大气光学研究及其应用进展.ppt

1,感谢各位专家、代表 莅临合肥中科院大气成分与光学重点实验室中科院自适应光学重点实验室,欢迎您,大气光学研究及其应用进展 王英俭，黄印博 中国科学院合肥物质科学研究院 中国科学院大气成分与光学重点实验室 二〇一三年 · 安徽合肥,汇报内容简介一、大气成分与光学实验室简介 二、大气光学特性研究进展 三、大气成分与变化研究进展 四、光波大气传输研究进展 五、大气光学探测研究进展 六、小结,围绕大气成分光物理光化学特性、光辐射大气传输效应及对气候变化和光电工程的影响、大气光学探测新方法新技术等科学技术问题开展基础性、前瞻性、战略性研究获取大气成分及其与光波相互作用规律性认识，发展大气成分及相关大气参数定量探测设备，建立综合实验观测站，获取大气成分和辐射分布及其变化规律性认识，建立大气成分与光学特性定量数据库和模式发展大气成分与光学学科交叉创新研究平台，解决我国应对气候变化和先进光电工程应用等重大国计民生问题中的有关关键科学技术问题,国家863计划大气光学重点实验室 + 院大气成分与光学重点实验室任务 + 学科,一、中科院大气成分与光学重点实验室简介,一、中科院大气成分与光学重点实验室简介,定位与目标—— 瞄准国家安全战略需求，为应对气候变化和光电工程应用提供光波传输与大气相互作用规律的物理模型，大气成分光学特性及其时空分布的探测方法、技术和基础性科学数据以及相关的专家系统 在高分辨率大气光谱、光辐射大气传输、大气成分光学探测和大气参数数据库与模式等方面成为具有重要国际影响的国家级大气成分与光学研究和人才培养基地,,,,,实验室研究方向及相互关系,1、大气光学特性 2、大气成分和气候变化3、光波大气传输 4、大气光学探测,科研方向：大气光学特性 开展大气成分、大气湍流的光学特性以及云和天空背景辐射特性等基础问题研究，获取其变化机理及特征参数，为大气辐射传输、大气成分光学测量方法、大气成分和气候变化模型等提供基础支撑,主要科学技术问题：1. 大气成分的光物理和光化学特性2. 大气湍流光学特性3. 云和天空背景辐射特性,二、 大气光学特性研究进展,二、 大气光学特性研究进展 2.1 大气成分的光物理和光化学特性,高分辨率大气光谱是现代大气光学及其应用的基础,长光程池最大反射次数：142次，18排像 可实现的光程为 ，最大光程为1097.09米，n=18 镜面反射率：93.55% 在He-Ne激光波长处 长光程池真空度：1.3×10-4Pa 配气系统真空度：1.1×10-4Pa,高分辨率大气吸收光谱研究平台,亚洲最长的公里级White型长程吸收池,二、 大气光学特性研究进展 2.1 大气成分的光物理和光化学特性,法国巴黎居里大学 池长16.8cm 控温范围 5K ~ 298K美国Baylor大学 池长43.5cm 控温范围 5K ~ 298K,本实验室 池长40cm 控温范围77K ~ 298K 控温精度<1.5K,低温大气分子吸收光谱测量系统,获得的二氧化碳、甲烷等一些重要大气分子高分辨率吸收光谱线参数数据被法国GEISA数据库、Science-SoftCon UV/Vis+ Spectra Data Base (Photochemistry Database)光化学数据库采用、HITRAN数据库编委引用。

基础光谱数据被国际著名的权威光谱数据库采用,二、 大气光学特性研究进展 2.1 大气成分的光物理和光化学特性,气溶胶飞行时间质谱仪——实时、、快速检测气溶胶单个粒子的直径和化学组分，可获得气溶胶粒子的粒谱分布和化学组分大气气溶胶物化特性研究平台,二、 大气光学特性研究进展 2.1 大气成分的光物理和光化学特性,精确测量气溶胶单次散射反照率对于大气辐射传输以及气溶胶气候效应等研究有着重要的作用 将非相干宽带腔增强吸收光谱技术与积分球相结合，同时测量气溶胶的消光和散射系数，获得了气溶胶单次反照率,气溶胶单次散射反照率光谱测量系统,14,仪器性能指标：工作波段：440-480nm；时间响应：< 30 s； 消光系数： 探测灵敏度：2 Mm-1； 测量误差：3.7%； 散射系数： 探测灵敏度：2 Mm-1； 测量误差：4.4%； 单次散射反照率： 测量误差：5.7%二、 大气光学特性研究进展 2.1 大气成分的光物理和光化学特性,不同粒径PSL及苯胺黑气溶胶消光和散射同时测量,w~1,w~0.5,二、 大气光学特性研究进展 2.1 大气成分的光物理和光化学特性,二、 大气光学特性研究进展 2.1 大气成分的光物理和光化学特性,二次有机气溶胶非均相反应实验平台建立和发展,首次实现了气溶胶飞行时间质谱仪与烟雾腔系统的联用，为二次有机气溶胶的探测提供了一种新方法,光氧化反应和二次有机气溶胶形成和生长机理研究工具,二、 大气光学特性研究进展 2.1 大气成分的光物理和光化学特性,生物排放挥发性有机化合物的大气光氧化研究将超声分子束同步辐射光电离飞行时间质谱与可模拟大气环境条件的光化学反应烟雾腔实验系统联用，获得了异戊二烯及羟基启动异戊二烯的气相光氧化产物的光电离质谱。

异戊二烯母体离子及碎片离子C5H7+的电离效率谱；光氧化气相产物同步辐射光电离质谱,OH启动异戊二烯光氧化机制,二、 大气光学特性研究进展 2.2 大气湍流,基于激光干涉原理，实现了大气光学湍流强度的直接、高精度、非接触式测量研制了光纤大气光学湍流传感器，实现了局域大气折射率起伏及其空间结构的分布式探测,“高精度光纤大气光学湍流强度与结构测量系统”,利用非等臂长光纤Mach-Zehnder干涉仪获得载波信号和湍流信号通过优化解调算法有效克服环境的干扰,二、 大气光学特性研究进展 2.2 大气湍流,在东南沿海、南海、合肥等地开展了系统观测实验获得了大气湍流强度、功率谱、空间特征尺度和空间相关结构等一系列重要结果二、 大气光学特性研究进展 2.2 大气湍流,,,,,,,,,湍流廓线激光雷达之一：通过将激光聚焦到不同高度产生的信标，根据差分像运动原理得到不同高度的大气相干长度，进而反演得到湍流的高度分布廓线二、 大气光学特性研究进展 2.2 大气湍流,湍流廓线激光雷达之二：从激光雷达后向散射回波起伏方差中提取湍流强度信息，研制了湍流廓线激光雷达原理样机，获得了初步测量结果。

二、 大气光学特性研究进展 2.2 大气湍流,二、 大气光学特性研究进展 2.2 大气湍流,整层大气等晕角和大气相干长度一体化仪器研究：利用恒星闪烁测量整层大气等晕角；利用差分运动图像原理，采用光谱滤波技术及增加遮拦等抑制天空背景措施，实现了全天观测恒星测量大气相干长度,二、大气光学特性研究进展,全球云量分布及其机理 国际卫星云气候计划（ISCCP）已经积累了20多年的持续云观测资料，提供了迄今为止最具权威的全球尺度云量信息 利用长期稳定的ISCCP-D2云量资料，系统地分析了全球尺度总云量以及高、中、低云云量的空间分布特征2.3、云和天空背景辐射,二、 大气光学特性研究进展,利用星载测雨雷达和光谱探测，揭示了亚洲夏季积雨云云砧气候特征,VIRS ch1、ch4通道探测云砧、对流降水云、层云降水云的十年 夏季平均反照率和平均亮温分布,2.3云 和 天 空 背 景 辐 射,二、大气光学特性研究进展,正在开展的相关研究（A）云滴和冰晶的微物理和光学性质 （B）云的空间结构特征描述及其在辐射传输方程中的应用 （C）云的时空分布特征和无云视线概率研究 （D）天空背景辐射时空分布特征研究,2.3、云和天空背景辐射,,科研方向：大气成分和气候变化 开展研究大气成分区域时空分布、变化特征及获取方法，揭示大气成分变化对辐射等影响的关键因子和过程，建立相应的辐射效应模型；通过气候模式模拟试验，了解大气成分变化对气候变化的影响,主要科学技术问题：1. 大气成分的时空演化2. 大气辐射收支和效应3. 大气成分变化的气候效应,三、大气成分和气候变化研究进展,2018/10/1,大气成分作用 1、改变辐射量，作用气候系统,气溶胶 直接效 应和间 接效应,云辐射 强迫温室气 体效应,气溶胶直接效应——通过对太阳光的散射和吸收，减弱到达地面的短波辐射，使地气系统降温；气溶胶间接效应——通过改变云凝结核数量，参与云微物理过程，改变云和降水分布；云辐射强迫——通过云量、厚度、粒子大小和相态等，影响到达地表的太阳短波辐射分布，改变地气辐射收支平衡；温室气体——通过影响地气长波辐射，改变地气辐射收支平衡。

改 变 气 候 态 维 持 的 根 本 因 素,地 气 系 统 辐 射 收 支,,三、大气成分和气候变化研究进展,2018/10/1,6,南极臭氧变化（IPCC）,2006年9月北美臭氧洞,NASA,S. Wang （2007）,大气成分作用 2、作用生态系统、威胁人类生存，如破坏臭氧层、恶化区域空气质量,三、大气成分和气候变化研究进展,2018/10/1,东部地区——极端降水的强度增强、降水量显著增多及降水频次显著增加 东部多数地区——春夏季极端降水频次增加，强度增强 华北南部和长江中下游——春夏季雨日减少以及小雨、中雨减少,7,极端降水频次（单位：d）,极端降水量（单位：m）,年总降水量（单位：mm）,——CO2浓度加倍对我国年极端降水频次、年极端降水量和年总降水量的影响,大气成分作用 3、影响云的生消 改变地气系统水循环,三、大气成分和气候变化研究进展,研究设想：地基观测与卫星遥感相结合的局地或区域大气成分和气溶胶变化研究,★ 相互校正、验证、反演算法、数据匹配和融合 ★ 独立自主数据集和数据库,三、大气成分和气候变化研究进展,多仪器综合、信息丰富和多样,多光谱,高光谱,被动微波,主动微波,云和地球辐射能量系统（CERES） 多角度成像光谱辐射计（MISR） 中分辨率成像光谱仪（MODIS） 对流层污染探测装置（MOPITT） 大气红外探测器（AIRS） 先进的微波探测器（AMSU-A） 湿度探测器（HSB) 高分辨率动力临边探测器（HIRDLS） 微波临边探测器（MLS） 臭氧监仪器（OMI）,大气成分 气溶胶 云和降水 天气和气候,信息,,,,三、大气成分和变化研究进展,以激光雷达、气球探空、气象观测塔垂直分布测量设备，以及多功能太阳辐射计、碳黑度仪、积分浊度计、臭氧分析仪、粒径粒谱测量仪等地面观测设备进行了长期综合观测实验，积累了大量大气成分观测数据。

地基观测,2007-2009 年合肥科学岛观测的近地面二氧化碳平均变化特征,月份,三、大气成分和变化研究进展,合肥地区水汽月变化特征,温度月变化特征,三、大气成分和变化研究进展,臭氧月变化特征,三、大气成分和变化研究进展,合肥上空对流层气溶胶后向散射系数垂直分布的月变化特征,三、大气成分和变化研究进展,气溶胶后向散射系数季节特征,与MODTRAN比较,秋季,春季,三、大气成分和变化研究进展,合肥地区大气气溶胶边界层日变化季节统计特征,三、大气成分和变化研究进展,卫星遥感,三、大气成分和变化研究进展,利用卫星光谱观测资料，揭示了副热带高压中心云和降水分布气候特征 将10年NCEP逐日4次再分析资料与ISCCP D1资料进行匹配，利用频次分析方法，研究了夏季副热带高压中心内云的分布特点,三、大气成分和变化研究进展,利用卫星光谱观测资料，在卫星光谱云检测方法研究取得初步进展，提出了一种基于可见光和红外多通道卫星观测的白天云检测方案， 由地形识别、二维表云检测和决策树云检测三个基本步骤构成，其云检测结果分为无云覆盖(Clear)、部分云覆盖(Mixed)和完全云覆盖(Cloudy)三种,三、大气成分和变化研究进展,利用OMI和TOMS探测结果，分析了西北太平洋台风活动对我国东部及近海臭氧分布的影响；台风活跃期对应高的臭氧总柱含量，而台风非活跃期相应的臭氧总柱含量偏低。