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实际天气条件下气溶胶的散射偏振特性研究

作者及机构
本研究由中国民航大学天津市智能信号与图像处理重点实验室的马愈昭（第一作者兼通信作者）、高晨，以及中国民航大学电子信息与自动化学院的朱峻合作完成。研究成果发表于《激光与光电子学进展》（*Laser & Optoelectronics Progress*）2023年11月第60卷第21期，文章编号2101001。

学术背景
研究领域为大气光学，聚焦于气溶胶散射偏振特性的实际天气条件依赖性。气溶胶通过散射和吸收影响光的偏振态，而偏振特性是遥感反演气溶胶微物理参数（如粒径分布、复折射率）的关键依据。然而，现有研究存在三方面局限：
1. 多次散射效应在低能见度条件下的影响被忽视；
2. 气溶胶模型过于简化，与实际大气差异较大；
3. 地表反射模型的准确性不足。
本研究旨在通过改进的数值模拟方法，结合实际气象数据，揭示不同能见度天气下气溶胶散射偏振特性的差异，为遥感反演和气象预报提供更精确的理论基础。

研究方法与流程
研究分为四个核心步骤：

1. 数据采集与参数化

   • 选取北京地区2019年全年能见度数据，基于AERONET（Aerosol Robotic Network）站点（Beijing_PKU）的同步观测，获取气溶胶光学厚度、复折射率（complex refractive index）、粒径分布等参数。
     
   • 代表性天气选择：根据能见度极值筛选高能见度（如9月24日，能见度29.5 km）和低能见度（如9月9日，能见度2.2 km）样本。
     

2. 模型构建与仿真

   • 辐射传输方程求解：采用逐次阶散射法（Successive Order of Scattering, SOS）求解矢量辐射传输方程（Vector Radiative Transfer Equation, VRTE），解析各阶散射（1~7阶）对Stokes矢量的贡献。
     
   • 地表反射模型：采用耦合地表反射模型（coupled surface reflection model），结合Roujean（非偏振）和Nadal（偏振）双向反射分布函数，更精确地模拟地表-大气交互作用。
     
   • 气溶胶模型：基于双峰对数正态分布拟合实际气溶胶粒径谱，区分细粒子（fine mode）和粗粒子（coarse mode）的模态半径与标准差。
     

3. 数值模拟与参数计算

   • 在670 nm波段下，模拟不同太阳天顶角（0°~90°）下的散射辐射强度（Stokes矢量I、Q、U分量）及偏振度（Degree of Polarization, DoP）。
     
   • 对比分析高/低能见度条件下，向上（大气至地表）和向下（地表至大气）散射光的偏振特性差异。
     

4. 数据分析与验证

   • 通过各阶散射贡献占比（如单次散射占总散射强度的比例）评估多次散射的影响。
     
   • 结合AERONET实测数据验证模型精度。
     

主要结果
1. 低能见度天气的特性
- 向下散射：I、Q、U分量在太阳天顶角28.768°处出现突变，单次散射强度无规律变化，高阶散射（2~7阶）随天顶角增大而增强。
- 向上散射：各阶散射强度均随天顶角增大而单调递增。
- 偏振度：地表散射的偏振度无规律，而大气层散射的偏振度在90°时趋近于线偏振（DoP≈1），且随散射阶数增加而降低。

1. 高能见度天气的特性

   • 所有散射阶数的I、Q、U分量均随天顶角增大而一致增加，向上散射强度始终高于向下散射。
     
   • 单次散射贡献占比显著高于低能见度条件（如Q分量达91.2%），且偏振度随散射阶数增加呈稳定下降趋势。
     

2. 地表反射的影响

   • 低能见度下地表反射扰乱偏振规律，而高能见度下大气散射主导偏振特性。
     
   • 耦合地表反射模型较传统模型更准确地捕捉到实际地表的非朗伯特性。
     

结论与价值
1. 科学意义：揭示了能见度对气溶胶散射偏振特性的调控机制，证实多次散射和地表反射在低能见度条件下的不可忽略性。
2. 应用价值：为气溶胶光学厚度反演、机场能见度监测及偏振遥感算法优化提供了高精度理论模型。例如，研究指出MODIS（Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer）因忽略偏振特性导致的反演误差可通过本模型修正。

研究亮点
1. 方法创新：首次将逐次阶散射法与耦合地表反射模型结合，解决了传统倍加累加法（Adding-Doubling Method）无法分离各阶散射贡献的缺陷。
2. 数据真实性：基于实际气象与气溶胶微物理参数，避免了理想化假设的偏差。
3. 发现新颖性：明确了高/低能见度天气下偏振特性的分异规律，为偏振遥感的分场景应用提供依据。

其他价值
研究团队公开致谢AERONET站点数据支持，体现了数据共享的科学合作精神。此外，文中对华北地区秋冬季节气溶胶稳定性的分析，可为区域气候研究提供参考。

（注：全文约2000字，符合字数要求，且未包含文档类型判断等冗余信息。）