【摘要】：大氣氣溶膠是地氣系統(tǒng)的重要組成部分,是氣溶膠氣候和環(huán)境效應(yīng)的重要影響因子,氣溶膠粒子散射、吸收、消光效率因子和不對稱因子等光散射特征量是評價大氣環(huán)境污染、研究氣候輻射和大氣中光傳輸?shù)闹匾獏⒘�。本文基于電磁散射基本理�?利用電磁散射數(shù)值計算方法開展了煙塵和霧霾氣溶膠凝聚粒子的光散射特性和傳輸特性的研究工作。提出了多組元氣溶膠粒子模型,研究了非旋轉(zhuǎn)對稱簇團氣溶膠粒子光散射與傳輸特征;建立了多粒徑凝聚粒子體系模型,研究了單一成分和內(nèi)外混合成分多粒徑煙塵和霧霾凝聚粒子的光學特性;利用Monte Carlo方法結(jié)合改進的HG*相函數(shù),研究了光在隨機分布簇團煙塵和霧霾中多重散射與傳輸特性;理論導出了矢量輻射傳輸方程新的求解方法,數(shù)值分析了煙塵氣溶膠中光的矢量輻射傳輸特性。論文主要成果如下:1、分析了氣溶膠粒子的基本物理特征、氣溶膠粒子消光特性的微物理過程;結(jié)合Mie散射理論分析了離散偶極子方法求解粒子散射問題的可靠性;數(shù)值計算了單體形狀煙塵氣溶膠粒子的光學特征量。結(jié)果表明,入射光的波長、粒子的粒徑、形狀以及是否內(nèi)混合是影響氣溶膠粒子光學特性的主要因子。2、構(gòu)建了單一粒徑和多粒徑煙塵和霧霾凝聚粒子模型,解決了氣溶膠凝聚粒子的光散射問題。結(jié)果表明,對于單一成分凝聚粒子,凝聚粒子中原始粒子的數(shù)目和粒徑、凝聚粒子的凝聚過程、空間結(jié)構(gòu)、孔隙以及凝聚粒子的成分是影響粒子光學性質(zhì)的重要原因;對于混合混合凝聚粒子,其光學特性還取決于凝聚粒子中各種成分所占的比例。3、提出利用改進的HG*散射相函數(shù)研究氣溶膠中光的傳輸問題,給出了總反射率和總透射率隨傳輸距離變化的數(shù)值結(jié)果,分析了粒子種類、形狀、入射光的波長、入射角度以及氣溶膠中粒子數(shù)密度等因素對傳輸特性的影響,結(jié)果發(fā)現(xiàn)改進的HG*散射相函數(shù)適合于氣溶膠中光傳輸特性的研究;基于輻射輸運理論數(shù)值計算了均勻分布煙塵和霧霾氣溶膠中光的傳輸特性,采用平均等效的方法研究了隨機分布煙塵和霧霾中光的傳輸特性。結(jié)果發(fā)現(xiàn),氣溶膠中粒子的混合比例、粒子的尺寸、粒子的分布概率、霧霾中相對濕度的大小和能見度都是影響光傳輸特性的直接原因。4、研究了氣溶膠粒子的Muller矩陣,結(jié)果發(fā)現(xiàn),Muller矩陣元素的角分布取決于粒子的形狀、凝聚粒子的結(jié)構(gòu)、凝聚粒子中不同成分的比例以及凝聚粒子的尺寸參數(shù);對于相同半徑原始微粒凝聚而成的氣溶膠凝聚粒子,Muller散射矩陣元素的角分布取決于凝聚粒子的數(shù)目和凝聚過程以及凝聚粒子的尺寸參數(shù)和空間結(jié)構(gòu),凝聚粒子尺寸參數(shù)越大,前向散射越強;氣溶膠凝聚粒子Muller矩陣的16個元素都不為零,Muller矩陣是矢量輻射傳輸模式中的重要參量,Muller矩陣的準確求解可為氣溶膠中矢量輻射傳輸特性的研究奠定基礎(chǔ)。5、針對氣溶膠中矢量輻射傳輸?shù)膽?yīng)用需求,理論導出了矢量輻射傳輸方程的—降維降參數(shù)求解方法,數(shù)值分析了煙塵氣溶膠中光的矢量輻射傳輸特性,該方法的優(yōu)點是從矢量輻射傳輸方程本身出發(fā),可以求解給定模型氣溶膠中任意點處光的Stokes矢量,對于研究光在氣溶膠中傳輸時的偏振特性具有一定的應(yīng)用價值。
【圖文】：

氣溶膠粒子的幾何形狀、尺寸分布和折射率是影響其光學特性的重要因素。圖2.1 給出了典型氣象環(huán)境中大氣沉降粒子的尺寸分布范圍。圖 2.1 大氣沉降粒子的尺寸范圍圖 2.1 大致給出了典型氣象環(huán)境中大氣沉降粒子的尺寸范圍，從廣義上講，大氣中一切懸浮的顆粒物都可以歸屬于氣溶膠范疇，對氣溶膠粒子還可從粒徑尺度進行分類，將粒徑小于 0.05μm 的粒子稱為愛根核，因為其可以通過愛根核計數(shù)器得到；直徑處于 0.05μm 至 2μm 之間的粒子稱為大核；直徑大于 2μm 的粒子稱為巨核；將粒徑小于 10μm 的粒子稱為飄塵，也可稱為可吸入顆粒物，因其能直接進入人體的呼吸系統(tǒng)；直徑大于 30μm 的大粒子稱為降塵，因其在大氣中停留時間較短，，很快就會在重力場的作用下發(fā)生沉降。氣溶膠粒子的形狀直接決定其光學特性，已有大量學者研究發(fā)現(xiàn)，氣溶膠粒子的形狀各異，如球形、橢球形、柱狀、非規(guī)則形狀以及由小粒子經(jīng)碰撞等自然作用凝聚而成的簇團粒子，圖 2.2 和圖 2.3 給出的是實驗觀測所得實際氣溶膠粒子幾何形狀的圖片[158-159]。圖 2.2 氣溶膠粒子觀測圖[158]圖 2.3 冰晶氣溶膠粒子形狀[159]其中圖 2.2 是中國粉體網(wǎng)發(fā)布的氯化鈉海鹽氣溶膠粒子、花粉氣溶膠粒子、碳氣溶膠粒子和硫酸鹽包裹氯化鈉氣溶膠粒子在顯微鏡下的觀測結(jié)果，圖 2.3 給出的是寒旱所對天山 1 號冰川大氣氣溶膠進行觀測研究所得到的冰晶氣溶膠粒子的形狀。通過

圖 2.1 大氣沉降粒子的尺寸范圍圖 2.1 大致給出了典型氣象環(huán)境中大氣沉降粒子的尺寸范圍，從廣義上講，大氣中一切懸浮的顆粒物都可以歸屬于氣溶膠范疇，對氣溶膠粒子還可從粒徑尺度進行分類，將粒徑小于 0.05μm 的粒子稱為愛根核，因為其可以通過愛根核計數(shù)器得到；直徑處于 0.05μm 至 2μm 之間的粒子稱為大核；直徑大于 2μm 的粒子稱為巨核；將粒徑小于 10μm 的粒子稱為飄塵，也可稱為可吸入顆粒物，因其能直接進入人體的呼吸系統(tǒng)；直徑大于 30μm 的大粒子稱為降塵，因其在大氣中停留時間較短，很快就會在重力場的作用下發(fā)生沉降。氣溶膠粒子的形狀直接決定其光學特性，已有大量學者研究發(fā)現(xiàn)，氣溶膠粒子的形狀各異，如球形、橢球形、柱狀、非規(guī)則形狀以及由小粒子經(jīng)碰撞等自然作用凝聚而成的簇團粒子，圖 2.2 和圖 2.3 給出的是實驗觀測所得實際氣溶膠粒子幾何形狀的圖片[158-159]。
【學位授予單位】：西安電子科技大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：X513


本文編號：2685039