科學(xué)島團(tuán)隊(duì)在氣溶膠單次散射反照率垂直廓線探測(cè)技術(shù)方面取得新進(jìn)展

近日，中科院合肥物質(zhì)院安光所張為俊研究員課題組在氣溶膠單次散射反照率垂直廓線探測(cè)技術(shù)方面取得新進(jìn)展，相關(guān)研究成果以《無(wú)人機(jī)載腔增強(qiáng)反照率光譜儀：一個(gè)同時(shí)原位測(cè)量氣溶膠光散射和光吸收垂直廓線的強(qiáng)大工具》為題發(fā)表于美國(guó)光學(xué)學(xué)會(huì)（OSA）出版的Optics Express上。
氣溶膠單次散射反照率（SSA，散射系數(shù)與消光系數(shù)之比）是輻射強(qiáng)迫計(jì)算中關(guān)鍵的輸入?yún)?shù)。測(cè)量SSA的垂直廓線，對(duì)于氣溶膠輻射效應(yīng)的準(zhǔn)確評(píng)估和氣溶膠-輻射-大氣邊界層相互作用等研究具有重要意義。然而，受探測(cè)手段限制，目前SSA垂直廓線直接觀測(cè)數(shù)據(jù)十分有限且誤差較大，亟需發(fā)展可用于準(zhǔn)確探測(cè)SSA垂直廓線的裝置。
團(tuán)隊(duì)趙衛(wèi)雄研究員等人2014年將寬帶腔增強(qiáng)吸收光譜技術(shù)與積分球相結(jié)合，研制了國(guó)際上首臺(tái)腔增強(qiáng)反照率光譜儀，實(shí)現(xiàn)了氣溶膠消光、散射和吸收系數(shù)以及SSA的原位、同步測(cè)量（Atmospheric Measurement Techniques, 7(8), 2551-2566, 2014）。之后，進(jìn)一步發(fā)展了寬波段腔增強(qiáng)反照率光譜測(cè)量系統(tǒng)（Optics Express, 26(25), 33484-33500, 2018）和吸濕性腔增強(qiáng)反照率光譜儀（Atmospheric Measurement Techniques, 13(5), 2623-2634, 2020），實(shí)現(xiàn)了氣溶膠多光學(xué)參數(shù)的光譜特性和吸濕增長(zhǎng)特性測(cè)量。
本研究在已有工作基礎(chǔ)上，針對(duì)氣溶膠單次散射反照率垂直廓線測(cè)量，采用新型籠式同軸一體化的光腔結(jié)構(gòu)（圖1）和高精度溫控電流源系統(tǒng)，解決了飛行過(guò)程中振動(dòng)和溫度變化帶來(lái)的影響，結(jié)合獨(dú)立的供氣和供電方式，研制了無(wú)人機(jī)載腔增強(qiáng)反照率光譜儀（圖2），首次實(shí)現(xiàn)了SSA垂直廓線的原位測(cè)量（圖3）。
系統(tǒng)包含一架六旋翼油動(dòng)無(wú)人機(jī)（載重40kg，續(xù)航超1小時(shí)）和一臺(tái)小型化反照率光譜儀，并配備了微型黑碳儀、光學(xué)氣溶膠探空儀和袖珍式紫外臭氧分析儀等多種輔助載荷和探頭。系統(tǒng)已成功應(yīng)用于2020-2021年壽縣國(guó)家氣候觀象臺(tái)氣溶膠光學(xué)特性垂直綜合觀測(cè)實(shí)驗(yàn)，可為氣溶膠與邊界層相互作用、大氣復(fù)合污染以及氣候變化等研究提供重要、獨(dú)特的測(cè)量方法和準(zhǔn)確的觀測(cè)數(shù)據(jù)。
本研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)科學(xué)院科研裝備研制項(xiàng)目、中科院青年創(chuàng)新促會(huì)及合肥物質(zhì)院院長(zhǎng)基金資助。
文章鏈接：https://doi.org/10.1364/OE.493696

圖1. 無(wú)人機(jī)載腔增強(qiáng)反照率光譜儀籠式一體化光腔結(jié)構(gòu)示意圖

圖2. 無(wú)人機(jī)載腔增強(qiáng)反照率光譜儀實(shí)物圖

圖3. 無(wú)人機(jī)載腔增強(qiáng)反照率光譜儀應(yīng)用于多光學(xué)參數(shù)垂直廓線測(cè)量示例