烟尘和雾霾气溶胶凝聚粒子光散射及传输特性研究
发布时间：2020-05-28 09:26
【摘要】：大气气溶胶是地气系统的重要组成部分,是气溶胶气候和环境效应的重要影响因子,气溶胶粒子散射、吸收、消光效率因子和不对称因子等光散射特征量是评价大气环境污染、研究气候辐射和大气中光传输的重要参量。本文基于电磁散射基本理论,利用电磁散射数值计算方法开展了烟尘和雾霾气溶胶凝聚粒子的光散射特性和传输特性的研究工作。提出了多组元气溶胶粒子模型,研究了非旋转对称簇团气溶胶粒子光散射与传输特征;建立了多粒径凝聚粒子体系模型,研究了单一成分和内外混合成分多粒径烟尘和雾霾凝聚粒子的光学特性;利用Monte Carlo方法结合改进的HG*相函数,研究了光在随机分布簇团烟尘和雾霾中多重散射与传输特性;理论导出了矢量辐射传输方程新的求解方法,数值分析了烟尘气溶胶中光的矢量辐射传输特性。论文主要成果如下:1、分析了气溶胶粒子的基本物理特征、气溶胶粒子消光特性的微物理过程;结合Mie散射理论分析了离散偶极子方法求解粒子散射问题的可靠性;数值计算了单体形状烟尘气溶胶粒子的光学特征量。结果表明,入射光的波长、粒子的粒径、形状以及是否内混合是影响气溶胶粒子光学特性的主要因子。2、构建了单一粒径和多粒径烟尘和雾霾凝聚粒子模型,解决了气溶胶凝聚粒子的光散射问题。结果表明,对于单一成分凝聚粒子,凝聚粒子中原始粒子的数目和粒径、凝聚粒子的凝聚过程、空间结构、孔隙以及凝聚粒子的成分是影响粒子光学性质的重要原因;对于混合混合凝聚粒子,其光学特性还取决于凝聚粒子中各种成分所占的比例。3、提出利用改进的HG*散射相函数研究气溶胶中光的传输问题,给出了总反射率和总透射率随传输距离变化的数值结果,分析了粒子种类、形状、入射光的波长、入射角度以及气溶胶中粒子数密度等因素对传输特性的影响,结果发现改进的HG*散射相函数适合于气溶胶中光传输特性的研究;基于辐射输运理论数值计算了均匀分布烟尘和雾霾气溶胶中光的传输特性,采用平均等效的方法研究了随机分布烟尘和雾霾中光的传输特性。结果发现,气溶胶中粒子的混合比例、粒子的尺寸、粒子的分布概率、雾霾中相对湿度的大小和能见度都是影响光传输特性的直接原因。4、研究了气溶胶粒子的Muller矩阵,结果发现,Muller矩阵元素的角分布取决于粒子的形状、凝聚粒子的结构、凝聚粒子中不同成分的比例以及凝聚粒子的尺寸参数;对于相同半径原始微粒凝聚而成的气溶胶凝聚粒子,Muller散射矩阵元素的角分布取决于凝聚粒子的数目和凝聚过程以及凝聚粒子的尺寸参数和空间结构,凝聚粒子尺寸参数越大,前向散射越强;气溶胶凝聚粒子Muller矩阵的16个元素都不为零,Muller矩阵是矢量辐射传输模式中的重要参量,Muller矩阵的准确求解可为气溶胶中矢量辐射传输特性的研究奠定基础。5、针对气溶胶中矢量辐射传输的应用需求,理论导出了矢量辐射传输方程的—降维降参数求解方法,数值分析了烟尘气溶胶中光的矢量辐射传输特性,该方法的优点是从矢量辐射传输方程本身出发,可以求解给定模型气溶胶中任意点处光的Stokes矢量,对于研究光在气溶胶中传输时的偏振特性具有一定的应用价值。
【图文】：
气溶胶粒子的几何形状、尺寸分布和折射率是影响其光学特性的重要因素。图2.1 给出了典型气象环境中大气沉降粒子的尺寸分布范围。图 2.1 大气沉降粒子的尺寸范围图 2.1 大致给出了典型气象环境中大气沉降粒子的尺寸范围，从广义上讲，大气中一切悬浮的颗粒物都可以归属于气溶胶范畴，对气溶胶粒子还可从粒径尺度进行分类，将粒径小于 0.05μm 的粒子称为爱根核，因为其可以通过爱根核计数器得到；直径处于 0.05μm 至 2μm 之间的粒子称为大核；直径大于 2μm 的粒子称为巨核；将粒径小于 10μm 的粒子称为飘尘，也可称为可吸入颗粒物，因其能直接进入人体的呼吸系统；直径大于 30μm 的大粒子称为降尘，因其在大气中停留时间较短，，很快就会在重力场的作用下发生沉降。气溶胶粒子的形状直接决定其光学特性，已有大量学者研究发现，气溶胶粒子的形状各异，如球形、椭球形、柱状、非规则形状以及由小粒子经碰撞等自然作用凝聚而成的簇团粒子，图 2.2 和图 2.3 给出的是实验观测所得实际气溶胶粒子几何形状的图片[158-159]。图 2.2 气溶胶粒子观测图[158]图 2.3 冰晶气溶胶粒子形状[159]其中图 2.2 是中国粉体网发布的氯化钠海盐气溶胶粒子、花粉气溶胶粒子、碳气溶胶粒子和硫酸盐包裹氯化钠气溶胶粒子在显微镜下的观测结果，图 2.3 给出的是寒旱所对天山 1 号冰川大气气溶胶进行观测研究所得到的冰晶气溶胶粒子的形状。通过
图 2.1 大气沉降粒子的尺寸范围图 2.1 大致给出了典型气象环境中大气沉降粒子的尺寸范围，从广义上讲，大气中一切悬浮的颗粒物都可以归属于气溶胶范畴，对气溶胶粒子还可从粒径尺度进行分类，将粒径小于 0.05μm 的粒子称为爱根核，因为其可以通过爱根核计数器得到；直径处于 0.05μm 至 2μm 之间的粒子称为大核；直径大于 2μm 的粒子称为巨核；将粒径小于 10μm 的粒子称为飘尘，也可称为可吸入颗粒物，因其能直接进入人体的呼吸系统；直径大于 30μm 的大粒子称为降尘，因其在大气中停留时间较短，很快就会在重力场的作用下发生沉降。气溶胶粒子的形状直接决定其光学特性，已有大量学者研究发现，气溶胶粒子的形状各异，如球形、椭球形、柱状、非规则形状以及由小粒子经碰撞等自然作用凝聚而成的簇团粒子，图 2.2 和图 2.3 给出的是实验观测所得实际气溶胶粒子几何形状的图片[158-159]。
【学位授予单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：X513
本文编号：2685039
【图文】：
气溶胶粒子的几何形状、尺寸分布和折射率是影响其光学特性的重要因素。图2.1 给出了典型气象环境中大气沉降粒子的尺寸分布范围。图 2.1 大气沉降粒子的尺寸范围图 2.1 大致给出了典型气象环境中大气沉降粒子的尺寸范围，从广义上讲，大气中一切悬浮的颗粒物都可以归属于气溶胶范畴，对气溶胶粒子还可从粒径尺度进行分类，将粒径小于 0.05μm 的粒子称为爱根核，因为其可以通过爱根核计数器得到；直径处于 0.05μm 至 2μm 之间的粒子称为大核；直径大于 2μm 的粒子称为巨核；将粒径小于 10μm 的粒子称为飘尘，也可称为可吸入颗粒物，因其能直接进入人体的呼吸系统；直径大于 30μm 的大粒子称为降尘，因其在大气中停留时间较短，，很快就会在重力场的作用下发生沉降。气溶胶粒子的形状直接决定其光学特性，已有大量学者研究发现，气溶胶粒子的形状各异，如球形、椭球形、柱状、非规则形状以及由小粒子经碰撞等自然作用凝聚而成的簇团粒子，图 2.2 和图 2.3 给出的是实验观测所得实际气溶胶粒子几何形状的图片[158-159]。图 2.2 气溶胶粒子观测图[158]图 2.3 冰晶气溶胶粒子形状[159]其中图 2.2 是中国粉体网发布的氯化钠海盐气溶胶粒子、花粉气溶胶粒子、碳气溶胶粒子和硫酸盐包裹氯化钠气溶胶粒子在显微镜下的观测结果，图 2.3 给出的是寒旱所对天山 1 号冰川大气气溶胶进行观测研究所得到的冰晶气溶胶粒子的形状。通过
图 2.1 大气沉降粒子的尺寸范围图 2.1 大致给出了典型气象环境中大气沉降粒子的尺寸范围，从广义上讲，大气中一切悬浮的颗粒物都可以归属于气溶胶范畴，对气溶胶粒子还可从粒径尺度进行分类，将粒径小于 0.05μm 的粒子称为爱根核，因为其可以通过爱根核计数器得到；直径处于 0.05μm 至 2μm 之间的粒子称为大核；直径大于 2μm 的粒子称为巨核；将粒径小于 10μm 的粒子称为飘尘，也可称为可吸入颗粒物，因其能直接进入人体的呼吸系统；直径大于 30μm 的大粒子称为降尘，因其在大气中停留时间较短，很快就会在重力场的作用下发生沉降。气溶胶粒子的形状直接决定其光学特性，已有大量学者研究发现，气溶胶粒子的形状各异，如球形、椭球形、柱状、非规则形状以及由小粒子经碰撞等自然作用凝聚而成的簇团粒子，图 2.2 和图 2.3 给出的是实验观测所得实际气溶胶粒子几何形状的图片[158-159]。
【学位授予单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：X513
本文编号：2685039
本文链接：https://www.wllwen.com/shengtaihuanjingbaohulunwen/2685039.html
