多种特定环境中水云和雾的光学特性

王金虎，王宇豪，蔡嘉晗，谢槟泽，陈 江

(1.南京信息工程大学 气象灾害预报预警与评估协同创新中心，江苏 南京 210044；2.中国气象局 气溶胶与云降水重点开放实验室，江苏 南京 210044；3.中国科学院 中层大气和全球环境探测重点实验室，北京 100029；4.南京信息工程大学 安全应急管理研究院，江苏 南京 210044)

云和雾不仅使能见度降低，也影响遥感装置的探测效果[1-3]，因此深入研究云和雾的光学特性对激光雷达的云遥感探测有重要意义[4-7].云可分为高云、中云和低云，其中的中云和低云统称为水云[8].卷云属于高云，积云及层云属于水云.文献[9]对卷云中的冰晶光学特性进行了研究，但未研究水云的光学特性.文献[10]基于Mie理论分析了水云的散射特性，但其水云模型未考虑多种参量对水滴的影响.文献[11]对4种典型水云的消光系数、单次散射反照率、不对称因子和相函数进行了研究.文献[12]对云雾粒子的激光雷达比进行了研究，发现不同粒子的激光雷达比有较大差异.文献[13]利用干冰模拟云雾环境，使用2种不同脉冲宽度的激光研究云雾的散射特性.文献[14]使用Mie理论计算云的单次散射相函数值，估计云的尺寸分布，计算其折射率.文献[15]使用多个散射模型研究波长对水云光学厚度的影响，发现波长对水云光学厚度影响不大.上述文献多集中研究典型环境中的云雾光学特性，但特定环境中水云和雾的光学特性随水滴数浓度变化的研究尚未见报道.鉴于此，笔者拟研究在550，1 500 nm激光雷达波下多种特定环境中水云和雾的光学特性参量随水滴数浓度变化的规律.

1 物理参量

1.1 谱分布函数

水云和雾的粒子谱分布可用如下修正的Gamma分布函数描述

(1)

粒子有效半径的表达式为

(2)

1.2 多种特定环境中水云和雾的物理参量

表1为多种特定环境中水云和雾的物理参量，其中W为水滴含量.

表1 多种特定环境中水云和雾的物理参量

1.3 光学参量

激光雷达光学参量如下：消光系数、散射系数、吸收系数、激光雷达比.消光系数的表达式为

(3)

其中：Qext为消光效率，其为折射率m、粒子半径r和波长λ的函数；n(r)为谱函数，其满足正态分布.

散射系数的表达式为

(4)

吸收系数的表达式为

(5)

其中：Qabs为吸收效率，其表达式为

(6)

激光雷达比的表达式为

(7)

其中：p(180)为方位角180°方向的散射系数.

2 仿真实验

2.1 OPAC软件及实验参数

该文采用OPAC软件进行仿真实验.OPAC软件是由德国慕尼黑大学和马克斯普朗克气象学研究所(MPI)联合开发的气溶胶与云光学特性程序包.该软件利用自带的云和气溶胶光学数据集，可计算混合物的光学特性参量.仿真实验中，涉及的多种特定环境中水云和雾的水滴数浓度如表2所示.

表2 多种特定环境中水云和雾的水滴数浓度

该文选择的激光雷达波长为550，1 500 nm，水云和雾的相对湿度均为50%.

2.2 实验结果及其分析

2.2.1 消光系数

图1为2种激光雷达波长下水云和雾的消光系数随水滴数浓度变化的情况.由图1可知，在550，1 500 nm激光雷达波长下水云和雾的消光系数随水滴数浓度线性递增.

图1 2种激光雷达波长下水云和雾的消光系数随水滴数浓度变化的情况

在550，1 500 nm激光雷达波长下水云和雾的消光系数对水滴数浓度的变化率如表3所示.

表3 2种激光雷达波长下水云和雾的消光系数对水滴数浓度的变化率

由表3可知：在550 nm波长下，水云的消光系数对水滴数浓度的变化率大于雾的消光系数对水滴数浓度的变化率，大陆的消光系数对水滴数浓度的变化率大于海洋的消光系数对水滴数浓度的变化率，积云的消光系数对水滴数浓度的变化率大于层云的消光系数对水滴数浓度的变化率，污染性的消光系数对水滴数浓度的变化率大于洁净性的消光系数对水滴数浓度的变化率；1 500 nm波长的定性情况与550 nm波长的定性情况基本相同，但对同一对象来说，1 500 nm波长下消光系数对水滴数浓度的变化率大于550 nm波长下消光系数对水滴数浓度的变化率.

2.2.2 散射系数

图2为2种激光雷达波长下水云和雾的散射系数随水滴数浓度变化的情况.由图2可知，在550，1 500 nm激光雷达波长下水云和雾的散射系数随水滴数浓度线性递增.

图2 2种激光雷达波长下水云和雾的散射系数随水滴数浓度变化的情况

对比图1，2可知，从定性角度看，散射系数随水滴数浓度变化的规律与消光系数随水滴数浓度变化的规律基本一致.

2.2.3 吸收系数

图3为2种激光雷达波长下水云和雾的吸收系数随水滴数浓度变化的情况.由图3可知，在550，1 500 nm激光雷达波长下水云和雾的吸收系数随水滴数浓度线性递增.

图3 2种激光雷达波长下水云和雾的吸收系数随水滴数浓度变化的情况

在550，1 500 nm激光雷达波长下水云和雾的吸收系数对水滴数浓度的变化率如表4所示.

表4 2种激光雷达波长下水云和雾的吸收系数对水滴数浓度的变化率

由表4可知：在550 nm波长下，水云的吸收系数对水滴数浓度的变化率大于雾的吸收系数对水滴数浓度的变化率，海洋的吸收系数对水滴数浓度的变化率大于大陆的吸收系数对水滴数浓度的变化率，积云的吸收系数对水滴数浓度的变化率大于层云的吸收系数对水滴数浓度的变化率，污染性的吸收系数对水滴数浓度的变化率大于洁净性的吸收系数对水滴数浓度的变化率；1 500 nm波长的定性情况与550 nm波长的定性情况基本相同，但对同一对象来说，1 500 nm波长下吸收系数对水滴数浓度的变化率远大于550 nm波长下吸收系数对水滴数浓度的变化率.

2.2.4 激光雷达比

图4为2种激光雷达波长下水云和雾的激光雷达比随水滴数浓度变化的情况.由图4可知：在2种激光雷达波长下水滴数浓度增加时，激光雷达比均无明显变化；在550 nm波长下，海洋性积云的激光雷达比大于大陆性积云的激光雷达比，海洋性层云的激光雷达比大于大陆性层云的激光雷达比，污染性激光雷达比大于洁净性激光雷达比，海洋性积云的激光雷达比最大，大陆洁净性积云的激光雷达比最小；在1 500 nm波长下，层云的激光雷达比大于积云的激光雷达比，洁净性的激光雷达比大于污染性的激光雷达比，大陆性层云的激光雷达比最大，大陆污染性积云的激光雷达比最小.

图4 2种激光雷达波长下水云和雾的激光雷达比随水滴数浓度变化的情况

3 结束语

笔者研究了在2种激光雷达波长下多种特定环境中水云和雾的光学特性参量随水滴数浓度变化的规律.结果表明：2种激光雷达波长下水云和雾的消光系数随水滴数浓度线性递增，但对同一对象来说，1 500 nm波长下消光系数对水滴数浓度的变化率大于550 nm波长下消光系数对水滴数浓度的变化率；从定性角度看，散射系数随水滴数浓度变化的规律与消光系数随水滴数浓度变化的规律基本一致；2种激光雷达波长下水云和雾的吸收系数随水滴数浓度线性递增，但对同一对象来说，1 500 nm波长下吸收系数对水滴数浓度的变化率远大于550 nm波长下吸收系数对水滴数浓度的变化率；2种激光雷达波长下水滴数浓度增加时，激光雷达比均无明显变化.