安光所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，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（SCI二區(qū)，IF=3.833，光學(xué)類Top期刊）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)鍵的輸入參數(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，Optics Express, 31(12), 20518-20529, 2023），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)科學(xué)研究院院長(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