[发明专利]一种基于MIE散射方程观测算子的气溶胶资料同化方法

说明书

本发明基于MIE散射方程构建了气溶胶消光系数的同化算子，属于大气污染数值模拟领域，具体内容如下，步骤1：获取气象场驱动数据、激光雷达消光系数资料；步骤2：基于大气化学模式(WRF‑Chem)中气溶胶方案(MOSAIC)的8种污染物种，假设其粒径分布，计算各物种不同湿度对应的湿粒径，建立各物种、湿粒径和消光效率因子之间的查找表；步骤3：利用MIE散射方程构建可直接同化激光雷达消光系数的同化算子。

技术领域

本发明涉及方法属于大气气溶胶的资料同化领域，主要应用于激光雷达消光系数、大气能见度资料的同化和大气空气质量的预报研究。

背景技术

大气气溶胶资料同化是以空气质量模型预报结果作为背景场，以激光雷达或者卫星探测的消光系数、大气能见度作为观测数据，通过求解三维变分目标泛函，得到更接近于真实和准确的气溶胶质量浓度的三维分析场。对于气溶胶消光系数、大气能见度等非模式变量的观测数据，由于其反演成可直接被同化的模式变量会存在反演误差，直接同化该资料在理论上更为准确，但其同化难点是建立模式变量与观测数据之间的对应关系，并且利用数值求解方法计算目标泛函的实现过程。

由于激光雷达的分布较少，主要针对的是垂直方向的消光系数观测，所以以往针对激光雷达消光系数的同化较少。相比之下，大气能见度观测资料可由地面自动观测站实时监测，观测数据较为充足，其数值与气溶胶消光系数存在近似的线性关系，气溶胶的消光系数可通过基于MIE理论的数值模型计算得到。1908年Gustav-Mie提出单分散系均质球形粒子在辐射场中对平面散射波的精确解。MIE散射理论假定粒子为球形，由已知颗粒物群的光学特性及其数浓度粒径谱分布，计算颗粒物群的消光和总散射系数，二者之差即气溶胶的吸收系数。严格地来说，大气气溶胶并非均匀球形粒子，但实际应用表明，采用MIE散射理论是可行的。气溶胶消光系数的计算包括同种颗粒和多种颗粒的气溶胶粒子2种理想模型：前者先计算根据MIE散射理论计算单个球形粒子的消光系数，然后根据单位体积内含有的同种气溶胶粒子的数量得到气柱在单位路径长度上具有的总消光系数，后者先假设气溶胶粒子的谱分布(如Junge分布)，进而通过积分计算出消光系数。第二种模型显然要比第一种模型更接实际大气中气溶胶的情况，本文即采用第二种模型，提前构建气溶胶谱分布。因此本发明基于MIE散射方程，构建可以直接同化激光雷达消光系数的方法。本发明人团队申请过一种基于IMPROVE方程的气溶胶消光系数的三维变分同化方法。

Kikasǜ,Mirme A,Tamm E.Examining the relationship between aerosol sizedistribution and atmospheric visibility in an urban area[J].J Aerosol Sci,1998,29:S661-S662.

发明内容

本发明目的是，基于MIE散射方程构造一种同化观测算子，建立空气污染模式变量和观测变量之间的对应关系，可以利用三维变分方法，直接同化观测变量，在空气质量模式背景场的基础上，利用激光雷达消光系数资料，生成更准确的气溶胶(PM2.5/PM10的质量浓度分布)初始场，使得气溶胶质量浓度三维分布的预报更为准确。

本发明的技术方案，一种基于MIE散射方程观测算子的气溶胶资料同化方法，步骤如下：

步骤1：获取气象场驱动数据和激光雷达消光系数资料(污染物排放源文件)，并利用大气化学模式(WRF-Chem)制作气溶胶质量浓度分布初始场文件；

步骤2：基于大气化学模式(WRF-Chem)中气溶胶方案(MOSAIC)的8种污染物种的粒径分布，8种污染物种分别为黑碳/元素碳(BC/EC)、有机碳(OC)、硫酸盐(SO4)、硝酸盐(NO3)、铵盐(NH4)、氯化物(CL)、钠盐(NA)和其它未分类无机物(OIN)，假设其粒径分布为对数双峰谱分布，并利用网格点湿度计算气溶胶物种湿粒径，建立各物种、湿粒径和消光效率因子Q_ext之间的查找表；

步骤3：利用MIE散射方程构建可直接同化气溶胶消光系数的同化算子；