多椭球团簇异质气溶胶粒子的光谱特性模拟

The differences of spectral properties between observed results and simulations of simple spherical model are remarkably large, which directly influence the accuracy of quantitative remote sensing. Based on the images of transmission electron microscopy, the microscopic physical and chemical characteristics of typical aerosol particles are commonly shown as some non-spherical aggregated tiny monomers with different compositions. The microscopic models of multi-ellipsoid morphologies and heterogeneous compositions are mainly researched in this project, and their single scattering calculations are studied for remote sensing applications. The research contents include: the far-field random-orientation single scattering calculation of multi-sphere aggregated heterogeneous aerosol are expanded for the calculation of multi-ellipsoid aggregated heterogeneous aerosol; the morphological and chemical parameters are analyzed for spectral properties in UV-VIS-NIR range, and their sensitivities are also simulated for remote sensing applications. In order to improve the accuracy of remote sensing inversion with simple spherical assumption, the spectral properties of non-spherical heterogeneous aerosol particles are studied to apply theoretical basis and technical supports for the future non-spherical aerosol models.

基于简单球形模型假设的气溶胶光谱特性与实验结果具有较大的差异，直接影响定量遥感的准确性。利用电子透射显微镜的观测，典型模态的气溶胶粒子表现为多种不同成份的非球形小粒子聚集的微观形态和理化特征。本项目以气溶胶粒子的多椭球团簇形态和异质理化模型为主要研究对象，对其单次散射特性的计算方法进行基础科学研究。具体研究内容包括：拓展多球团簇状异质气溶胶粒子的远场随机朝向单次散射解析解的计算方法，使其能够计算多椭球团簇状异质气溶胶粒子的单次散射特性；分析这类气溶胶的非球形异质形态理化参数对于UV-VIS-NIR波段的遥感光谱特性的影响和规律，模拟其在遥感应用的敏感性。本项目旨在研究非球形异质气溶胶粒子的光谱特性，为适用于遥感监测的非球形气溶胶模型提供理论基础和技术支持，以改进基于简单球形假设的遥感反演精度。

基于简单球形模型假设的气溶胶光谱特性与实验结果具有较大的差异，直接影响定量遥感的准确性。基于典型气溶胶粒子的电子透射显微镜图像，较为系统地研究了典型气溶胶的微物理模型和光学散射模型，通过构建更加接近真实大气条件下的气溶胶微观理化特性的模型，能够模拟获得更加接近真实情况的气溶胶光学特性，用于真实大气环境中典型气溶胶光谱特性的模拟。利用提出的多椭球团簇异质气溶胶粒子微物理模型，模拟了典型气溶胶的微观形态；通过选择合适的气溶胶颗粒物光学散射模型构建方法,模拟获得了具有指定粒子大小和化学成份等理化特性的非球形异质气溶胶粒子的光学散射特性，与多球团簇气溶胶模型以及球形模型相比，能够获得更加接近实验室观测的典型气溶胶光学特性。其中，多椭球团簇黑碳气溶胶的模拟质量吸收截面(MAC)约为7.5m2/g，比多球团簇的约6.5m2/g更接近实测的7.5±1.2m2/g。针对典型遥感波段和尺度参数，模拟了典型气溶胶的光谱特性，研究其异质特征和形态因子对于遥感光谱的敏感性，并进一步与地表耦合引入辐射传输过程，模拟了黑碳、硫酸盐和有机物等典型气溶胶在不同混合生长状态下的辐射强迫，研究典型气溶胶的异质特征和形态因子对于遥感观测和气候效应的影响，取得了一定的创新成果。项目成果可以较大地提高对于含黑碳类气溶胶理化光学特性的认识，为气溶胶遥感反演和辐射强迫评估提供更加准确的气溶胶模型，从而提高遥感反演精度，降低气溶胶辐射强迫的不确定性。