空气分子的 Rayleigh 散射信号分开，要求滤波器的 带宽大约为 2GHz 。因此采用这种技术的激光雷达被称为高光谱分辨激光雷达。目前通常采用 吸收滤光器和 F-P 标准具这两种手段实现这种高光谱分辨的滤波。
吸收滤光器是利用原子或分子的吸收谱线，将激光波长附近的一个窄带宽内的回波信号 吸收。吸收滤光器的应用受到激光光源和原子或分子吸收谱线两个因素的限制。碘蒸汽在 YA G 激光的二倍频波长 532nm 附近有一个带宽约为 2GHz 的吸收峰，将气溶胶的 Mie 后向散射回 波信号全部吸收和小部分空气分子 Rayleigh 后向散射回波信号吸收，只让大部分空气分子分 子的 Rayleigh 后向散射信号通过。
这样，经过系统校准后，HSRL 接收的空气分子的 Rayleigh 后向散射回波信号 P m (z,λL )为， 1 z P (z ,λ ) = K β (z ,λ ) exp{?2 [α (z ' ,λ ) +α (z ' ,λ )]dz '} ∫z （6）
m L m m L m L a L 2 z 0 和 Mie 散射激光雷达方程相比，（4）式中后向散射系数项只有空气分子的后向散射系数 βm (z,λL )一项，而与气溶胶的后向散射系数无关。方程中与气溶胶有关的量就只有气溶胶的消 光系数，因此不需要其它假设的辅助条件，就可以从 Rayleigh 散射回波信号中求解出大气气 溶胶消光系数αa (z,λL )[7]，
{ } + m ( L ) z 2 1 d ln P z ,λ m ( L ) ?α d β z ,λ 1 (z ,λ ) = ? (z ,λ ) α （7）
a L (z ,λ ) m L 2 dz 2β dz m L F-P 标准具正好和吸收池相反，它在激光波长附近有一个很窄的透过峰，让 Mie 散射回波 信号透过，而截至掉 Rayleigh 散射回波信号。标准具透过峰的中心波长很容易改变，因此它 要比吸收池有更广泛的适用性。
值得注意的是，HSRL 激光雷达是根据 Rayleigh 后向散射回波信号计算大气气溶胶消光系 数的。而利用标准具分光时，一般接收的是总的弹性 后向散射回波信号和气溶胶的 Mie 后向 散射回波信号，因此需要将两个回波信号做减法，得到空气分子的 Rayleigh 后向散射回波信 号。在两个回波信号相减之前，必须要对两个通道中的回波信号进行定标，校正由于两个通 道中硬件参数的不同造成的回波信号的差异。
HSRL 激光雷达是实现大气气溶胶光学特性昼夜连续定量测量的一个有效的手段，目前全 球很多激光雷达站点都已经装备或正在研制 HSRL 。HSRL 的最大的优点就是 Rayleigh 散射回 波信号强，能够昼夜连续工作，并且回波信号信噪比高，数据处理比较容易，反演结果有比 较高的精度。HSRL 是将来在飞机和卫星平台上定量测量气溶胶和云消光系数、后向散射系数、 消光后向散射比垂直分布的有效技术手段。缺点就是 HSRL 需要带种子注入的激光器作为光 源，有的还需要标准具作为滤波器，设备成本很高，并且系统比较复杂，短时间内难以大规 模推广和应用。
3. 气溶胶激光雷达发展趋势
3.1 新技术和新方法
未来一段时间内，在大气气溶胶激光雷达探测方面，主要围绕新技术和新方法、大范围 的协同长期测量以及激光雷达数据应用等方面展开研究。激光雷达由单波长单功能向多波长 多功能化发展；由夜晚探测向白天夜晚连续探测发展；由实验室的研究型 设备向商业化产品 型转化。如对于大气气溶胶光学参数、微物理参数和气溶胶分类的探测研究，采用多波长 Raman/HSRL-Mie-Polarization 激光雷达。为此，日本国立环境研究所正在研制被称之为Next generation aerosol lidar 的2α（355nm ，532nm ）+3β（355nm ，532nm, 1064nm ）+2δ（355nm ， 532nm ） 的Compact, automatic HSRL ， 用于探测dust, sea-salt, water soluble, black carbon and particle size of water soluble 等[ 8]；
多波长 Raman/HSRL-Mie-Polarization 激光雷达能够测量大气气溶胶在多个波长上的消光 系数和后向散射系数的垂直分布，通过求解第一类 Fredholm 积分方程，就可以反演出大气气 溶胶的复折射率和谱分布等微物理参数的垂直分布。目前在这方面的研究工作已经取得了重 要进展[ 9]，这对于气溶胶激光雷达未来的发展和应用具有重要的意义。
3.2 激光雷达观测网
为了适应全球气候和环境变化研究对大气气溶胶空间分布和时间演变资料的迫切需求， 国际上在世界气象组织、联合国环境署及区域性国际组织的支持下，近些年来已经陆续建立 了一些探测大气气溶胶物理化学性质四维分布的观测网，比较重要的有全球 大气成分变化探 测网（Network for the Detection of Atmospheric Composition Change, NDACC ）、欧洲气溶胶研 究激光雷达观测网（EARLINET ）、亚洲沙尘激光雷达观测网（AD-Net ）、美国东部激光雷达 观测网（REALM ）和微脉冲激光雷达网（MPLNET ）等。最近，国际气象组织（WMO ）和
有关研究机构正在计划组建全球大气气溶胶激光雷达观测网,G AW A esosol
LI dar O bservation N etwork(GALION)[1]。
这些观测网在激光雷达大气气溶胶的探测技术、探测方法和数据处理方法以及反演方法上严格地做到统一与规范，以确保大气气溶胶探测数据的质量与可靠性。大气气溶胶激光雷达观测网可以获得大面积的空间覆盖，获得激光雷达网的运行经验，大气气溶胶参数反演，为提高仪器探测精确度和最优化研制提供坚实基础，建立必要的合作，成员间可以充分利用数据。激光雷达观测网可以在多个方面发挥其它手段不可替代的作用：大气气溶胶的排放、垂直结构和时间变化的持续监测；大气气溶胶的水平输送的监测；为气候变化的模式研究提供数据；卫星对地测量的独立定标等等。
3.3 机载和星载激光雷达
激光雷达的平台从地基、车载发展到机载和星载。与地基单站激光雷达相比，机载、星载激光雷达的最大优点是具有开展大范围的区域性的乃至全球大气气溶胶3D分布特征的探测能力，可用于同一区域的重复探测及不同区域的快速探测，包括大洋深处、高山、沙漠及荒无人烟的偏远地带等；由于是来自同一台气溶胶激光雷达的探测，因此所有探测区域的大气气溶胶数据具有可比性；同时，机载激光雷达也是研制星载激光雷达重要的技术储备与探测性能的验证平台。
我国已经开始实施了国家重大科技基础设施建设项目《国家航空遥感系统》，其中的一个项目为中国科学院大气成分与光学重点实验室承担的机载双波长米散射偏振激光雷达系统，用于探测对流层大气气溶胶光学性质与形态特征的空间分布。目前，该项目已经通过了国家发改委的可行性研究评审，进入了研制阶段。
2000年在第二十届国际激光雷达会议上，国际知名激光雷达专家，美国NASA M.Patrick McCormick预言“Spaceborne lidars do have a bright future”。2003年1月美国NASA成功地发射了第一台星载激光雷达GLAS（Geoscience Laser Altimeter System）。接着2006年4月，美国NASA成功地发射了第二台星载激光雷达CALIOP（Could Aerosol Lidar with Orthogonal Polarization）。
云气溶胶激光雷达红外探索卫星观测系统（CALIPSO）是由美国NASA、Ball公司和Hampton大学与法国的CNES和IPSL五个单位联合研制的[10]。CALIPSO已于2006年4月28 日发射升空。至今仍然在运行之中。
参考文献
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10.Dave Winker,Ground truth for CALIOP,WMO Experts Meeting on the implementation of a GAW Aerosol Lidar Observation Network:GALION,27-29March,2007,Hamburg,Germany.
气溶胶总放测试结果随时间变化的分析 陈玮 【摘要】气溶胶总放测试中样品取样后的放臵时间直接影响着测试结果，灰化法和直接测试法的结果也存在差异，本文通过实验验证了气溶胶总放测试中时间和测试方法对测试结果的影响。结果表明气溶胶采样初期总α、总β放射性水平衰减剧烈，测试值在3天后才趋于稳定，在同一时间刻度下灰化法测试气溶胶总α、总β放射性水平的结果略小于直接法测试结果。 【关键词】气溶胶，总α、总β放射性水平，灰化法，时间衰变 1 引言 气溶胶监测，已成为辐射环境监测的重要途径之一。当需要监测大气的放射性物质时，首先通过滤膜收集气溶胶，再通过仪器测试其中放射性活度，然后在通过能谱监测系统，最终确认气溶胶样本中附着有哪些放射性物质。进而分析空气中含有放射性核素的固体或液体微粒。 在气溶胶样品采样过程中,采样器收集长寿命放射性气溶胶粒子的同时,把短寿命的Rn,Th子体形成的α和β放射性粒子也收集在滤膜样品上,这些天然存在的、短寿命的α和β放射性粒子可能会严重干扰需要监测的长寿命放射性粒子，进而对测试结果产生影响。目前，我国辐射环境监测质量方案对气溶胶监测有明确的要求，但对于具体监测方法却没有细致说明。 2 实验及结果 对于放射线活度的测试，根据监测目的的不同需要采取不同的方法。目前环境质量监测中气溶胶的测试一般先将气溶胶样品灰化然后再测量，该方法即干式灰化法，将气溶胶滤膜放在电炉上于较低温度条件下炭化至不再冒烟时，转移到马福炉内于约500℃条件下灰化。样品在灰化的同时也通过时间衰变消除了段寿命的α和β放射性粒子干扰，使其中短寿命的粒子衰变到可以忽略的程度再进行长寿命的放射性活度测量。然而，要快速了解有无人工核素污染进行比值测量时，应使用直接测量法。需即时、快速了解工作场所的污染状况,必须采用快速监测仪对样品即时进行放射性测量。 但不管采样何种方法，气溶胶样品采集后放臵的时间都会影响到测试结果。本文将采集的气溶胶样品采用直接测量法、灰化法进行了总放的测量，每小时读取一次数据，测试数据如表1、表2，测试结果随时间变化如下图。
南京信息工程大学激光雷达探测气溶胶实验报告 姓名：周标 学号：20121359069 学院：物理与光电工程学院 专业：光信息科学与技术 二〇一四年十二月十二日
摘要：大气气溶胶影响着天气和气候的变化，通过用激光雷达对水平大气中的气溶胶进行连续观测，得到大气气溶胶浓度的高度分布数据，用Klett法反演和斜率法得到了气溶胶消光系数数值并利用MATLAB程序用计算机对所得实验数据快速方便地直接得出出测量结果和图示。 关键词：气溶胶；激光雷达；探测；Klett反演算法；斜率法；消光系数；MATLAB 前言 大气气溶胶是指悬浮在大气中直径为0.001—100μm的液体或固体微粒体系。对流层气溶胶的形成与地球表面的生态环境和人类活动直接相关。地面扬尘、沙尘暴、林火烟灰、花粉与种子、海水溅沫等是对流层气溶胶的自然源,人工源则是由工业、交通、农业、建筑等直接向对流层中排放的气溶胶粒子。同时,对流层大气中许多气态污染物的最终归宿是形成气溶胶粒子,如二氧化硫、氮氧化物、碳氢化合物等通过气粒转化生成气溶胶粒子。这些气溶胶粒子通过吸收和散射太阳辐射以及地球的长波辐射而影响着地球大气系统的辐射收支,它作为凝结核参与云的形成,从而对局地、区域乃至全球的气候有着重要的影响。对流层气溶胶粒子对激光的吸收和散射作用使它成为激光大气传输的重要消光因子。 激光雷达为大气气溶胶探测研究提供了有力的工具。数十年来,激光技术的不断发展为激光雷达大气气溶胶探测提供了所需要的光源。另一方面,信号探测和数据采集及其控制技术的发展使激光雷达在大气气溶胶的探测高度、空间分辨率、时间上的连续监测和测量精度等方面具有全面的优势,是其它探测手段不能比拟的。 本文介绍该激光雷达的总体结构、技术参数及其工作原理,同时给出了大气气溶胶的垂直消光系数廓线以及典型测量结果的分析和讨论。 1，研究的目的 大气中，尘埃、烟雾、云团等气溶胶粒子对大气的化学过程、辐射平衡、气候变化乃至人们的日常生活都有着非常重要的影响。因此，对大气气溶胶粒子的光学特性的探测研究一直是大气科学、气象探测和环境保护的一项重要任务。 近年来，中国经济的飞速发展已受到全世界的关注。然而，这种快速的经济增长也伴随着社会体系的变革，高度的工业化和城市化造成许多气溶胶粒子和温室气体被排放到大气，带来了一系列的环境问题，对可持续发展有着严重的负面影响，同时对人们的日常生活和身体健康存在着严重的威胁。如何获取环境变化的第一手资料，准确地提供大气物性及其变化
第23卷 第3期2008年3月 地球科学进展 A DVAN CE S I N E AR T H S C I E N C E V o l.23 N o.3 M a r.，2008 文章编号：1001-8166（2008）03-00 -10 气溶胶与云相互作用的研究进展* 段 婧，毛节泰 （北京大学物理学院大气科学系，北京 100871） 摘 要：气溶胶和云在气候系统中扮演着重要角色，近年来随着人们对它们重要作用的深入认识，气溶胶与云的相互作用也逐渐成为气候研究的一个重要方向。对该领域的研究方法和近20年来国内外的相关研究做了全面回顾。飞机观测、卫星观测、以及观测和模式模拟相结合3种研究方法被主要应用于该项研究。大量观测和模拟都证明了气溶胶对辐射、云滴以及降水的影响；云凝结核作为气溶胶和云相互作用过程中的重要环节，近些年在观测技术上有了较大进展，对相关理论的研究也随着观测水平的进步有了较大发展。我国在该领域的研究也从单一的观测资料分析逐渐转向模式模拟、多种方法综合分析。最后结合国内外研究进展，对该领域未来的发展进行了展望。 关 键 词：气溶胶；云；相互作用；气溶胶间接效应；云凝结核 中图分类号：P426．5 文献标识码：A 1 引 言 气溶胶是大气中一种重要的微量成分，它是许多大气化学过程的媒介或终端产物。尽管气溶胶的研究已经进行了几十年，但是它仍然是气候变化中最不确定的因素。伴随着矿物能源的消耗，人类向大气排放硫氧化物和氮氧化物，这些物质不但导致酸沉降，而且还能和其它人类活动排放的物质在大气中形成气溶胶。实际大气气溶胶的成分非常复杂，它可以通过吸收和散射太阳辐射而直接影响地气系统的辐射平衡，即直接辐射气候效应。另一方面，气溶胶粒子又可以作为云的凝结核影响云的光学特性、云量以及云的寿命，产生间接效应。目前对间接辐射强迫估计的不确定性很大［1］，而且对云本身的辐射特性的了解也还不是很全面。因此，气溶胶－云－辐射间的相互作用情况既是气候系统最不确定的因素之一，也是当前气候研究和预测中的难点问题［2］。 本文简要介绍了气溶胶与云的相互作用原理及 其国内外主要研究进展，并对我国未来气溶胶与云相互作用的研究重点和难点进行了展望。 2 气溶胶与云的相互作用 2.1 气溶胶与云相互作用过程 气溶胶的间接辐射强迫作用表现为气溶胶与云的相互作用，具体来讲就是气溶胶可以通过参与云中的微物理过程来改变云的物理特征，从而改变其辐射特性。通过近些年的研究，这种间接辐射强迫主要可以描述为两类间接效应（图1）。第一类间接效应也称T w o m e y效应，指气溶胶增加使云中云滴数量增加，减少云粒子半径，从而增加云的反照率（它依赖于气溶胶的吸收特性和光学厚度）；第二类间接效应也称为“云的生命期效应”或“A l b r ec ht效应”，是由人为气溶胶增加引起粒子半径的减小，从而抑制降水，使云的生命时间发生变化［3］。另有新近的研究提出一种气溶胶对云的半直接效应（s e m i-d i r ec t e ff ec t o n c l o ud）：吸收性气溶胶也可以通过云的半直接效应来使地面变暖［4，5］，在这种效应的作 * 收稿日期：2007-11-12；修回日期：2008-02-20. *基金项目：国家自然科学基金项目“华北地区大气气溶胶与云凝结核的飞机观测及其云物理效应的初步研究”（编号：40475003）；国家重点基础研究发展计划项目（973）“中国大气气溶胶及其气候效应的研究”（编号：2006 C B403706）资助. 作者简介：段婧（1981-），女，河北石家庄人，博士研究生，主要从事气溶胶及其气候效应的研究. E-m a i l：d u a n j i ng＠p ku. e du. c n
浅谈大气探测技术 摘要:大气探测是利用各种探测手段对大气中的物理过程和物理现象及气象要素等进行观测、探 测并使用不同的载体记录下来。大气探测所获取的气象记录、资料是进行天气预报、气候分析、 气象科学研究和为各行各业服务的基础。近年来，随着自然科学与技术的进步，国际气象探测 技术也取得了显著的发展。本文在此阐述了以下几种探测技术。. 关键词: 大气探测技术气象探测. 大气探测又称气象观测，是对地球大气圈及其密切相关的水圈、冰雪圈、岩石圈（陆面）、生物圈等的物理、化学、生物特征及其变化过程进行系统的、连续的观察和测定，并大气探测对获得的记录进行整理的过程。气象观测是气象科学的重要分支,它将基础理论与现代科学技术相结合，形成多学科交叉融合的独立学科，处于大气科学发展的前沿。气象观测信息和数据是开展天气预警预报、气候预测预估及气象服务、科学研究的基础，是推动气象科学发展的源动力。发展一体化的气象综合观测业务是气象事业发展的关键。 大气探测主要包括：地面观测、高空探测、特种观测和遥感探测等。 1、地面气象观测主要是对近地层范围内的气象要素进行观察和测定，大气探测主要观测的项目有：气温（离地1.5米高处，百叶箱内的气温）、地温、湿度、气压、风（包括风向风速）、云、天气现象、能见度、降水、蒸发量、日照时数、太阳辐射等。 2、高空气象探测一般是用探空气球携带探空仪器升空进行，可测得不同高度的大气温度、湿度、气压，并以无线电信号发送回地面。利用地面的雷达系统跟踪探空仪的位移还可测得不同高度的风（风向、风速）。 3、特种观测主要包括大气本底观测、酸雨观测、臭氧观测、紫外线观测等。遥感气象探测主要是利用气象卫星、雷达等设备进行气象要素探测。 下面介绍三种具体的大气探测技术： 一、利用微波折射率仪探测 探测对流层中大气时，折射率仪是众多测试手段中的唯一一种直接测量大气折射率的设备。它的研制可上溯到40年代。历史上有以谐振腔为传感器和以电容为传感器的两类折射率仪。后者虽重量轻，但其精度相对较低。目前常用的是前一种。以谐振腔测量空气折射率的原理是，通过测量谐振腔内空气折射率变化δN引起的谐振频率f的变化量盯来得到空气折射率N。δN=-δf/f。典型的仪器是3公分微波折射率仪，这种仪器的特点是测量精度高、响应速度快，其测量精度一般都达到IN单位，采样速度可在100次/秒以上。仪器稳定度可达士10-7/℃。采样腔的开口部分使折射率仪能够瞬间响应空气的折射率变化。它在雷达定位等系统的工作中是大气结构精确测定的必需设备。目前美国、前苏联、英国、法国、日本、印度等国都拥有微波折射率仪，并且在评价大气对雷达系统和通信系统的影响中，一直进行机载测量。
F 81 EJ/T 631—1992 放射性气溶胶采样器 1992-03-16发布 1992-07-01实施 中国核工业总公司发布 附加说明： 本标准由中国核工业总公司提出。 本标准由中国辐射防护研究院负责起草。 本标准主要起草人：卢正永。 1 主题内容与适用范围 本标准规定了放射性气溶胶采样器的设计要求、技术特性及试验方法。 本标准适用于各种抽气式放射性气溶胶采样器；抽气式非放射性气溶胶采样器也可参照执行。 本标准不适用于静电式气溶胶采样器。 2 引用标准 GB 8993.2 核仪器环境试验基本要求与方法 温度试验 GB 8993.3 核仪器环境试验基本要求与方法 潮湿试验 GB 8993.4 核仪器环境试验基本要求与方法 振动试验 GB 8993.5 核仪器环境试验基本要求与方法 冲击试验 GB 8993.8 核仪器环境试验基本要求与方法 自由跌落试验 GB 8993.9 核仪器环境试验基本要求与方法 包装运输试验 GB 10257 核仪器与核辐射探测器质量检验规则 3 术语 3.1 气溶胶 固体或液体微粒物质在空气或其他气体介质中形成的分散系。 含有放射性核素的气溶胶，称为放射性气溶胶。 3.2 气溶胶采样器 利用抽吸的方法把气溶胶粒子收集或阻留在采样介质上的装置。 3.3 采样介质 能将气溶胶粒子收集或阻留下来进行分析测量的部件或介质。各类过滤纸或滤布是常用的采样介质。 3.4 气溶胶样品 收集或阻留有气溶胶粒子的部件或介质。 3.5 代表性样品 所采集的样品与被采样对象从监测的内容看，其性质和特点相同。 3.6 空气动力学直径 某个气溶胶粒子在空气中的空气动力学特性，与一个密度为1g/cm3的球形粒子的空气动力学特性相同时，此球形粒子的直径称为该气溶胶粒子的空气动力学直径，用Dae表示。如果在所分析的气溶胶样品中，空气动力学直径大于和小于某空气动力学直径的粒子各占总活度、总质量或总粒子数的一半，这些直径分别称为活度中位空气动力学直径（AMAD）、质量中位空气动力学直径（MMAD）或粒子数中位空气动力学直径（CMAD）。 3.7 几何标准偏差 对于某一服从对数正态分布的气溶胶体系的某一物理量，表征与粒子大小分布关系的几何标准偏差为：
微脉冲激光雷达在气溶胶监测上的应用 摘要随着经济的快速发展，人们赖以生存的大气圈，尤其是城市上空的大气环境里存在的气溶胶颗粒，极大地影响了环境质量，危害着人类健康。因此通过对气溶胶的监测和分析，可以使人们加深对污染产生机制的理解。本文对气溶胶做了详细介绍，并描述了微脉冲激光雷达的概况以及采用微脉冲激光雷达监测气溶胶情况的一些实例。 With the fast development of environment，the atmosphere that we are relied on has been greatly polluted. Great quantities of aerosols are existed in atmosphere, especially in the air of city. Therefore, the quality of environment and the health of persons aresharply affected. We could deepen the understanding of pollution by monitoring and analyzing aerosols. This paper makes a description of aerosol, micro pulse lidar(MPL) and some cases. 关键词：气溶胶、微脉冲激光雷达、PM2.5、消光系数 Keywords：Aerosol、micro pulse lidar、PM2.5、Aerosol Extinction Coefficient 一、气溶胶 1、气溶胶概述 大气气溶胶是指悬浮在大气中空气动力学直径（D p）为0.001~100μm的液
什么是色散呢？ 当光纤的输入端光脉冲信号经过长距离传输以后，在光纤输出端，光脉冲波形发生了时域上的展宽，这种现象即为色散。以单模光纤中的色散现象为例，如下图所示： 如何消除色度色散对DWDM系统的影响： 对于DWDM系统，由于系统主要应用于1550nm窗口，如果使用G.652光纤，需要利用具有负波长色散的色散补偿光纤（DCF），对色散进行补偿，降低整个传输线路的总色散。 光的衍射 光在传播过程中，遇到障碍物或小孔时，光将偏离直线传播的途径而绕到障碍物后面传播的现象，叫光的衍射（Diffraction of light）。 光的衍射和光的干涉一样证明了光具有波动性。
物理学中，干涉（interference）是两列或两列以上的波在空间中重叠时发生叠加从而形成新的波形的现象。 光的干涉 光的干涉现象是波动独有的特征，如果光真的是一种波，就必然会观察到光的干涉现象。定义：两列或几列光波在空间相遇时相互叠加，在某些区域始终加强，在另一些区域则始终削弱，形成稳定的强弱分布的现象，证实了光具有波动性。 两束光发生干涉后，干涉条纹的光强分布与两束光的光程差/相位差有关：当相位差为周期的整数倍时光强最大；当相位差为半周期的奇数倍时光强最小。从光强最大值和最小值的和差值可以定义干涉可见度作为干涉条纹清晰度的量度。 只有两列光波的频率相同，相位差恒定，振动方向一致的相干光源，才能产生光的干涉。由两个普通独立光源发出的光，不可能具有相同的频率，更不可能存在固定的相差，因此，不能产生干涉现象。 大气气溶胶 大气气溶胶是液态或固态微粒在空气中的悬浮体系。它们能作为水滴和冰晶的凝结核、太阳辐射的吸收体和散射体，并参与各种化学循环，是大气的重要组成部分。雾、烟、霾等都是天然或人为原因造成的大气气溶胶。 大气气溶胶是悬浮在大气中的固态和液态颗粒物的总称，粒子的空气动力学直径多在0.001～100μm之间,非常之轻,足以悬浮于空气之中，当前主要包括6 大类7种气溶胶粒子，即：沙尘气溶胶、碳气溶胶（黑碳和有机碳气溶胶）、硫酸盐气溶胶、硝酸盐气溶胶、铵盐气溶胶和海盐气溶胶。 散射特性：气溶胶质点能发生光的散射，这是使天空成为蓝色，太阳落山时成为红色的原因。 多普勒频移 当移动台以恒定的速率沿某一方向移动时，由于传播路程差的原因，会造成相位和频率的变化，通常将这种变化称为多普勒频移。 多普勒效应造成的发射和接收的频率之差称为多普勒频移。它揭示了波的属性在运动中发生变化的规律。 主要内容为：物体辐射的波长因为波源和观测者的相对运动而产生变化。在运动的波源前面，波被压缩，波长变得较短，频率变得较高（蓝移blue shift）。多普勒频移，当运动在波源后面时，会产生相反的效应。波长变得较长，频率变得较低（红移red shift）。 多普勒频移及信号幅度的变化等如图所示。当火车迎面驶来时，鸣笛声的波长被压缩（如图2右侧波形变化所示），频率变高，因而声音听起来尖利刺耳。当火车远离时，声音波长就被拉长（如图2左侧波形变化所示），频率变低，从而使得声音听起来减缓且低沉。
气象行业标准《气溶胶激光雷达技术规范》编制说明 一、工作简况 1、任务来源 本标准由全国气候与气候变化/大气成分标准化委员会提出并归口。中国气象局气象探测中心组织本标准申报标准中文名称为《气溶胶激光雷达技术规范》，英文名称为《Specifications for Aerosol lidar》，项目编号为QX/T-2019-41。 2、牵头单位 本标准的编制牵头单位是中国气象局气象探测中心。 3、协作单位 本标准的编制协作单位包括：中国气象局气象探测中心、山东省科学院海洋仪器仪表研究所、北京理工大学等。 4.标准主要起草人及其所做的工作 标准主要起草人及其所做的工作如表1所示。 表1 标准主要起草人 5、主要工作过程 （1）成立编制组，启动编制工作 2018年8月立项，成立了标准编制小组，编制小组负责人为陈玉宝； 2018年9月，标准编制小组召开标准制定专题会议，就标准主要内容的论据进行讨论，明确了编制组人员分工任务，确定了标准编制原则和总体思路，制定工作进度计划。． （2）组织学习、研讨、咨询，完成初稿编写 2018年10月-2019年3月，先后召开三次编写会，对前期编写工作进行研讨，初步形成标准初稿。 二、标准编制原则和确定标准主要内容 1、标准编制原则
本标准的制定立足于我国测风激光雷达的建设和应用情况，针对国内外多普勒天气雷达的发展趋势和应用需求，提出了功能和指标要求。 在标准编制过程中，编制组开展了大量的气溶胶激光雷达的调研工作，参照《S波段双线偏振多普勒天气雷达标准》的体例格式，指标参照《拉曼和米气溶胶激光雷达功能规格需求书》基础上编制而成。 本标准在编制方面，坚持以下几项原则： （1）科学性原则 标准编制过程中，始终坚持从实践出发，通过调查和应用积累数据、总结经验，并充分借鉴和参考国际、国家和行业标准，力求吸收国际、国内先进经验和做法，强调标准的科学性，不断调整、丰富和完善标准内容。 （2）实用性原则 在标准起草过程中，编制组在标准满足需求的前提下，充分考虑国内气象行业实际情况，从标准便于实施的角度出发，对需要规范的技术内容进行了筛选提炼。 （3）通用性原则 编制组在收集已有的研究成果、查阅大量资料、征求多方意见后，在综合考虑各方面需求和意见的基础上对标准内容进行了适当调整，达到内容全面、规定具体、语言通俗、易于实施。（4）规范性原则 本标准的编制遵从GB/T 1.1—2009《标准化工作导则第1部分：标准的结构和编写》的要求，遵照我国相关法律、法规、规章、技术规范和标准，技术指标和内容主要依据国务院气象主管部门对相关领域的技术规定和业务规范。 2、标准主要内容 本标准规定了气溶胶激光雷达的组成、通用要求、试验方法、检验规则等内容。 三、主要试验（或者验证）的分析、综述报告，技术经济论证，预期效果 国外同类标准水平的对比情况，以及与国际、采用国际标准和国外先进标准的程度，四、． 或者与测试的国外样品、样机的有关数据对比情况 无。 五、与有关的现行法律、法规和强制性标准的关系 本标准遵照《中华人民共和国气象法》、《中华人民共和国标准化法》以及中国气象局相关法规等编制，与现行的有关法律、法规和强制性国家标准没有矛盾。 六、重大分歧意见的处理经过和依据 无。 七、作为强制性标准或者推荐性标准的建议 建议作为推荐性标准。 八、贯彻标准的要求和措施建议，包括组织措施、技术措施、过渡办法等内容 九、废止现行有关标准的建议 无。 十、其他应当予说明的事项 无。．
1、一般毒性作用急性、亚急性、慢性毒性。 2、特殊毒性作用致突变、致癌、致畸性。 3、氡及其子体是铀矿工肺癌的病因。 4、吸入氡及其子体诱发肺癌的危险度为 2*10（-3）Sv-1,年摄入量限值（ALI）为 0.02J，导出空气浓度（DAC）为 8*10（-6）J/m3 。 5、放射性核素在体内的吸收、分布、滞留、排泄称生物转运，在机体内的代谢过程称生物转化，大部分化学物质以简单扩散通过生物膜。 6、跨膜转运方式有被动转运、特殊转运，被动转运又包括简单扩散、滤过、水溶扩散，特殊转运包括主动转运、易化扩散、膜动转运。 7、按摄入方式对时量关系的影响，分为4种模式：单次摄入、短期多次摄入、一次摄入后在长时期内递减性吸收、长期均匀摄入（持续摄入）。 8、隔室模型分为单室模型、双室模型，还可分为开放性隔室、闭合隔室。 9、呼吸道吸收是放射性核素进入人体内最危险、最主要的途径，尤其肺吸收是最危险的途径。 10、气溶胶进入呼吸道并附着在其表面经以下三种作用惯性冲击或离心力作用、重力或沉降作用、布朗运动或扩散。2nm 以下粒子，才具有布朗运动，大于 5nm 的粒子几乎全部沉积于鼻和支气管树，小于5nm 支气管树的外周分支，小于等于1nm 主要在肺泡内。 11、放射毒理学上以活性中值直径（AMD）表示放射性气溶胶粒子大小。 12、粒子空气动力学等效直径，在相同的空气动力学条件下，具有和它一样的终末沉积速度。 13、密度为 1g/cm3 的球形粒子直径，不足1 g/cm3的球形粒子换算：空气动力学直径=该粒子的几何直径*该粒子密度。 呼吸道模型四区：胸腔外区（ET）（上皮基底细胞）、支气管区（BB）（基底细胞、分泌细胞）细支气管区（bb）（分泌细胞）、肺泡-间质区（AI）（内皮细胞、分泌细胞、Ⅱ型肺泡上皮细胞）。 14、沉寂于呼吸道内的核素粒子廓清途径主要有向血液转移、通过吞咽转入胃肠道、通过机械清除机制转运到其他部位。 15、向血液转移的物质分为快物质（F）、中等物质（M）、慢物质（S）三类。半排期F100%为10min,M10%为10min,其余90%为140d,极难溶S0.1%为10min，其余99.9%为7000d。 16、溶解度高，水解度低，元素在胃肠道吸收率则高。减少肠蠕动则增加吸收率。 17、胃肠道模型分为胃、小肠、上段大肠、下段大肠四段。 放射性核素在血液内的形式常见的有离子状态、核素与血浆蛋白结合、形成复合离子或络合离子、形成氢氧化物胶体。 18、放射性核素的分布类型：相对均匀分布、亲肝型或亲网内系统分布、亲骨型分布、亲肾型分布、亲其他器官和组织分布。 稀土族放射性核素在肝内的滞 留量随离子半径增大而增多，而在骨内的滞留量随离子半径的减少而增多。 19、滞留模型分单隔室、多隔室。
大气气溶胶有机成分研究进展 【摘要】 有机物是大气气溶胶的重要组成部分，尤其是在细颗粒中，可占其干重的10% ~ 70%。由于有机气溶胶的健康及气候效应，有机物的组成、源分布、颗粒行为等的研究越来越受到人们的重视。其中，有机物成分的鉴别和定量已成为近年来的研究热点。在分析中，就目前有机气溶胶的采样、有机成分提取、分离及定性、定量分析方法进行了综述，并比较了各种方法的优缺点。 【关键词】气气溶胶有机成分采样提取与分离定性与定量分析 由于气溶胶中有机物的人体健康效应、气候效应和环境效应，有机气溶胶的研究已经成为近年来的热点问题之一。有机物在大气中广泛存在，是气溶胶的重要成分，但是其含量变化很大，比如在美国东部城市和农村地区，有机物占大气气溶胶细粒子质量的30%；而在美国西部城市中则高达30%～80%[1]。根据其化学组成、溶解性及热力学性质，有机物(有机碳) 分为水溶性有机碳(WSOC)、水不溶性有机碳(WINSOC)、挥发性有机碳(VOC)和不挥发性有机碳(NONVOC)[2]。 大气气溶胶有机颗粒物的粒径大部分在0.1～0.5m之间,主要以积聚模态形式存在，难以被干、湿沉降去除，主要通过大气的流动带走, 或者通过自身的布朗运动扩散除去，所以在大气中的滞留时间较长。气溶胶中的有机成分含有许多对人体产生“三致”作用(致癌、致畸、致突变) 的物质，如多环芳烃和亚硝胺类化合物等。这些物质中有70%～90%分布在粒径Dp<35μm范围内，易于进入肺的深处并沉积,从而引起癌症的发生,导致肺的损伤。 表1[3]列出了目前在大气气溶胶中所检测到的或预测存在的有机化合物的分类情况。从表1 可知，很多化合物具有较高亲脂性，甚至是疏水性的[3]，这类化合物使得液滴中水的含量降低，液滴的粒径变小。而较小的液滴在大气中沉降速度变慢，减少了降雨量。另一类是水溶性有机物(WSOC)，尤其是有机酸(如一元、二元羧酸)，它们的蒸汽压较低，极易富集在气溶胶颗粒物表面并生成盐，形成凝结核，从而增强了云的反射，并且使雨水的酸性增强。
第15卷 第12期强激光与粒子束Vol.15,No.12 2003年12月HIGH POWER LASER AND PAR TICL E B EAMS Dec.,2003 文章编号:100124322(2003)1221145203 探测大气气溶胶消光系数的便携式米散射激光雷达Ξ钟志庆1,2, 周 军1, 戚福弟1, 范爱媛1, 岳古明1, 兰举生1, 江庆伍1 (1.中国科学院安徽光学精密机械研究所,安徽合肥230031;2.中国科学院研究生院,北京100039) 摘 要: 介绍了一种新型的便携式米散射激光雷达的总体结构及其各部分的功能,分析讨论了该激光雷 达在夜晚与白天探测大气气溶胶消光系数垂直廓线的性能。其夜晚的探测高度达到15km左右,白天的探测 高度达到10km左右。还可对卷云进行探测,获得卷云的厚度及其峰值消光系数。该激光雷达具有结构紧凑、 体积小、重量轻、自动化程度高、探测速度快等优点。 关键词: 便携式米散射激光雷达; 气溶胶; 消光系数; 卷云 中图分类号:TN958.98 文献标识码:A 激光雷达作为一种主动遥感探测工具已经有30多年的历史[1],已广泛应用于激光大气传输、全球气候预测、气溶胶辐射效应及大气环境等研究领域[2,3]。随着激光技术、光学机械加工技术、信号探测、数据采集及其控制技术的发展,激光雷达技术的发展也日新月异。 我们研制出一种新型的便携式米散射激光雷达,其关键器件都采用轻小型全固化结构或模块化结构,加上独特的发射和接收光学单元,具有结构紧凑、体积小、重量轻、自动化程度高、探测速度快等优点,可应用于大气水平能见度的探测[4]和大气气溶胶消光系数垂直廓线的探测。 本文介绍了该激光雷达的总体结构及其各部分的功能,对其探测的532nm波长大气气溶胶消光系数垂直廓线结果进行了分析和讨论。 1 便携式米散射激光雷达的结构 便携式米散射激光雷达结构示意图见图1。它由激光发射单元、回波信号接收单元、后继光学单元、信号探测和数据采集单元及控制单元五部分组成。其主要技术参数见表1。 水平或垂直方向上的测量。 接收望远镜是由中国科学院安徽光学精密机械研究所生产的直径为200mm的Cassegrain型望远镜,主 Ξ第七届全国激光科学技术青年学术交流会优秀论文。 收稿日期:2003209212; 修订日期:2003210217 作者简介:钟志庆(19762),女,博士研究生,从事Doppler测风激光雷达的研究;合肥市1125信箱二室;E2mail:zqzhong@https://www.doczj.com/doc/a215528856.html,。
大气气溶胶中重金属元素的监测与分析研究进展综述 薛丹 （北京大学深圳研究生院环境与能源学院10级硕士1001213258） 摘要：由于大气气溶胶中的金属元素对环境污染严重、对人体健康威胁极大，因此在环境监测与分析领域也越来越受到研究者的重视。在综述了气溶胶重金属元素的来源、分布特征以及迁移转化特征的相关内容与分析方法之后，又对其采样、前处理以及浓度测量仪器方法进行了归纳总结，最后对大气气溶胶中重金属元素的研究方向进行了展望。 关键词：气溶胶；重金属元素；来源；分布；迁移转化；检测方法 1. 引言 大气颗粒物是大气环境中组成最复杂、危害最大的污染物之一，而其中的痕量金属则是最大的污染源之一。重金属一旦进入环境体系就成为永久性潜在污染物质，其在环境中的转化通常只涉及不同价态间的转变，不能被微生物分解，只会在生物体内富集，并通过食物链危害人类健康。[1]而且，重金属污染物所具有的不可降解性和长期存性也会对环境构成极大的潜在威胁。[2]在城市中，大气污染主要来源于土壤扬尘、燃煤排放、工业粉尘、汽车尾气等，它们分散并悬浮在大气中，对人体危害极大。因此研究大气颗粒物的化学组成，特别是重金属元素的组成、含量、迁移转化与分布特征，对研究大气污染[3]、气溶胶与人体健康的关系以及气-海物质循环交换[4]具有重要的基础意义。此外，重金属元素通常都有其独特的来源，可以作为气溶胶颗粒的示踪元素，揭示气溶胶颗粒的来源[5]。 2. 大气气溶胶中重金属元素的来源分析 大气气溶胶中重金属元素的来源主要分为两种，一种是自然源，一种是人为源,而来源分析方法一般有聚类分析(HCA)、化学质量平衡(CMB)、因子分析(FA)、多重线性回归分析（MLR）、富集因子法(EF)等,其中聚类分析和富集因子法是常用的重金属来源研究的分析手段[6]。元素的富集因子是双重归一化数据处理的结果，常用来进行大气中痕量金属来源的判定，其计算公式为： E f = (C i / C r) a /(C i / C r) b 其中Cr是选定的参比元素浓度，Ci是样品中元素浓度，a代表气溶胶颗粒中元素浓，b代表地壳中元素浓度。[7]目前已有不少对于气溶胶中重金属元素的来源研究，如Chan等[8]的研究认为最好以当地土壤而非地壳平均物质为参考物质计算富集因子；杨建军等[9]对太原市大气颗粒物中金属元素的富集特征的研究表明，对人体危害较大的金属元素主要富集在直径≤2.0μm的细颗粒中，Pb、Cu、Zn、Se、As等主要来自人为污染，Al、Fe、Ca等主要来自自然来源；吉玉碧等[10]选用地壳中普遍存在，人为污染源较小，化学稳定性好且易挥发的Al、Fe、Mn作参比元素来计算贵阳市气溶胶中金属元素的富集因子，结果表明：Cu、Pb、Zn为富集元素，Pb可高达100倍，这与人为排放源有密切关系，而Al对Fe、Mn，Fe对Al、Mn，Mn对Al、Fe基本上不富集，是由自然过程输入。徐宏辉等[7]选取地壳风化元素Al作为参比元素，计算出北京市气溶胶中Ca、Fe、Al、Mg、Ba、Sr和Zr主要分布在粗粒子中，土壤风沙尘和建筑尘是重要的排放源。K、Pb、As、Cd主要分布在细粒子中，生物质燃烧和燃煤等是重要的排放源。李犇等[11]对北极考察沿线气溶胶中金属元素富集因子进行了计算，结果表明，楚科奇海、日本海和白令海等海域元素的富集因子很接近。Fe、Co、Ni、As、Sb、W、Mo、Mn和Ca与地表的风化关系密切，为地壳源元素；Ca、Mg总体为海洋源元素，主要来自海洋；Pb、Zn、Cd、V和Cr相对地壳和海洋均为富集元素，主要可能来自矿产冶炼、工业排放、燃煤和燃油等人为污染源。此外，还有学者利用主成分分析法（聚类分析法中的一种）来对大连市区大气颗粒物中重金属
激光雷达回波信号仿真模拟研究 摘要 关键字 第一章绪论 第一节引言 激光雷达（Lidar：Li ght D etection A nd R anging），是一种用激光器作为辐射源的雷达，是激光技术与雷达技术完美结合的产物。激光雷达的最基本的工作原理与我们常见的普通雷达基本一致，即由发射系统发射一个信号，信号到达作用目标后会产生一个回波信号，我们将回波信号经过收集处理后，就可以获得所需要的信息。与普通雷达不同的是，激光雷达的发射信号是激光而普通雷达发射的信号是无线电波，两者在波长上相比，激光信号要短的多。由于激光的高频单色光的特性，激光雷达具有了许多普通雷达无法比拟的特点，比如分辨率高，测量、追踪精度高，抗电子干扰能力强，能够获得目标的多种图像，等等。因此，利用激光雷达对大气进行监测，收集、分析数据，建立一个大气环境预测理论模型，这将会成为研究气候变化和寻求解决对策的一项重要武器。 第二节本文的选题意义 由于投入巨大，在研制激光雷达实物之前，我们需要进行模拟与仿真研究，预测即将研制的激光雷达的各性能指标，评价总体方案的可行性。激光雷达回拨信号仿真模拟就是利用现代仿真技术，逼真的复现雷达回波信号的动态过程，它是现代计算机技术、数字模拟技术和激光雷达技术相结合的产物。仿真模拟的对象是激光雷达的探测没标以及它所处的环境，模拟的手段是利用计算机和相关设备以及相关程序，模拟的方式是复现包含着激光雷达目标和目标环境信息的雷达信号。通过激光雷达回波信号的仿真模拟，进而产生回波信号，我们可以在实际雷达系统前端不具备条件的情况下，对激光雷达系统的后级设备进行调试。 第三节本文的研究思路和结构安排 本文主要研究面向气象服务应用的大气激光雷达。笔者在熟悉激光雷达的基本工作原理的前提下，学习和熟悉各种参数对大气回波能量的影响，进而学习和掌握matlab编程语言，并且根据给定的激光雷达系统参数、大气参数和光学参数，以激光雷达方程为基础，通过仿真模拟得到理想状态下的大气回波信号。但是，在实际测量工作中，由于大气中的各种干扰，我们获得的回波信号并不和理想状态下的大气回波信号一致，因此，在本文的后期工作中，笔者根据已有的大量激光雷达实测信号与模拟信号对比，既能验证仿真模拟结果的准确性，又能应用于激光雷达的性能指标等方面的分析上，具有比较高的实际应用价值。 第二章激光雷达的原理 第一节激光雷达系统 一个标准的激光雷达系统应该包含以下部件：激光器、发射系统、接收系统、光学系统、信号处理系统以及显示系统。它的工作原理图我们可以用下图表示：
Klett 反演算法 大气激光雷达接收到的距离R 处大气后向散射回波信号功率P (R )可以由激光雷达方程确定： ()()()2102 r C P A R T R P R R β=………………………………（A.1） 式中： C 1——激光雷达校正常数，与几何因子、透过率、系统效率、距离分辨率等参数有关； P 0——发射的激光脉冲的功率； A r ——接收望远镜的有效接收面积； β(R ) ——距离R 处大气后向散射系数； T (R ) ——大气透过率。 大气透过率与大气消光系数α有关，可表示为： ()()( ) exp R T R r dr α=-?………………………………（A.2） 将公式（A.2）代入激光雷达方程中，经过变形可得： ()()()( ) 2 100 exp 2R r R R R C P A R r dr βα=-?……………………（A.3） 公式（A.3）两边取自然对数后求导后可得： ()()()()12dS R d R R dR R dR βαβ=-………………………（A.4） 式中： S (R )——距离平方校正信号P (R )R 2取自然对数。 在Klett 反演算法中，首先假设大气消光系数α与后向散射系数β之间存在如下关系： 2C k βα=…………………………………………（A.5） 式中： C 2——常数； k ——与激光探测波长和气溶胶性质有关，范围一般在0.67~1之间。 将公式（A.5）代入到公式（A.4）中，可得： ()()()()=2dS R d R k R dR R dR ααα-…………………………（A.6） 对公式（A.6）求解，可得大气消光系数。 ()()()()() ()()()()( ) 1exp = 2exp m m R m m R S R S R k R R S r S R k dr k αα--??+- ??? ?………………（A.6）
高表面收集特性α放射性气溶胶取样过滤材料的研究 曾心苗 张龙 王红杰 黄子翰 叶仕有* 北京市射线应用研究中心，北京 100012 *中国工程物理研究院，四川绵阳 621900 由放射性物质及其裂（衰）变产物形成的α放射性气溶胶，是从事核技术研究和核企业工作场所环境空气中最重要的污染危害源之一。对放射性气溶胶的取样和监测，是评价核企业工作场所污染状况的重要手段。还可为事故的应急评价和环境影响评价提供监测数据。 α放射性气溶胶的监测，常采用玻璃纤维滤材或滤纸取样，采用能量甄别法[1]，通过α能 谱分析，甄别氡等子体的干扰。然而该方法受到取样过滤材料结构和性能的限制，特别是气溶胶的表面收集性能。因为人工污染核素的α能谱能否与天然氡及子体的α能谱分开，与过滤材料结构和性能及捕集的样品的状况密切相关。如果表面收集特性（即表面收集放射性气溶胶的份额）太低，将使本底的α谱出现“拖尾”现象，影响测量的灵敏度。采用一般微孔滤膜取样监测放射性气溶胶，难以满足表面收集特性、阻力和材料强度等综合性能的要求。 由于微孔膜的结构受铸膜液组成、制膜工艺条件及成膜厚度等条件的影响[2-4],因此，为了提高 α放射性气溶胶取样过滤材料的表面收集特性，以提高放射性气溶胶的探测水平，本文对铸膜液组成中致孔添加剂种类及制膜条件对膜性能和结构的影响进行了探讨。 实验以聚偏氟乙烯为成膜树脂原料， N 、N 二甲 基乙酰胺（DMAc ）为溶剂，致孔添加剂分别采用聚乙 二醇（PEG ）400，PEG 600，聚乙烯吡咯烷酮（PVP ） 和吐温80。膜的制备采用相转化法。增强膜的制备采 用自行设计加工的刮膜机，以无纺布为支撑层，制得 厚度为120μm 左右的双皮层增强微孔膜。 α气溶胶的测量采用自行研制的PAM-2型放射 性气溶胶实时在线监测系统。表面收集特性的计 算见公式（1）。 Fig.1 Alpha spectrum of Radon and Thoron daughters %1002210?+=N N N ξ （1） 式（1）中，ξ为微孔膜表面收集子体的份额；N 0为图1中RaC ′峰顶对应的计数,N 1为RaC ′峰的后半部分的积分计数；为RaC ′峰以下的全谱积分计数。 通过不同蒸发时间（1，3，5，10min ）实验，选择蒸发时间为5min ，控制在环境温度和致孔剂总含量相同条件下制膜，性能测试结果见表1。从表1看，添加PVP 或PEG400/吐温80，表面收集特性有明显提高，尤其是PEG400中添加少量吐温80，使表面收集气溶胶的份额大大提高，但在样品收集时阻力较大。综合比较看，以PVP 为致孔剂的微孔增强膜在阻力相近的情况下，表面收集特性最好。从图2的电镜照片看，添加PEG400和PEG600的滤膜表面形态相似，都出现比较大的孔穴；而添加PVP 后，孔比较均匀，孔径也减小，表面呈多层交错的网状结构，这利于增加孔隙度，降低取样阻力；以PEG400/吐温80为添加剂的滤膜表面孔径明显减小，孔
什么是气溶胶 气溶胶（Aerosols） 空气中悬浮的固态或液态颗粒的总称，典型大小为0.01~10微米，能在空气中滞留至少几个小时。气溶胶有自然或人类两种来源。气溶胶可以从两方面影响气候：通过散射辐射和吸收辐射产生直接影响，以及作为云凝结核或改变云的光学性质和生存时间而产生间接影响. 气溶胶本身是固体或液体，但其质点非常微小，且高度分散在气体（例如空气）介质中，我们把它的存在形态叫做“气溶胶”，例如烟、雾，有的比烟、雾还要细小，加上浓度不大时，人眼看不出。如果它带有有害成分（尤其是放射性质点）的话，如何防护是个大问题，这在核工业、核设施中相当重要，不仅工作人员的防护，还不得有放射性气溶胶漏入大气！ 科学发明莱尔·达维·古德休美国气溶胶 凡分散介质为气体的胶体物系成为气溶胶。它们的粒子大小约在100~10000纳米之间，属于粗分散物系。 气溶胶粒子是悬浮在大气中的多种固体微粒和液体微小颗粒，有的来源于自然界，如火山喷发的烟尘、被风吹起的土壤微粒、海水飞溅扬入大气后而被蒸发的盐粒、细菌、微生物、植物的抱子花粉、流星燃烧所产生的细小微粒和宇宙尘埃等:有的是由于人类活动，如煤、油及其他矿物燃料的燃烧物质，以及车辆产生的废气排放至空气中的大量烟粒等。当气溶胶的浓度达到足够高时，将对人类健康造成威胁，尤其是对哮喘病人及其他有呼吸进疾病的人群。空气中的气溶胶
还能传播真菌和病毒，这可能会导致一些地区疾病的流行和爆发。 气溶胶粒子具有分布不均匀、变化尺度小、复杂性的特点，多集中于大气的底层，对云的凝结核、雨滴、冰晶形成，进而对降水的形成起重要作用。气溶胶甚至可以改变云的存在时间，能够在云的表面产生化学反应，决定降雨量的多少，影响大气成分。 气溶胶粒子能够从两方面影响天气和气候。一方面可以将太阳光反射到太空中，从而冷却大气，并会使大气的能见度变坏另一方面却能通过微粒散射、漫射和吸收一部分太阳辐射，减少地面长波辐射的外逸，使大气升温。 气溶胶能够引起丁达尔效应. 气溶胶中的粒子具有很多特有的动力性质,光学性质,电学性质.比如布朗运动,光的折射,象彩虹,月晕之类都是因为光线穿过大气层而引起的折射现象.而大气中含有很多的粒子,这些粒子就行成了气溶胶. 气溶胶在医学,环境科学,军事学方面都有很大的应用.在医学方面应用于治疗呼吸道疾病的粉尘型药的制备,因为粉尘型药粉更能够被呼吸道吸附而有利于疾病的治疗.环境科学方面比如用卫星检测火灾.在军事方面比如烟雾弹之类,还有可以制造气溶胶烟雾来防御激光武器. 气溶胶的容器内含有两种物质--有待喷射的液态物和保持压力的压缩气体。当揿下按钮时，阀门张开，压缩气体将喷嘴里的一些液态物压出。 1926年，挪威科学家埃里克·罗西姆首先想出了这个点子。但其他一些科学家也同样有此想法。美国人朱利叶斯·S·可汗想出了一次性使用的金属雾筒。同样来自美国的莱尔·达维·古德休则进一步研制了这一发明，使它成为可以上市的商品。1941年，第一批气溶胶开始销售。