[发明专利]基于多波长激光雷达的云凝结核数浓度垂直廓线反演方法

说明书

本发明公开了一种基于多波长激光雷达的云凝结核数浓度垂直廓线反演方法，该方法包括利用多波长激光雷达探测气溶胶光学参数；利用探空修正相对湿度对气溶胶光学参数的影响；选择双模态对数正态分布的气溶胶模型，建立考虑气溶胶粒子形状的T‑matrix散射模型；建立不同类型气溶胶的气溶胶光学参数与谱分布参数之间相关联的查找表；基于激光雷达探测到的气溶胶光学参数通过查找表得到对应的谱分布参数值，通过临界活化半径计算得到云凝结核数浓度垂直廓线的结果。优点：提高不同类型气溶胶和不同相对湿度条件下云凝结核数浓度垂直廓线反演的准确性，实现云凝结核数浓度垂直廓线的自动反演，为改进气候模式中云凝结核数浓度的参数化方案提供更准确的观测资料。

技术领域：

本发明涉及激光雷达技术领域，尤其涉及基于多波长激光雷达的云凝结核数浓度垂直廓线反演方法。

背景技术：

云凝结核(CCN)是指在云中一定过饱和条件下能够被活化成云滴的部分大气气溶胶粒子，可以改变云的微物理过程，进而影响云的光学性质、云体的生命周期和降水等，产生间接气候效应，是目前气候模式中最重要的不确定性因子之一。随着现代工农业生产的发展和人类活动范围的扩展，气溶胶的时空分布越来越复杂。尽管国内外开展了大量的气溶胶观测试验，但是气溶胶作为CCN所产生的间接气候效应仍具有很高的不确定性。究其原因，主要是CCN的时空分布及其演变的观测数据仍然缺乏，特别是其垂直分布信息很难获得，因此现有气候模式在模拟CCN数浓度的垂直分布上仍存在着较大的误差。如果能够精确得到CCN数浓度的空间分布特征，则能改进气候模式中CCN数浓度的参数化方案，进而降低气候变化预测的不确定性。

在现有观测对CCN数浓度进行直接观测的研究平台包括：地面观测和飞机观测。目前用于直接观测CCN的仪器主要是云凝结核计数器。单独使用该仪器进行CCN的地面观测时，水平空间覆盖范围小，无法反映气溶胶的整体特性和演变过程。此外，最突出的不足之处在于，由于气溶胶垂直分布的不均一性，地面与云底附近的CCN特性存在较大差异。而若将该仪器由飞机携带观测时，尽管可以获得垂直方向以及云底的气溶胶和CCN数浓度，但其观测时飞行成本高且只适用于部分大型外场实验，因此，飞机观测能够获得的资料非常有限。

遥感反演方法是目前间接获取CCN空间分布的主要手段，就卫星遥感观测而言，由于受到垂直分辨率低、云污染以及气溶胶吸湿增长等的影响，很难准确获取云底的CCN数浓度。激光雷达作为一种主动遥感手段，以其精细的时空分辨率、大的垂直探测距离和稳定的连续观测能力在大气探测中得到了愈来愈广泛的应用，为CCN数浓度的垂直分布观测提供了可能性。但目前大部分研究者需要联合地面的其他仪器来间接获得CCN数浓度的垂直分布信息，观测成本高；并且反演过程中使用了仅适用于球形粒子的Mie散射模型，而实际上气溶胶粒子并非严格球形，尤其是沙尘气溶胶；尚未考虑不同相对湿度条件下的气溶胶吸湿性对CCN数浓度反演结果的影响，反演结果存在较大的误差。目前国内尚未有一套成熟的基于多波长激光雷达的光学参数的CCN数浓度垂直廓线的反演方法。

发明内容:

针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于多波长激光雷达的云凝结核数浓度垂直廓线反演方法，采用适用于球形和非球形粒子的散射模型，考虑气溶胶吸湿增强因子对反演结果的影响，提高不同类型气溶胶和不同相对湿度条件下CCN数浓度反演的准确性，弥补现有云凝结核数浓度垂直廓线观测资料的匮乏。

为解决上述技术问题，本发明通过以下方案进行实施；

一种基于多波长激光雷达的云凝结核数浓度垂直廓线反演方法，包括以下步骤：

S1：利用多波长激光雷达观测反演气溶胶的光学参数，包括：355和532nm波长上的消光系数(α₃₅₅，α₅₃₂)、355、532和1064nm波长上的后向散射系数(β₃₅₅，β₅₃₂，β₁₀₆₄)、532nm的激光雷达比和退偏振比；