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摘要: 大气沙尘通过散射、吸收太阳辐射和吸收、发射红外辐射直接影响地大气系统的辐射能收支，从而影响区域或全球的气候及生态环境。本文通过数值法研究了近红外和中红外波段电磁波所受沙尘粒子的散射和衰减特性。
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关键词:大气；红外辐射
1 前言
根据Mie散射理论用数值法研究了沙尘粒子对大气红外辐射的散射、消光和吸收效率，揭示了不同粒径的沙尘粒子在不同红外辐射波段消光和吸收的特点。考察了三种典型的沙尘天气---浮尘、扬沙和沙尘暴时沙尘对红外辐射的吸收系数和消光系数，得出了沙尘暴天气对红外辐射具有显著的吸收和衰减特别是对于=2～2.6m和=3～5m这两个红外大气窗口的衰减最严重的结论。
2 理论基础
Mie散射理论是适用于球形粒子散射的经典理论，空气中的沙尘粒子可以近似地以球形粒子处理(实际测量表明沙尘粒子中有5O%左右是球形粒子，采用等容球方法处理，仍可借用Mie理论进行计算)，沙尘粒子对红外辐射的吸收和衰减可以用吸收效率因子Qabs和消光效率因子 Qerl来表示。
下面简要地给出相关的Mie公式，假设球形粒子的直径为D，入射光波长为 ，粒子的复折射率为n=nr+in，单粒子的散射截面ra可以表示为：
其中，am和bm是Mie系数
散射截面与相应的粒子几何截面之比为无量纲的散射效率因子(Qsa)：
其中，a=。类似地，利用散射截面与相应的粒子几何截面之比可得粒子的消光效率因子Qet：
吸收效率因子为消光效率因子与散射效率因子之差：
实测结果表明，一些分散性和凝集性气溶胶都遵从对数正态分布。另外通过对固体微粒破裂的过程特性的假设出发，可以得到微粒大小的分布渐近地趋向对数正态分布的结论，即：
其中，和分别为lnD的平均值和标准方差。
考虑到沙尘粒子的尺寸分布，波长为、强度为I。的辐射通过距离为L的介质后，根据Bougure定律其强度I可写成：
其中，为消光系数，它表示了粒子系统的消光能力，即对辐射的衰减能力。对于球形粒子可由下式计算：
相应地，可以定义粒子系统的吸收系数，它表示由于吸收而引起辐射衰减的能力：
N。表示沙尘粒子的浓度，即单位体积中的沙尘粒子数。有时习惯以每千米衰减的分贝数表示其衰减程度，沙尘粒子在单位距离上所引起的信号衰减A(dB/km)为：
3 数值模拟与分析
风沙天气通常分为浮尘、扬沙和沙尘暴三种天气状态。浮尘天气是由于高空中的风力较大，从其它地方携带来颗粒较细小的细沙、粉尘等物质所形成，其能见度通常大于10km；扬沙天气是指风速大于或等于起风沙速(一般确定为5m/s)，水平能见度小于10km的天气，能形成离地一定高度上的沙尘粒子的跃移、悬浮和漂移，这也是沙漠中最常发生的风沙天气，沙尘暴是指在大风(风速大于17.2m/s)的作用下，地面沙尘被吹起形成空中相当高的浓度，造成水平能见度低于lkm。为了研究具有代表性，
本文采用牛生杰等在1996年、1997年和1998年连续三个春季对吉兰泰(腾格里沙漠)、盐池(毛乌素沙漠)和阿拉善右旗(巴丹吉林沙漠)的测量结果 ，将他们在不同的地点和时间所得三种沙尘天气沙尘气溶胶质量浓度的测量数据求平均值。分别得到浮尘、扬沙和沙尘暴天气的气溶胶质量浓度的粒径分布，(认为这些数据能够代表一般的浮尘、扬沙和沙尘暴天气)，并进一步根据公式将其转化成粒子数浓度的粒径分布，通过曲线拟合得到对数正态分布中的参数V和叩值，结果如表1所示。沙尘粒子的复折射率对于=3～5m为1.25―0.016i、对于=8～14m 为1.62―0.105i，沙尘粒子在其它波长范围的复折射率用最小二乘曲线拟合得到。下面对沙尘粒子的单粒子吸收效率Qabs和消光效率Qerl以及考虑粒度分布的消光系数、吸收系数a和信号衰减A 进行数值模拟。
3.1 单粒子散射、消光和吸收效率的数值模拟和分析
图1表示了沙尘粒子对波长为10m的红外辐射的单粒子散射、消光和吸收效率随粒径的变化规律，图2给出了从3m～12m的几种典型波长的红外辐射的消光效率随粒径的变化规律。从图l中可以看出，随着粒径的增大散射和消光效率因子会增大到一个峰值，然后开始下降并有小的波动，消光效率因子随粒径的增大趋向于2。散射和吸收对消光的贡献随着粒径的增大经历如下一个过程，即：(一)吸收效率因子大于散射效率因子，(二)散射效率因子大于吸收效率因子，(三|)散射和吸收差不多。从图2可以看出随着辐射波长的增大粒子消光效率的峰值向粒径增大的方向移动，且对于红外大气窗口消光效率的峰值位于沙尘粒径5～l5m之间，说明对于红外辐射5～l5m这一粒径范围的沙尘粒子的消光效率最大。
图3给出了粒径为8m的沙尘粒子的散射、消光和吸收效率随波长的变化。从图中可以看出对于粒径为8m的粒子的两个消光(或散射)峰值恰好位于红外辐射的三个典型大气窗口2～2.6m、3～5m 和8～14m，这说明粒径为8m左右的粒子对于这三个红外大气窗口单粒子消光(或散射)效率最高；图4给出了几种典型粒径下消光效率随波长的变化。从中可以看出随着沙尘粒径的增大，单粒子消光效率的峰值向长波方向移动，并且当粒径和辐射波长的尺度差不多时单粒子消光效率最高。
3.2 三种典型沙尘天气对红外辐射的吸收和衰减
图5给出了对于沙尘暴天气时考虑粒度分布的消光系数和吸收系数a的数值模拟结果，从中可以得出：沙尘暴天气时消光系数和吸收系数的峰值位于=2～2.6m这个红外大气窗口，并且消光系数可以达到13.3km-1。，在这一波长范围吸收系数也可达到5.5 km-1，这里吸收对消光的贡献也比较大；在=3～5m消光系数仍然比较大，可达12km-1。；而在=8～12m的红外大气窗口，其消光系数下降为7左右、吸收系数下降为3左右。随着波长的继续增大消光和吸收系数减小，并且消光系数比吸收系数下降的要快。图6给出了三种不同类型天气沙尘气溶胶的消光系数随辐射波长的变化结果，可以看出三种天气情况的消光系数对于=2～ 2.6m和=3～5m 都要比=8～l2m大，消光系数按照沙尘暴、扬沙、浮尘的次序依次下降.并且扬沙和浮尘天气的消光系数要比沙尘暴小的多。
本文进一步对三种不同类型沙尘天气沙尘溶胶的信号衰减系数A进行了数值模拟，衰减系数A 随波长变化的曲线与图6相似(在这里不再给出)，对于本文所采用的沙尘暴天气时的粒子分布数据，第一个大气窗口的信号衰减A可以达到55dB/km，但强沙尘暴天气时，沙尘粒子浓度更高，大尺寸粒子所占的比例增大，对红外辐射的衰减将更为严重。
从单粒子散射、消光和吸收效率的数值模拟结果可知，粒子的散射或消光峰值应出现在粒径与波长大小差不多的位置，并且粒径比波长小很多时粒子的吸收效率比散射效率大，而本文所模拟的粒子系统具有这样的特点：粒径小于1.1m的粒子浮尘天气占93.7%、扬沙天气占92.5%、沙尘暴天气占89.6%,这一尺寸范围的粒子对红外辐射的吸收起到了重要的作用，所以才会出现图5所示的显著的吸收系数的结果；沙尘暴天气比扬沙和浮尘天气时的消光和吸收系数大很多，沙尘暴天气的消光系数是扬沙天气的5倍，是浮尘天气的l5倍，究其原因一方面是由于沙尘暴天气粒子浓度显著增大，另一方面由于沙尘暴天气粒径较大的沙尘粒子所占的比例也明显增大，这也与单粒子消光效率的模拟结果：5～l5m粒径范围的沙尘粒子的消光效率最大相一致。总的说来，沙尘天气、特别是沙尘暴天气对红外辐射的衰减和吸收是显著的。对于强沙尘暴天气，沙尘粒子的浓度会更大，较大粒径的沙尘粒子所占的比例会进一步上升，沙尘暴对红外辐射的衰减会更加显著。沙尘暴对于各种红外探测仪的工作性能和工作环境的影响已经不容忽视，另外沙尘对红外辐射的散射和吸收直接影响到了地一-气系统的辐射能收支，从而影响区域或全球的气候及生态环境。
4 结论
本文对沙尘粒子的单粒子散射、消光和吸收效率进行了数值模拟，研究了不同粒径的沙尘粒子在不同红外辐射波长情况下的消光和吸收的特点。同时对三种典型的沙尘天气---浮尘、扬沙和沙尘暴时对红外大气窗口辐射的吸收系数和消光系数以及信号衰减进行了计算，得出了沙尘暴天气对红外辐射具有显著的吸收和衰减的结论，其衰减的峰值位于=2～2.6 m和=3～5m这两个大气窗口。本文对研究沙尘暴引起红外探测仪性能的变化及其对局部地区气候的影响具有一定的指导意义。
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。2390 |
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发表于 2018-7-16 20:40:15