[发明专利]一种气溶胶三维空间分布制图方法

说明书

本发明公开了一种气溶胶三维空间分布制图方法，包括以下步骤：首先基于卫星激光雷达观测反演气溶胶消光系数垂直廓线，计算长时间序列月平均气溶胶三维空间分布地图，得到基于观测的气候学的、和基于模式的气候学的、月平均的气溶胶消光系数三维空间分布地图，计算得到基于观测与基于模式的比值三维空间分布地图；再得到观测约束后的、逐小时的气溶胶三维空间分布现势地图，并将其融合地基米散射激光雷与星载激光雷达观测的数据；再获得逐小时的气溶胶光学厚度空间分布现势地图；最后得到协同卫星和地面主被动遥感观测及模式结果的气溶胶三维空间分布现势地图。本发明通过星地主被动遥感观测及模式结果的协同融合，提供了更为可靠的气溶胶三维空间分布信息。

技术领域

本发明属于大气环境遥感应用技术领域，具体涉及一种兼顾观测和模式优势的气溶胶三维空间分布制图方法。

背景技术

大气气溶胶是指直径在0.001-100μm之间，由混合大气中的固体、液体颗粒物和大气介质组成的体系。主要有两种来源：一种是自然来源，包括沙尘粒子，火山爆发等；另一种是人为来源，包括汽车尾气排放，生物质燃烧等。气溶胶不仅会通过影响云的变化来影响气候，本身也是城市主要大气污染物之一，其研究一直是难点和热点问题。

现有的气溶胶观测技术主要包括以下几类：

地基米散射激光雷达：激光雷达采用激光作为辐射源，通过对与大气相互作用的激光回波信号进行探测，进而实现对大气参数的探测。米散射是指：粒子尺度接近或大于入射光波长时，其散射的光强在各方向是不对称的，其中大部分入射光线沿着前进方向进行散射；本发明所使用的米散射激光雷达系统可以实现对大气气溶胶的消光系数和后向散射系数的探测，通常由光学接受系统、激光发射系统和信号检测系统组成，米散射激光雷达可以实现对对流层的中下层大气气溶胶的白天测量。地基激光雷达具有测量范围广和时空分辨率高等优点，其测量点数据在某一特定地区的精度很高，能够对多种重要的大气成分的空间分布进行监测，具有其它地基手段不可替代的作用。但是它也有自身的局限性，首先，在白天观测时，探测高度会因强背景噪声的影响而受到限制；此外，由于地基雷达的特性，它无法满足大区域范围内气溶胶监测的需求。

星载激光雷达：与地基雷达类似，星载激光雷达通过向目标发射激光雷达，并测量反射信号确定目标的状态属性，由于激光信号的特点，激光雷达具有测量精度高、分辨能力强、抗干扰能力强、作用距离远等优点。本发明采用的CALIOP激光雷达是由美国宇航局NASA和法国国家太空研究中心CNES研制的CALIPSO卫星所搭载，于2006年4月28日发射升空，获取了大量的气溶胶和云的垂直观测廓线数据。

星载激光雷达具有以下优点：与只能反演气溶胶柱总量的光学卫星相比，激光雷达卫星可以反演气溶胶和云的垂直分布特征。通过星载激光雷达CALIPSO人们首次得到了全球范围的气溶胶垂直消光廓线的反演结果，较为可靠地给出了全球气溶胶分层特征。星载激光雷达另一个优势是还可准确探测云上气溶胶。CALIPSO观测数据的获取有效减小了辐射强迫估计的不确定性，为全球辐射强迫的精细化定量分析创造了条件。星载激光雷达的缺陷在于，它无法对同一地点进行不间断的长期观察，而这恰好是地基激光雷达的优势之一，因此二者可以形成互补。

WRF-Chem模式：WRF-Chem模式是由美国NOAA预报系统实验室(FSL)开发的，天气研究和预报模式(WRF)和化学模式(Chem)在线完全耦合的新一代的区域空气质量模式。WRF-chem包含了一种全新的大气化学模式理念。它的化学和气象过程使用相同的水平和垂直坐标系，相同的物理参数化方案，不存在时间上的插值，并且能够考虑化学对气象过程的反馈作用。WRF-Chem模拟系统主要包含WPS、WRF和Chem三部分模块。WRF-Chem模式优点在于能规避之前大气模式，如SAQM模式、CALGRID模式、MODEL3-CAMQ模式等存在的一些问题，比如：进行时间空间插值时丢失气象过程；其次，气象模式和化学模式使用的物理参数化方案可能是不一样的；再次，不能考虑化学过程对气象过程的反馈作用。因此，WRF-Chem能够模拟再现一种更加真实的大气环境。