该研究发表于《Atmospheric Measurement Techniques》2024 年第 17 卷 3419-3437 页，由Chenjie Yu等多国研究者完成，核心研发并验证了一款名为 A2S2（气溶胶吸收光谱仪）的改进型机载双波长腔衰减相移（CAPS）监测仪，实现了对气溶胶光学特性的精准机载测量，并在巴黎周边的 ACROSS 飞行实验中完成实地应用。

一、   研究背景

  大气气溶胶的散射、吸收特性直接影响地球气候系统，单次散射反照率（SSA） 是衡量气溶胶辐射强迫的关键参数，但卫星对 SSA 光谱依赖性的定量测量能力有限，现有地面 / 机载测量仪器存在局限：

l  基于过滤器的吸收测量（如黑碳仪）时间分辨率低（不适用于高度剖面测量），且受多重散射效应干扰

l  浊度计存在截断误差（丢失近前向 / 后向散射）

l  传统 CAPS 仪器仅支持单波长测量，无法满足多光谱表征需求

  基于商用CAPS-PMssa（CAPS-ALB） 开发适用于机载的双波长测量仪器，成为提升气溶胶光学特性观测精度的关键。

二、   核心仪器：A2S2 研发与改装

  A2S2 基于CAPS-PMssa（CAPS-ALB）  技术改造，专为机载测量设计，核心改装与性能设计如下：

1.   双波长测量：集成 450nm 和 630nm 两个 CAPS 样品池，可同时测量气溶胶散射系数（σsca）和消光系数（σext），推导吸收系数（σabs）和 SSA；

2.   机载适配改造：更换高精度温压传感器（压力 0-40000hPa，误差 0.5%；温度 - 55~125℃，误差 ±0.5℃），新增流量控制系统，保证 1.7L/min 恒定采样流量，重新设计进气口使 4μm 以下粒子损失率＜10%；

3.   测量参数：响应频率 1Hz，2 分钟连续测量 + 1 分钟池冲洗 / 基线校准，适配对流层低压、机舱高温环境。

三、   实验室验证结果

  在法国 LISA 实验室完成全面性能验证，关键结论如下：

1.   工作环境极限：可在低至 550hPa 的样品压力、高达 315K 的样品温度下稳定测量；

2.   检测限：1Hz 测量时，450nm 处 σsca/σext 检测限约 2Mm⁻¹，630nm 处约 1Mm⁻¹；10s 积分后检测限降低 60% 以上，满足机载高频测量需求；

3.   截断误差：粒子体积直径 Dp＜200nm 时截断误差可忽略；Dp 为 200~1000nm 的亚微米粒子，450nm 处平均校正因子 1.13，630nm 处 1.05，研发了基于散射 Ångström 指数（SAE）的简化校正算法；

4.   仪器比对：与浊度计（NEPH）、CAPS-PMex、黑碳仪（AE33）比对，σext、σsca 测量偏差＜10%，σabs 偏差＜16%，与商用仪器性能相当。

四、   机载实验应用（ACROSS 项目）

  2022 年 6-7 月在法国巴黎及周边地区，利用 SAFIRE 的 ATR-42 研究飞机完成机载测量，飞行高度涵盖近地面 300m 至 3500m，核心结果：

1.   污染水平与 SSA：观测到重度污染（AOD≥0.5）和轻度污染（AOD<0.5）两个阶段，边界层内 450nm 处平均 SSA 为 0.86，630nm 处为 0.88，重度污染期 SSA 略低于轻度污染期，表明吸光性有机气溶胶为主要贡献者；

2.   光学指数特征：SAE 多在 1~2 之间，受大粒径粒子（如沙尘）影响时降至 1 左右；AAE 在 0~3 之间波动，沙尘事件（SAE<1.5）和棕碳（BrC，SAE>1.5）是短波强吸收的主要原因；

3.   垂直剖面：气溶胶 σext、σsca 随高度升高而降低，沙尘层会导致光学系数骤增、SSA 下降；高层（＞1200m）以细模态粒子为主，SAE 升至 3 左右，SSA 略有上升；

4.   仪器比对：与机载浊度计比对，经截断校正后偏差降至 10% 左右，证实 A2S2 可有效替代传统浊度计进行机载 σsca 测量。

五、   研究结论与展望

1.   核心结论：A2S2 是首款可靠的机载双波长 CAPS 监测仪，可在 550hPa~315K 环境下稳定测量 450/630nm 处气溶胶光学参数，测量不确定度＜20%，满足气候研究对 SSA 观测的精度要求，为卫星遥感反演提供了精准的原位验证数据；

2.   现存问题：对超微米沙尘粒子的测量，因粒子形状不规则、折射率多变，基于球形米氏理论的截断校正存在偏差；仪器玻璃管反射可能引入额外测量误差；

3.   未来方向：需结合 T 矩阵等形态感知模型优化截断校正算法；进一步改进仪器结构以降低玻璃管反射影响；拓展 A2S2 在全球不同污染类型、不同海拔地区的机载观测应用。

参考文献：

Yu, C., Pangui, E., Tu, K., Cazaunau, M., Feingesicht, M., Xavier, L.,Bourrianne, T., Michoud, V., Cantrell, C., Onasch, T. B., Freedman, A., and Formenti, P.: Characterisation of particle single-scattering albedo with a modified airborne dual-wavelength CAPS monitor, Atmos. Meas. Tech., 17, 3419–3437, https://doi.org/10.5194/amt-17-3419-2024, 2024.