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Advances in coastal ocean boundary layer detection technology and equipment in China

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Journal of Environmental Sciences 2023年第1期123卷 156-168页

作者： Haitao Zheng Youwen Sun Tao Luo Xueling Cheng shiyong shao Shouyin Zheng Bangyi Tao Bin Chen Qianguang Tu Kan Huang Bingbing Wang Mian Wang Xiaoquan Song Tianshu Zhang Yin Cheng Jianguo Liu Key Laboratory of Environmental Optics and Technology Anhui Institute of Optics and Fine MechanicsHFIPSChinese Academy of SciencesHefei 230031China Department of Precision Machinery and Precision Instrumentation University of Science and Technology of ChinaHefei 230026China Key Laboratory of Atmospheric Optics Anhui Institute of Optics and Fine MechanicsChinese Academy of SciencesHefei 230031China Advanced Laser Technology Laboratory of Anhui Province Hefei 230031China Institute of Atmospheric Physics Chinese Academy of SciencesBeijing 100029China College of Earth Sciences University of Chinese Academy of SciencesBeijing 100049China State Key Laboratory of Satellite Ocean Environment Dynamics Second Institute of OceanographyMinistry of Natural ResourcesHangzhou 310012China School of Surveying and Municipal Engineering Zhejiang University of Water Resources and Electric PowerHangzhou 310018China Center for Atmospheric Chemistry Study Shanghai Key Laboratory of Atmospheric Particle Pollution and Prevention(LAP3)Department of Environmental Science and EngineeringFudan UniversityShanghai 200433China State Key Laboratory of Marine Environmental Science College of Ocean and Earth SciencesXiamen UniversityXiamen 361005China Meteorological Observation Centre China Meteorological AdministrationBeijing 100081China College of Marine Technology Faculty of Information Science and EngineeringOcean University of ChinaQingdao 266100China

Accurate and comprehensive knowledge of the atmospheric environment and its evolution within the coastal ocean boundary layer are necessary for understanding the sources,chemical mechanisms,and transport processes of air pollution in land,sea,and *** present an overview of coastal ocean boundary layer detection technology and equipment in China and summarize the progress and main achievements in recent *** has developed a series of coastal ocean boundary layer detection technologies,including Light Detection and Ranging(LIDAR),turbulent exchange analyzer,air-sea flux analyzer,stereoscopic remote sensing of air pollutants,and oceanic aerosol detection equipment to address the technical bottleneck caused by harsh environmental conditions in coastal ocean *** in these technologies and equipment have provided scientific assistance for addressing air pollution issues and understanding land-sea-atmosphere interactions over coastal ocean regions in *** the future,routine atmospheric observations should cover the coastal ocean boundary layer of China.

关键词： Atmospheric pollution Coastal ocean Atmospheric monitoring Environmental instrument

冬季沙尘暴的源头气溶胶光学特性及远距离输送分析

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西北工业大学学报 2020年第4期38卷 822-827页

作者：王丽芳秦福强邵士勇西北工业大学计算机学院陕西西安710129 中国科学院安徽光学精密机械研究所中国科学院大气光学重点实验室安徽合肥230031

通过地面探测设备和卫星数据相结合的方式,利用气溶胶的光学特性研究新疆、甘肃等西北省份2016年11月17日至18日遭受强烈沙尘暴的来源和发展过程。利用地面探测设备对源头附近的沙尘气溶胶的消光系数、光学厚度和能见度等光学参数进行... 详细信息

通过地面探测设备和卫星数据相结合的方式,利用气溶胶的光学特性研究新疆、甘肃等西北省份2016年11月17日至18日遭受强烈沙尘暴的来源和发展过程。利用地面探测设备对源头附近的沙尘气溶胶的消光系数、光学厚度和能见度等光学参数进行实地测量,利用卫星数据对沙尘暴的产生路径、形成过程和消散原因进行分析,初步给出了冬季沙尘暴不容易扩散至中国东部地区的原因。

关键词：沙尘暴光学特性远距离输送

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基于多普勒激光雷达的边界层内湍流参数估算

中国激光 2021年第11期48卷 164-173页

作者：靳翔宋小全刘佳鑫云龙邵士勇中国海洋大学信息科学与工程学院山东青岛266100 青岛海洋科学与技术试点国家实验室区域海洋动力学与数值模拟功能实验室山东青岛266237 深圳市环境监测中心站广东深圳518049 中国科学院安徽光学精密机械研究所中国科学院大气光学重点实验室安徽合肥230031

2019年10月,使用相干多普勒测风激光雷达在深圳杨梅坑地区进行风廓线等观测。结合标准大气模型、温度日变化模型和地面气象站数据,估算了晴朗天气下边界层内大气折射率结构常数C_(n)^(2)和湍流动能耗散率ε。根据时间-高度垂直剖面,分... 详细信息

2019年10月,使用相干多普勒测风激光雷达在深圳杨梅坑地区进行风廓线等观测。结合标准大气模型、温度日变化模型和地面气象站数据,估算了晴朗天气下边界层内大气折射率结构常数C_(n)^(2)和湍流动能耗散率ε。根据时间-高度垂直剖面,分析了时空变化特征,研究了各参数变化对C_(n)^(2)的具体影响。折射率结构常数C_(n)^(2)与垂直速度方差σ_(a)^(2)有较强的相关性,相关系数-般在0.7以上。在白天湍流充分混合发展的情况下,湍流动能耗散率ε与C_(n)^(2)相关系数一般达到0.5以上,C_(n)^(2)、σ_(a)^(2)及ε的相关性体现了湍流在水平和垂直两个方向变化的一致性。这表明在缺乏温度压强数据情况下,基于温度压强模型估算C_(n)^(2)是可行的。基于误差分析,温度梯度对C_(n)^(2)的贡献率达28.84%.温度对C_(n)^(2)的贡献率达30.12%,这要求在计算过程中尽量获取准确的温度廓线。结果对研究深圳地区地气系统能量、物质交换和天气变化等具有借鉴意义。

关键词：大气光学大气湍流激光雷达折射率结构常数湍流动能耗散率

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复杂地形下海陆风对大气湍流的影响

光学学报 2020年第12期40卷 8-15页

作者：许满满邵士勇刘庆程雪玲宋小全中国科学院安徽光学精密机械研究所中国科学院大气光学重点实验室安徽合肥230031 中国科学技术大学研究生院科学岛分院安徽合肥230026 中国科学院大气物理研究所大气边界层物理和大气化学国家重点实验室北京100029 中国海洋大学信息科学与工程学院海洋技术系山东青岛266100

针对近海复杂地形下海陆风对大气湍流特性的影响,在深圳市杨梅坑环境生态中心开展了大气湍流观测实验,利用温度脉动仪、超声风速仪和测风雷达获得了大气折射率结构常数、大气声虚温、风速风向廓线等时间序列数据。通过分析海陆风对大气... 详细信息

针对近海复杂地形下海陆风对大气湍流特性的影响,在深圳市杨梅坑环境生态中心开展了大气湍流观测实验,利用温度脉动仪、超声风速仪和测风雷达获得了大气折射率结构常数、大气声虚温、风速风向廓线等时间序列数据。通过分析海陆风对大气湍流的功率谱、各向同性和湍流动能耗散率的影响发现,较陆风条件,湍流在海风条件下发展得更为充分。海风条件下各向同性系数接近甚至等于1的频率范围为0.05~50Hz,速度功率谱幂率均接近-5/3;陆风条件下,只有0.8~10Hz频率范围内的大气湍流在极短时段表现出局部各向同性,速度功率谱幂率均严重偏离-5/3且整体偏大,平均值在-1.3左右。海陆风条件下湍流动能耗散率与湍流强度呈线性关系,温度脉动仪和超声风速仪测得的数据拟合斜率分别为1.1、0.76和0.73、0.28。研究结论为深化海洋环境下的激光传输研究提供了一定的参考。

关键词：大气光学海陆风小波变换功率谱各向同性湍流动能耗散率

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单分散长椭球形气溶胶粒子的散射相函数研究

光学学报 2009年第1期29卷 108-113页

作者：邵士勇黄印博魏合理饶瑞中中国科学院安徽光学精密机械研究所大气光学中心安徽合肥230031

选取冰晶、沙尘和碳黑等典型气溶胶粒子为例，应用T矩阵方法，探讨了单分散长椭球形气溶胶粒子的散射相函数随纵横比、尺度参数和折射率的变化规律。折射率虚部为0时，以纵横比为0．4的冰晶粒子和等表面积的球形冰晶粒子为例，将两者的... 详细信息

选取冰晶、沙尘和碳黑等典型气溶胶粒子为例，应用T矩阵方法，探讨了单分散长椭球形气溶胶粒子的散射相函数随纵横比、尺度参数和折射率的变化规律。折射率虚部为0时，以纵横比为0．4的冰晶粒子和等表面积的球形冰晶粒子为例，将两者的相函数比值ρ划分为5个数值区域：1）0°附近的前向散射ρ≈1，2）从5°左右到30°左右ρ〉1，3）从30°～35°到80°～110°ρ〈1，4）从80°～110°到150°～160°ρ》1，5） 160°以后ρ《1。同等条件下，由于折射率的变化，沙尘粒子ρ〈1对应的范围扩大至更大角度，而ρ》1和ρ《1对应的角度区域均相应减小，而碳黑粒子的ρ》1和ρ《1对应的角度区域则消失，ρ演变为3个数值区域。上述长椭球形粒子散射相函数的结论为气溶胶粒形检测和分析提供了理论依据。

关键词：大气光学散射相函数纵横比尺度参数折射率

光热干涉法测量大气气溶胶粒子吸收特性的仿真分析

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光学学报 2015年第11期35卷 31-38页

作者：李树旺邵士勇梅海平饶瑞中中国科学院安徽光学精密机械研究所中国科学院大气成分与光学重点实验室安徽合肥230031 中国科学技术大学研究生院科学岛分院安徽合肥230026

大气气溶胶粒子吸收虽然一般比较微弱,但对地球辐射收支平衡、高能激光在大气中的传输具有重要影响,因而该吸收特性的准确测量越来越受到重视。针对光热测量技术,通过分析气溶胶因吸收激励激光能量产生的温度分布和折射率变化,给出了光... 详细信息

大气气溶胶粒子吸收虽然一般比较微弱,但对地球辐射收支平衡、高能激光在大气中的传输具有重要影响,因而该吸收特性的准确测量越来越受到重视。针对光热测量技术,通过分析气溶胶因吸收激励激光能量产生的温度分布和折射率变化,给出了光热干涉的相位变化量与有效吸收系数、作用时间的关系;阐述了利用相位载波(PGC)算法获得相位变化信息的方式;以强、中、弱3种吸收特性的气溶胶为例,说明了不同激励激光波长下的光热效应;通过仿真计算及误差分析,展示了PGC算法在解调精度和抗噪上的优势;对解调算法进行了初步的实验验证。

关键词：大气光学气溶胶吸收特性有效吸收系数光热干涉法相位载波算法

光源混合频率调制的光热干涉工作点无源控制方法研究

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中国激光 2016年第9期43卷 155-161页

提出了一种光源混合频率调制的闭环工作点无源控制方法,通过直接高频调制光源的方式从单路干涉信号中提取出相位漂移信号,并利用低频控制信号对光源直接调制的方式予以补偿。通过高频、低频调制信号的配合,解决了单路干涉信号的工作点... 详细信息

提出了一种光源混合频率调制的闭环工作点无源控制方法,通过直接高频调制光源的方式从单路干涉信号中提取出相位漂移信号,并利用低频控制信号对光源直接调制的方式予以补偿。通过高频、低频调制信号的配合,解决了单路干涉信号的工作点跟踪问题,以无源控制的方式保证干涉测量系统始终工作在最灵敏的线性区域。测试了光源在不同调制频率下的调制特性,比较了系统开、闭环状态下工作点的变化趋势,无源闭环工作点控制法与相位载波解调算法的对比解调结果表明,两种方法解调结果相关度超过99%,证明该方法可行。

关键词：光电子学光热干涉相位漂移无源正交工作点混合频率调制

基于船载测量亚微米海洋气溶胶粒径分布特征分析

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光学学报 2023年第6期43卷 113-123页

作者：汤沛邵士勇刘强许满满王海旭韩永中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所中国科学院大气光学重点实验室安徽合肥230031 中国科学技术大学研究生院科学岛分院安徽合肥230026 中山大学大气科学学院广东珠海519000

基于南海北部海域开展的走航观测,测量了颗粒直径为14~680 nm的气溶胶数浓度,分析了气溶胶数浓度时空分布、粒径分布特征。以核模态、Aitken核模态和积聚模态为基础,统计了气溶胶粒径谱谱型并对其分布模式进行了对数正态拟合。同时,讨... 详细信息

基于南海北部海域开展的走航观测,测量了颗粒直径为14~680 nm的气溶胶数浓度,分析了气溶胶数浓度时空分布、粒径分布特征。以核模态、Aitken核模态和积聚模态为基础,统计了气溶胶粒径谱谱型并对其分布模式进行了对数正态拟合。同时,讨论了航程中遭遇的一次冷锋过程对气溶胶数浓度、粒径和组分分布的影响。结果表明:沿海海域气溶胶总数浓度超过6800 cm^(-3),远海海域气溶胶总数浓度约为1700 cm^(-3);海洋气溶胶中位数粒径谱符合对数正态分布,近海气溶胶多为双峰型,峰值数浓度在200 cm^(-3)左右,而远海气溶胶多为单峰型,峰值数浓度在60~100 cm^(-3)之间;冷锋过程前的气溶胶样品属于海源气溶胶,呈现海洋本底气溶胶特征,而冷锋过程后的气溶胶样品为受台湾岛污染影响的陆源气溶胶。

关键词：海洋光学海洋气溶胶亚微米颗粒数浓度粒径分布对数正态分布

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一种半球形天空亮度测量仪器的研制

光学学报 2008年第10期28卷 1844-1848页

作者：李威詹杰邵士勇梅海平饶瑞中中国科学院安徽光学精密机械研究所大气光学中心安徽合肥230031 中国科学院研究生院北京100039

在大气光学领域中,天空亮度分布有着重要的应用。简要介绍了天空亮度的测量原理,在分析同类测量仪器的基础上,提出了一种用于白天的,可见及近红外波段天空亮度测量仪器的设计,介绍了系统的组成和探测器的选择。经过定标,仪器能够得到天... 详细信息

在大气光学领域中,天空亮度分布有着重要的应用。简要介绍了天空亮度的测量原理,在分析同类测量仪器的基础上,提出了一种用于白天的,可见及近红外波段天空亮度测量仪器的设计,介绍了系统的组成和探测器的选择。经过定标,仪器能够得到天空亮度的绝对值,其结果反映了真实天空亮度分布的变化。该仪器弥补了传统的天空亮度测量仪器在测量波段、实时性、便携性等方面的不足,更好地满足了实际的科研需求。

关键词：大气光学天空亮度分布测量仪器辐射传输