基于光声、腔衰荡复合光谱的大气气溶胶光学特性测量技术研究

Atmospheric aerosols exert a critical role in the Earth’s energy balance and climate change via scattering and absorption of solar radiation. The estimation of aerosol radiative forcing relies on the accurate measurement of aerosol optical properties. Currently the scattering coefficient is usually measured by integrating nephelometer, however angular truncation and non-ideal illumination result in systematic errors. Despite the development of a variety of calibration method for correcting systematic errors of integrating nephelometer, but when the particle size distribution and the complex refractive index of aerosol changed greatly, measurement errors still exist. Photoacoustic spectroscopy, cavity ring down spectroscopy can measure the absorption coefficient and extinction coefficient accurately. In this project, the combination of photoacoustic spectroscopy and cavity ring down spectroscopy is realized with optical feedback technique. The scattering coefficient is calculated from the measured absorption coefficient and extinction coefficient. The accurate measurement of aerosol optical properties has great significance on the research of aerosol radiative forcing and climate forcing.

大气气溶胶通过散射和吸收太阳辐射影响地球大气的能量收支，影响气候变化。气溶胶辐射强迫的估算、研究依赖于气溶胶散射系数、吸收系数和消光系数等光学特性的准确测量。目前通常采用积分浊度法测量散射系数，积分角度截断和光源的非理想性使得积分浊度仪测量结果包含有一定的系统性偏差。尽管发展出了多种校正方法校正积分浊度仪的系统误差，但是当气溶胶数浓度谱分布、复折射指数发生较大变化时，仍然会存在测量偏差。光声光谱、腔衰荡光谱可实现对气溶胶吸收系数、消光系数的准确测量。本项目采用光学反馈技术，使腔内激光功率高于腔外激光功率，解决光声光谱和腔衰荡光谱复合的难点，通过测量气溶胶吸收系数、消光系数，进而得到气溶胶散射系数，实现对气溶胶各项光学特性的准确测量，对气溶胶辐射强迫效应、气候强迫研究具有重要意义。

大气气溶胶在地球-大气系统的辐射平衡中扮演重要角色，如通过吸收和散射作用直接改变太阳和地面辐射透过大气层的路径，影响云的物理和辐射特性，有些气溶胶还会产生半直接效应，比如黑碳等吸收性气溶胶吸收太阳辐射所引发的云蒸发等。大气气溶胶通过一系列辐射作用，改变疾风环流、区域水循环、云量和大气动力特性，从而对整个气候产生影响。本项目融合光声光谱和腔衰荡光谱技术，研制了一套可较全面测量气溶胶光学特性的小型化仪器，克服了传统浊度计、碳黑仪等相关仪器的缺陷，对于研究大气气溶胶对气候变化的影响具有重要意义。本项目所开发的气溶胶测量装置主要包含了腔衰荡模块和光声光谱模块。对于腔衰荡模块，本项目利用光学反馈方法锁定了激光器的频率，并将腔内激光强度提高到近2W，从而提高了衰减波形的信噪比，这为腔衰荡技术与光声光谱技术的结合提供了基础。本项目使用了8种浓度的二氧化氮气体来验证我们的仪器的性能。结果显示，实验和理论之间的线性拟合斜率为实验值和理论值之间的线性拟合斜率为0.99987，决定系数为0.5。为了验证光声-腔衰荡复合光谱气溶胶测量装置的性能，本项目选择不同时段、气象条件，测量大气气溶胶光学特性，并与黑碳仪和积分浊度仪测量的气溶胶散射系数进行比对。结果表明，本项目所开发的装置与对比测试仪器的测量结果符合良好，峰值重合较好。