光学工程论文提纲

论文题目：中国近海典型地区边界层气溶胶光学特性研究

摘要：气溶胶是大气重要的组成部分之一,虽然其在大气中的占比很小,但是由于其辐射效应在气候变化和评估中的不确定性,以及对环境和人类健康的影响,近年来受到广泛的关注。而气溶胶光学特性是气溶胶重要的物理特性,也是气溶胶研究的重点。沿海地区地理环境和气候环境复杂,环流形势受大尺度天气系统和局地海陆风环流（SLBC）控制,气溶胶来源有内陆、海洋、和混合型气溶胶,导致对沿海地区在不同气象条件下气溶胶光学特性的认识存在不确定性。客观准确的掌握沿海地区独特环境下的气溶胶光学特性,能够为开展沿海地区气溶胶气候环境效应和评估改进现有模式在沿海地区的模拟打下坚实的基础。气溶胶光学特性的探测和反演是研究大气气溶胶对环境污染、气候变化以及人类健康影响的重要基础。在气溶胶光学特性的研究中,与光学现象有关的参数大气边界层（ABL）结构特征、大气能见度（VIS）以及气溶胶粒子吸湿增长特性是重要的研究内容。本文对中国近海典型地区茂名和青岛大气边界层气溶胶展开相应研究,包括沿海地区不同环流形势下的大气边界层结构变化特征,不同气溶胶来源下的近地面气溶胶光学特性变化特征,主要取得的结论如下:（1）在对大气边界层结构的研究中,本文对不同复杂程度下的大气边界层高度的反演方法进行了适用性分析,并提出了一种利用探空数据的理查森数法（RI法）反演的大气边界层高度（BLH）结果作为约束条件,结合阈值法和梯度法进行BLH识别的新方法,该方法可以有效提高复杂边界层条件下BLH识别结果的准确性。进一步利用该方法分析了沿海地区不同环流形势影响下下大气边界层结构以及BLH的变化特征。研究表明在海陆风日,由于局地SLBC的影响,近海边界层存在复杂的分层结构,而当存在大尺度天气系统如台风外围环流的影响时,会破坏局地SLBC引起的对流现象,昼夜交替的局地空气上升、下沉运动减弱甚至消失,边界层内气溶胶受湍流影响混合加强,在整个ABL内气溶胶垂直分布逐渐趋于均匀态。（2）在对沿海地区近地面气溶胶光学特性的研究中,本文主要研究的是气溶胶粒子吸湿增长特性。本文基于能见度的潜在影响因素分析结果,提出了一个利用大气能见度（VIS）、相对湿度（RH）以及气溶胶子数浓度（PNC）观测数据反演气溶胶粒子的消光吸湿增长因子的反演算法。并将该方法应用在中国典型沿海的城市（茂名、青岛）不同气溶胶源的分析中,得出结论,认为海陆风环流导致的局地源对沿海地区的气溶胶性质变化影响不大。并得到了实验期间中国典型沿海城市茂名不同气溶胶源（局地源、外来输送源）的气溶胶消光吸湿增长因子模型。（3）利用气溶胶消光吸湿因子反演新算法,结合中国北方典型沿海城市青岛的长期观测数据,分析了青岛地区不同外来输送气溶胶源下（陆源、海源、混合源）的气溶胶消光吸湿增长特性。区分不同污染背景,研究青岛地区在不同污染背景以及不同外部输送源下的气溶胶吸湿因子模型,发现青岛地区在干洁背景下的气溶胶源主要是清洁的海洋型气溶胶。通过对比茂名以及青岛两地的差异,发现实验期间茂名地区污染的海洋型气溶胶吸湿增长特性与青岛地区的混合型海洋型气溶胶吸湿增长模型较接近。（4）利用辐射传输模型MODTRAN5进行了气溶胶光学特性的光学工程应用的初步探究,研究了自定义大气模型与MODTRAN5自带的大气模型下,天空背景辐射的仿真模拟,并与微脉冲激光雷达（MPL）观测的背景噪声进行了对比,发现自定义大气模型的模拟结果趋势与MPL的趋势一致性更好,说明自定义大气模型能有效提高天空背景辐射仿真模拟的结果的准确性。该研究结果为更好的了解沿海地区气溶胶光学特性对辐射强迫的影响,建立典型地区气溶胶模型,评估和改进现有模式在沿海地区的模拟打下了坚实的基础。

关键词：气溶胶光学特性;边界层结构;边界层高度;消光吸湿因子;天空背景辐射

学科专业：物理学

摘要

ABSTRACT

第1章 绪论

1.1 引言

1.2 气溶胶概述

1.2.1 大气气溶胶

1.2.2 气溶胶的气候效应

1.2.2.1 气溶胶的直接辐射强迫效应

1.2.2.2 气溶胶的间接辐射强迫效应

1.2.4 气溶胶光学特性

1.2.4.1 大气气溶胶散射特性

1.2.4.2 大气气溶胶消光系数

1.2.4.3 单次散射反照率

1.2.4.4 散射相函数

1.2.4.5 复折射率

1.2.4.6 气溶胶光学厚度

1.2.4.7 其他重要光学参数

1.3 沿海地区大气气溶胶光学特性研究进展

1.4 国内外研究现状和不足

1.5 论文的主要内容及创新性

第2章 数据源简介

2.1 地基实验及数据介绍

2.1.1 地面气象站数据

2.1.2 微脉冲激光雷达数据

2.1.3 气象要素探空数据

2.1.4 能见度仪数据

2.1.5 粒子计数器数据

2.2 气象要素再分析数据

2.3 GDAS数据

2.4 卫星数据

第3章 沿海地区不同环流形势下大气边界层结构变化特征

3.1 数据和方法

3.1.1 激光雷达观测数据预处理

3.1.2 气溶胶消光系数反演算法

3.1.3 激光雷达边界层高度识别方法

3.2 实验期间茂名地区环流特征

3.2.1 台风天气过程简介

3.2.2 台风对茂名地区环流形势影响分析

3.3 不同环流形势下大气边界层高度识别方法

3.3.1 大气边界层高度识别方法的适用性分析

3.3.2 阈值法与梯度法结合识别大气BLH新方法

3.4 不同环流形势下大气边界层结构变化特征

3.5 本章小结

第4章 中国南方典型滨海城市气溶胶消光吸湿特性

4.1 能见度的潜在影响因素理论分析

4.2 茂名地区气溶胶局地源分析

4.2.1 海陆风日的定义

4.2.2 茂名海陆风环流特征

4.3 茂名地区外来输送气溶胶源分析

4.4 不同气溶胶源下能见度的影响因素分析

4.4.1 能见度影响因素单因子分析

4.4.2 能见度影响因素双因子分析

4.5 气溶胶吸湿增长特性分析

4.6 本章小节

第5章 中国北方典型滨海城市气溶胶消光吸湿增长特性

5.1 青岛大气气溶胶的月、季节变化特点

5.1.1 利用无延时巴特沃斯低通滤波器进行VIS预处理

5.1.2 青岛大气气溶胶的月、季节变化特点

5.2 气溶胶来源及聚类分析

5.3 气溶胶消光吸湿增长特性研究

5.4 本章小节

第6章 光学工程应用研究初探

6.1 模式简介

6.2 天空背景辐射的仿真模拟

6.2.1 MODTRAN自带模型与自定义模型模拟天空背景辐射参数设置

6.2.2 天空背景辐射仿真模拟结果对比

6.3 本章小结

第7章 总结与展望

7.1 本文主要工作总结

7.2 展望

参考文献

致谢