气溶胶的吸收散射作用

气溶胶的吸收散射作用

1 气溶胶的辐射影响

气溶胶是悬浮在大气中的多种固体微粒和液体微小颗粒群。气溶胶来源

比较广泛，但根据其来源可以归为两类：一是自然界，如火山喷发的烟尘、

被风吹起的土壤微粒、海水飞溅扬入大气后而被蒸发的盐粒、细菌、微生物、

植物的抱子花粉、流星燃烧所产生的细小微粒和宇宙尘埃等；二是人类活动，

如煤、油及其他矿物燃料的燃烧物质，以及车辆产生的废气排放至空气中的

大量烟粒等。

气溶胶通过改变局部行星反射率和吸收地球热辐射，来影响全球气候，

对地球辐射平衡起着重要作用（Twomey19771988Haywood et

，；罗云峰等，；

al1995Lohmann et al2005Penner et al2004Yu et al2006）。气溶胶

，；，；，；，

对辐射强迫有直接和间接两种作用机制。气溶胶直接作用是增加行星反射

率，反射更多太阳辐射返回外太空，同时煤烟型等有色气溶胶具有强吸收性，

能够吸收部分太阳光并转化为热能，减小到达地球表面的太阳辐射，对地球

表面起降温作用。另外，气溶胶还能起到温室气体的作用，吸收部分地球热

辐射，降低地表降温的速度。气溶胶间接作用机制比较复杂，小粒径气溶胶

可作为云凝结核，有助于形成和发展云层和降水，改变云层反射率和降水过

程。气溶胶对气候的影响错综复杂，对地球最终是否起到降温作用还是升温

作用还未有明确定论。对遥感领域科学家而言，关注更多的不是地球辐射收

支平衡问题，而是气溶胶对卫星接收信号的影响。显然，气溶胶会增加大气

层的反射能力，从而增加行星反射率和卫星接收信号强度。气溶胶严重影响

到地表反射率的测量精度，要精确获取地表反射率，必须知道气溶胶信息并

进行有效的大气校正，可见气溶胶信息对遥感的重要性，这也是目前水色卫

星大气校正的焦点和难点所在。

2 相对湿度对气溶胶的影响

随着空气相对湿度的增加，更多水汽依附在气溶胶表面，使得气溶胶吸

收更多水分，从而加大气溶胶的粒径和改变气溶胶的折射系数，进而改变气

溶胶的吸收系数和衰减系数等光学属性Ha¨nel19721976。当然，相对

（，，）

湿度只对吸湿性气溶胶（水溶气溶胶或者海盐气溶胶）有作用，对一些非吸

湿气溶胶（矿物质气溶胶和煤烟型气溶胶等）不起任何作用。Ha¨nel1984

（）

分析了相对湿度对气溶胶光学性质的影响，并给出了气溶胶半径随相对湿

r

度的变化公式：



m(a)

r(a)r1

m0





ww

m

0



其中为干粒子的半径，为粒子相对于水的密度，为干粒子的质量，为

r

0



mm

0w

吸湿后粒子的质量，为水活动能力

a

w

2V



w

afexp()

m

RTr

w

1

3

其中， 为相对湿度，为湿粒子表面张力，为水的特征体积，为水的

f



V

m

R

m

特征气体常数，T为绝对温度（K）。在常温（298K）下

2V



w

0.001056

RT

w

则

afexp()

m

0.001056

r

可以通过迭代方法得到不同相对湿度下的气溶胶半径，然后通过下式计算气溶胶

吸湿后的复折射系数（）：

mnik



r

mm(mm)

00w



0



r(a)

w

3

其中为干粒子复折射系数，为水复折射系数。

m

0

m

w

Ha¨nel 1984进一步给出了吸湿气溶胶折射系数虚部的表达式：

（）

kkkr

w0w0



k

()



2222

n2n2n2n2

w0w



r(a)

w

3

其中和为水折射系数的实部和虚部，和为气溶胶吸湿后折射系数的实

n

w

k

w

n

k

部和虚部，和为干气溶胶的实部和虚部。

n

0

k

0

3 气溶胶光学属性计算

常见的气溶胶光学属性包括垂直光学厚度，单次散射反照率和散射



aa



矩阵等。已知气溶胶的复折射系数（）和粒径谱分布函数，

P()

a

mnik

通过Mie散射理论计算就可得到气溶胶的各种光学属性。

光在前进中碰见粒子，如果光波波长小于粒子的半径，就会发生Mie散射

（Mie1908）。气溶胶的粒径一般相对较大，符合Mie散射条件。Mie散射理论

，

较复杂，这里只给出一般推导过程。设入射波（波速为）为

k

EEe[sincosecoscosesine]

i0r

i(krcost)







当该入射波照射到半径为的均质球粒子上时，在远处处（）激

a

r(r,,)



kr1

发的散射电场可由麦克斯韦方程组求得（Bohen and Huffman1998）

，

EEe[S()coseS()sine]

s021

i(krcost)







其中

11





P(cos)dP(cos)

nn



2n1

S()(ab





nn1





n(n1)sind



n1



11



dP(cos)P(cos)





S()(ab

2nn





2n1

nn



dsinn(n1)



n1



P()

nn

1



dP()

1



记，和，则 和可通过如下递



cos



n

()



n

()



nn

()()



sin



d



推公式计算：

2n1n







nn1n2nnn1

()()(),()n()(n1)()



n1n1





01

()0,()1



把 和代入的表达式后得到



nn

()()



S()S()

12



和





2n1



S()(a()b())



nnnn1







n(n1)

n1





2n1



S()(a()b())

2nnnn







n(n1)

n1



式中和都是尺寸参数（）和粒子复折射系数（）的

ab

nn

xka2a/mnik



函数



(x)(x)(mx)m(mx)



nnnn



a(x,m)

n





(x)(x)(mx)m(mx)



nnnn







(x)m(x)(mx)(mx)



nnnn



b(x,m)

n



(x)m(x)(mx)(mx)



nnnn





式中和分别是Riccati-Besl函数和Riccati-Hankel函数，满足如下递



nn

(x)(x)



推关系：

（2n1)(x)



n1





(x)＝(x)

n2n



x



（2n1)(x)



n1





(x)＝(x)

n2n



x



sinxxcosx





01

(x)sinx,(x)

x

2



ix





(x)iexp(ix)(x)exp(ix)

01



x



现在可计算粒子的消光效率、散射效率、后向散射效率和吸收系数

QQQ

esbs

Q

a

2



Q(x,m)(2n1)Re(a(x,m)b(x,m))

enn

2





x

n1

2



22

Q(x,m)(2n1)(a(x,m)b(x,m))

snn

2



x

n1



1

Q(x,m)(2n1)(1)(a(x,m)b(x,m))

bsnn

2

x





n1



n

2

Q(x,m)Q(x,m)Q(x,m)

aextsca

对于球型粒子，散射矩阵为

00P()P()



1112



P()P()00

1211



P()



00P()P()

3334



00P()P()

3433



其中

P()SSP()SS

11211221

11

2222

22

1i

****

P()SSSSP()SSSS

332121341221

22









其中为标量形式下的散射相函数，其标准化形式为

P()

11

p()

P()

11

2



xQ(x,m)

s

非对称因子

g(x,m)



4

xQ(x,m)

2

s



n(n2)2n1

**

Re(a(x,m)a(x,m)b(x,m)b(x,m))Re(a(x,m)b(x,m))



nn1nn1nn



n1n(n1)

n1



dN(r)

对于气溶胶群，假设其粒径分布为，则气溶胶的消光系数、散射

n(r)



e

dr

系数和吸收系数，散射相函数，单次散射反照率，非对称因子g可由



sa

p



Mie计算结果计算如下：

r

max



e,s,ae,s,a

(,m)Q(2r/,m)rn(r)dr

r

min



2

r

max

2

P(2r/,m,)4rn(r)drp(,m,)





11

1



s

(,m)

r

min



(,m)



s

(,m)



e

(,m)

1

g(,m)



1



cosp(,m,)dcos



1

1



p(,m,)dcos



4 气溶胶建模方法

气溶胶的物理化学性质复杂，时空分布变化大，而且与下垫面性质紧密

相关，这造成了气溶胶分布信息在全球范围内存在较大不确定性。为方便处

理，遥感科学家需要一定的气溶胶模型来模拟简化气溶胶状态。气溶胶模型

是对典型气溶胶状态的一种简单、一般化的描述（Shettle and Fenn1979）。

，

定义气溶胶模型是一个复杂的过程，需要考虑不同时空下的气溶胶物理光学

性质。构造气溶胶模型一般有两种方法，一种是直接测量不同时间不同地方

的气溶胶光学属性，另外一种是先收集并平均各种气溶胶粒子得到几种气溶

胶基本粒子，然后由这些基本粒子按照不同比例混合计算而得到气溶胶模型

（Levoni et al1997）。第一种方法非常直接，但需要在较长时间内对较大空

，

间内的气溶胶进行测量，测量成本远远超过目前经济承受力，所以目前还不

存在具有要求精度的全球气溶胶观测数据集。正是如此，利用气溶胶基本粒

子混合组成气溶胶类型的构造方法依然是目前较合理的构造方法（Almeida

，

1991）。

大量科学家对气溶胶模型的提出和完善做了贡献（Toon and Pollack

，

1976Fenn1964Shettle and Fenn1979Deepak and Gerbers1983Mc Clatchey

；，；，；，；

et al1992d’Almeida et al1991Koepke et al1997Chiara Levoni et al1998）。

，；，；，；，

Hess等人总结前人研究基础，提出了广泛应用于遥感科学与研究的气溶胶和

云光学属性数据集OPACOptical Properties of Aerosols and Clouds。OPAC含

（）

有常见气溶胶基本粒子，预定义几种常见气溶胶模型，而且提供接口供用户

自由选择各种气溶胶组分含量以构造新的气溶胶模型。每种气溶胶基本粒子

具有特定粒径分布和折射系数，而且充分考虑了不同相对湿度对气溶胶基本

粒子的折射系数和粒径分布的影响。

OPAC含有如下６类气溶胶基本粒子（HessKoepke and Schult1998）

，，

 非水溶性粒子（INSOwater-insoluble particles）

，

非水溶性粒子主要包括泥沙颗粒和绝大部分有机物质。

 水溶性粒子（WASOwater-soluble particles）

，

水溶性粒子起源于气体向颗粒转化过程中，包含各种硫化物、氮

氧化物以及其它有机水溶物质。人类活动产生的硫化物约占水溶性粒

子的５０%。

 煤烟型粒子SOOT

煤烟型粒子代表的是吸收性强的黑炭，主要产生于稻谷燃烧、煤

炭燃烧和汽车尾气，广泛存在于工业城市中。

 海盐粒子（Sea salt）

海盐粒子主要由海面风矢量在海面上拖曳形成飞沫蒸发而成的各

种含盐分颗粒，一般包含30%的海盐和10%的水分。海盐粒子可进一

步分为两种，一种是颗粒较大、与短时间内风速相关的粗模态海盐粒

子SSCM（Sea Salt at coar mode），另一种是长期漂浮在海洋上空的积

聚模态海盐粒子SSAMSea Salt at accumulated mode。

（）

 矿物质粒子（Mineral particles）

矿物质粒子主要代表产生于干旱地区的沙漠气溶胶，一般由石英和

干土混合而成。按照其粒径大小，可分为核模态矿物质粒子MINM、积聚

模态矿物质粒子MIAM和粗模态矿物质粒子MICM。另外，OPAC还定义

输送型矿物质粒子MITR（Mineral transported）。

 75% 硫酸盐粒子（75% HSO）

24

75% 硫酸盐粒子代表南极上空的含硫酸盐气溶胶。它也可以作为平流

层背景气溶胶使用。它不适合代表人类活动产生的硫化物。

每种气溶胶基本粒子的粒径符合对数正态分布（Deepak and Gerber1983）

i

，

2



logrlogr



dN(r)N

ii

1

modN,i





exp



dr2log



i

2rlogln10



i







其中为基本粒子的粒子总数（），为模半径，为分布宽度。其

N

i

i

cm

3

r

modN,i



i

中与气溶胶浓度有关，关系到气溶胶的光学厚度，而 和分别反映粒

N

i

r

modN,i



i

子群的平均半径和方差，直接关系到气溶胶的吸收和散射特征。