科学岛团队在气溶胶单次散射反照率垂直廓线探测技术方面取得新进展

近日，中科院合肥物质院安光所张为俊研究员课题组在气溶胶单次散射反照率垂直廓线探测技术方面取得新进展，相关研究成果以《无人机载腔增强反照率光谱仪：一个同时原位测量气溶胶光散射和光吸收垂直廓线的强大工具》为题发表于美国光学学会（OSA）出版的Optics Express上。
气溶胶单次散射反照率（SSA，散射系数与消光系数之比）是辐射强迫计算中关键的输入参数。测量SSA的垂直廓线，对于气溶胶辐射效应的准确评估和气溶胶-辐射-大气边界层相互作用等研究具有重要意义。然而，受探测手段限制，目前SSA垂直廓线直接观测数据十分有限且误差较大，亟需发展可用于准确探测SSA垂直廓线的装置。
团队赵卫雄研究员等人2014年将宽带腔增强吸收光谱技术与积分球相结合，研制了国际上首台腔增强反照率光谱仪，实现了气溶胶消光、散射和吸收系数以及SSA的原位、同步测量（Atmospheric Measurement Techniques, 7(8), 2551-2566, 2014）。之后，进一步发展了宽波段腔增强反照率光谱测量系统（Optics Express, 26(25), 33484-33500, 2018）和吸湿性腔增强反照率光谱仪（Atmospheric Measurement Techniques, 13(5), 2623-2634, 2020），实现了气溶胶多光学参数的光谱特性和吸湿增长特性测量。
本研究在已有工作基础上，针对气溶胶单次散射反照率垂直廓线测量，采用新型笼式同轴一体化的光腔结构（图1）和高精度温控电流源系统，解决了飞行过程中振动和温度变化带来的影响，结合独立的供气和供电方式，研制了无人机载腔增强反照率光谱仪（图2），首次实现了SSA垂直廓线的原位测量（图3）。
系统包含一架六旋翼油动无人机（载重40kg，续航超1小时）和一台小型化反照率光谱仪，并配备了微型黑碳仪、光学气溶胶探空仪和袖珍式紫外臭氧分析仪等多种辅助载荷和探头。系统已成功应用于2020-2021年寿县国家气候观象台气溶胶光学特性垂直综合观测实验，可为气溶胶与边界层相互作用、大气复合污染以及气候变化等研究提供重要、独特的测量方法和准确的观测数据。
本研究得到国家自然科学基金、中国科学院科研装备研制项目、中科院青年创新促会及合肥物质院院长基金资助。
文章链接：https://doi.org/10.1364/OE.493696

图1. 无人机载腔增强反照率光谱仪笼式一体化光腔结构示意图

图2. 无人机载腔增强反照率光谱仪实物图

图3. 无人机载腔增强反照率光谱仪应用于多光学参数垂直廓线测量示例