[发明专利]一种大气颗粒物粒径谱时空分布激光雷达数据反演方法

摘要

本发明公开了一种大气颗粒物粒径谱时空分布激光雷达数据反演方法，激光雷达通过测量大气中颗粒物的后向散射回波信号，精确反演获得大气颗粒物距地面不同高度的在红外、可见和紫外波段中三个波长的消光系数；构建四种气溶胶成分的对数正态分布的谱函数及其参数，获取不同种气溶胶成分在不同波段的复折射率和不同气溶胶模式中四种气溶胶成分的混合比例；获取各个气溶胶基本成分消光系数在0.55um处归一化的粒径谱，并与标准谱进行验证；最后与激光雷达测量获取的消光系数谱图进行迭代计算各个高度气溶胶混合体积比，获取不同高度不同时间的大气颗粒物粒径分布。为分析研究颗粒物的性质和变化规律提供有效数据，特别是大气颗粒物粒径谱时空变化监测提供了有效手段，建立适合大气颗粒物粒径分布的主动立体遥测技术和方法。

主权项

1.一种大气颗粒物粒径谱时空分布激光雷达数据反演方法，其特征在于实现步骤为：（1）列出激光雷达方程，选取激光探测波长为1064nm、532nm和355nm，对应的激光雷达方程为：Pr(r)=Ptkr-2β(r)exp{-2∫0rα(r′)dr′}]]>P_r(r)是激光雷达接收到距离r处的后向散射信号功率（W），P_t是激光发射功率（W），k为激光雷达系统常数(W·km³·S_r)，距离r是时间的函数，β(r)是是距离r处的后向散射系数(km^-1·S_r^-1），其中β(r)=β_a(r)+β_m(r)，β_a(r)和β_m(r)分别是气溶胶和大气分子在距离r处的后向散射系数，α(r)是距离r处的总消光系数(km^-1)，α(r)=α_a(r)+α_m(r)，α_a(r)和α_m(r)分别表示处大气气溶胶和空气分子的在距离r处的消光系数；（2）对所述激光雷达方程进行距离修正，方程两边同时乘以地面到被测气溶胶粒子群高度的平方r²·Prr2=kPt[βa(r)+βm(r)]exp{12∫0r[αa(r′)+αm(r′)]dr′};]]>（3）确定标定高度r_c处大气气溶胶粒子和空气分子消光系数，即标定值，Fernald给出了r_c处以下的大气气溶胶粒子后向积分消光系数：αa(r)=-SaSm·αm(r)+P(r)r2·exp[2(SaSm-1)∫rrcαm(r′)dr′]P(rc)r2αa(rc)+SaSmαm(rc)+2∫rrcP(r′)r′2exp[2(SaSm-1)∫rrc-αm(r′′)dr′′]dr′---(1)]]>而r_c处以上的大气气溶胶粒子前向积分消光系数为：αa(r)=-SaSm·αm(r)+P(r)r2·exp[-2(SaSm-1)∫rcrαm(r′)dr′]P(rc)r2αa(rc)+SaSmαm(rc)-2∫rcrP(r′)r′2exp[-2(SaSm-1)∫rcrαm(r′′)dr′′]dr′---(2)]]>S_a＝α_a(r)/β_a(r)是大气气溶胶消光后向散射比，它依赖于入射的激光波长、大气气溶胶粒子的尺度谱分布和折射指数，对于532nm波长，S_a＝50，对于1064nm波长，S_a＝40；空气分子的消光后向散射比S_m＝α_m(r)/β_m(r)＝8π/3；空气分子的消光系数α_m(r)通过实际大气中温湿压气象探空资料或使用温湿压标准大气模式，获得空气分子的密度，再由分子瑞利散射理论计算得到；标定高度r_c通过选取近乎不含大气气溶胶粒子的清洁大气层所在的高度来确定，在这个高度上P(r)r²/β_m的值最小；532nm波长的大气气溶胶消光系数边界值α_a(r_c)由大气气溶胶散射比1+β_a(r_c)/β_m(r_c)＝1.01来确定，1064nm波长的大气气溶胶消光系数边界值由大气气溶胶散射比为1.08来确定；（4）获得气溶胶在1064nm、532nm和355nm波长的消光系数后，绘出消光系数廓线；（5）提出煤烟型、粗尘、海洋粒子和水溶性粒子四种气溶胶基本成分，建立基本成分的正态对数能谱函数，N表示粒子数，r表示空气动力学粒径：dNd logr=N2πlogσexp[-(logr-logrm)22(logσ)]---(3)]]>并计算获得四种气溶胶基本成分各自的能谱参数值r_m和σ，通过r_m和σ值计算出基本成分的粒径分布，大陆型气溶胶模式下颗粒物浓度分布；（6）将气溶胶模式分为大陆型气溶胶、海洋型气溶胶和城市气溶胶模型，通过资料计算四种气溶胶基本成分在三种气溶胶模式中所占比例；（7）对于每一种气溶胶基本成分，引入参数粒子平均体积V_j(um³)和粒子数浓度N_j(粒子数/cm³)两个参量，通过计算获得四种气溶胶基本成分粒子平均体积和粒子浓度值；（8）平均体积V_j和粒子数浓度N_j两个参量表达为：Vj=4π3Nj∫0+∞r3dNj(r)drdr---(4)]]>N_j是各成分在0.55微米处消光系数为1(km-1)时的粒子数；v_j＝n_j×V_j   （5）v_j是对应每一种成分的总体积，n_j是每一种成分的粒子数浓度，每种气溶胶成分的体积比C_j为：Cj=vjv---(6)]]>由（5）和（6）式，得到总粒子数浓度：n=Σjnj=vΣjCjVj---(7)]]>则粒子数密度百分比：njn=-CjVjΣjCjVj---(8)]]>总消光系数，Kext=NΣjnjnKjext(λ)---(9)]]>并获得各个气溶胶基本成分消光在550nm处为1(km^-1)时粒子谱分布；其中K^ext表示总消光系数，表示各基本成分在波长λ的消光系数；（9）根据步骤（4）、步骤（6）和步骤（7）计算获得的参数，和步骤（8）中函数（式9）得到大陆性气溶胶在550n m消光系数为1(km^-1)的粒谱分布图；（10）将步骤（9）获得的粒谱分布图与美国标准大气中的气溶胶透过率进行比较，验证粒谱分布的有效性；（11）将步骤（4）反演获取的不同波长的消光系数在空间和时间上进行积分和平均，以获取满足运算需求的消光系数；（12）将步骤（8）中的各个气溶胶基本成分的粒子谱和步骤（11）获得的不同探测波长的消光系数进行迭代运算，获取在不同高度和不同时间段的比例因子，通过改变基本成分的浓度配比，计算的光谱消光系数，取对应激光雷达波长处的消光系数与实测数据进行比较，通过最小二乘法的方法获取在不同高度处的气溶胶基本成分浓度配比，S=Σi=13[Simu(λi)-Lidar(λi)]2]]>λ：不同波长处i=1,2,3对应355nm,532nm,1064nmSimu(λ)：MIE散射模拟计算的气溶胶消光系数Lidar(λ)：激光雷达实测的气溶胶消光系数S：求取S值最小时，对应的浓度配比值；（13）将步骤（8）中的各个气溶胶基本成分的粒子谱和将步骤（12）的比例因子进行运算得到大气颗粒物粒径谱时空分布：dNdlogr=Σi=14Ni2πlogσexp[-(logri-logrm,i)22(logσ)]]]>i：对应的气溶胶基本成分：煤烟型、粗尘、海洋粒子和水溶性粒子；N：对应的各个基本成分的浓度值；r_m，i:各基本成分粒径对数正态分布中值r_i：各基本成分粒径。