我国中东部地区典型模式的气溶胶吸收特性研究

When a high power laser beam propagates through the atmosphere, it's beam quality decreases rapidly because of the thermal blooming by aerosol absorbtion.The results from climate model is effected markedly by changing of radiative forcing on account of aerosol absorbtion.The content of absorbing aerosol is high obviously compared to that in developed countries,but the comprehension to aerosol of our country is insufficient for its nonuniform and variation of physical and chemical characters in spatio-temporal distribution,and for the often used means measuring aerosol absorption are not enough accurate and easy to be disturbed by aerosol scattering.A photothermal interferometry for measuring aerosol absorption index realized in optic fiber is improved through modulation and demodulation of light interference,which is a difference method with high sensitivity,wide dynamic scope and superior linearity.The photothermal interferometry gets rid of disturbance from light scattering of aerosol particles.The absorbtion index measurement of atmospheric aerosol is execute by photothermal interferometry,Photoacoustic spectrometer and filter-based techniques. Based on experimental dada accumulation of representative measuring places,combined with discrepancy analysis and tendency inspection of experimental data,it is discussed that the relation between aerosol absorption index of typical aerosols and main influence factors including normal weather,frog and haze weather which lies in the middle East China. The results are beneficial to macroscopical understand the absorption characters and changing trends of typical atmospheric aerosol,which consists of urban aerosol,country aerosol and marine aerosol in the Middle East China.The summarized conclusion is capable of promoting the laser transmission in atmosphere and increasing the calculating precision of climate model.

气溶胶对光能的吸收使得在大气中传输的高能激光光束质量因热晕效应而迅速恶化，对太阳辐射的吸收使得气候模式的准确度因辐射强迫改变而受到极大影响。能源结构和利用效率等因素使得我国吸收性气溶胶含量明显高于发达国家，但对气溶胶吸收特性的规律性认识却因气溶胶物化特征时空分布的不均匀性和可变性，以及常用测量方法精度低、易受散射光影响等原因而严重不足。本项目通过干涉光调制解调机理的研究，完善气溶胶吸收系数的光纤式光热干涉原位测量，有效剥离气溶胶粒子散射光的干扰，建立一种灵敏度高、动态范围大、线性度好的差分测量方法。连同光声光谱法和积分片法，通过代表性观测点的数据积累、差异分析和趋势挖掘，探讨我国中东部地区典型模式气溶胶正常天气和雾霾天气下的吸收特性及与各主要影响因素的关系，从宏观上了解我国中东部地区大气气溶胶吸收特性的演变规律，加深激光在大气中的传输特性研究，提高我国气候模式的计算精度。

大气气溶胶的光吸收一般比较微弱，但对地球大气辐射收支平衡、激光大气传输等均具有重要影响。目前广泛应用的滤膜采样破坏了气溶胶粒子的自然状态，且容易受到富集粒子和膜本身多次散射的影响，已有在线原位测量技术中，具有代表性的光声光谱技术尚未完全解决温度和相对湿度的制约，发展一种大气气溶胶粒子吸收系数的高精度在线测量手段成为必然。. 光热干涉技术通过测量气溶胶粒子吸收光能产生的折射率变化，实现自然悬浮状态下气溶胶粒子吸收特性的直接获取，有效规避了粒子散射光的影响，同时干涉测量又具有极高探测灵敏度。本项目针对大气气溶胶吸收特性的光纤式光热干涉测量方法进行了深入研究，探讨了光热干涉的测量原理，包括光热效应、光相位调制及光相位解调等，并根据实际大气气溶胶吸收特性测量需求，研制了一套光纤式光热干涉试验装置，开展了典型模式气溶胶吸收特性的测量与分析。主要研究内容及重要结果等总结为以下五个方面：.（1）利用气溶胶粒子吸收的光热效应，从热传导方程出发，建立了激励光加热气溶胶“光-热-折射率-相位”转化过程的理论模型，构造了大气气溶胶粒子吸收系数与干涉仪输出相位差之间的关系；.（2）提出了同步载波复原的方法，有效的消除了相位生成载波调制解调算法中干涉信号与混频信号的载波延迟问题；利用参考光路解决了光源直接频率调制导致的伴生调幅现象；完成了基于相位生成载波调制解调算法的光热干涉解调与控制软件的编写、优化与验证测试，具备了气溶胶吸收激励光能量生成诱导相位起伏的全过程在线研究能力；.（3）设计并研制了一套可用于气溶胶粒子吸收特性测量的光纤式光热干涉试验装置；采用光纤准直器与高反镜实现了光纤式斐索干涉结构，仅通过普通单模光纤就消除了系统偏振衰落现象；结合一体化光热干涉腔，有效增强了装置的抗干扰能力，提升了光热耦合效率和探测灵敏度；.（4）探讨了光纤式光热干涉实验装置的标定原理并利用二氧化氮标准气体对装置进行了标定；以含碳气溶胶作为待测样品，二氧化氮标准气体与高纯氮气作为对照样品，完成了气溶胶吸收特性的初步测量；.（5）开展了乡村型、城市型、海洋型和沙漠型气溶胶的吸收系数测量，并对影响因素进行了探讨，分析了雾霾条件下城市型气溶胶吸收系数的特性。