本發明專利技術涉及一種基于太陽光度計和激光雷達的PM2.5質量濃度的自動反演算法，首先利用太陽光度計獲得基于太陽光度計的大氣整層氣溶膠光學厚度，利用激光雷達回波信號，經過距離和相對濕度修正后，通過算法反演獲得基于激光雷達的大氣整層氣溶膠消光系數和氣溶膠光學厚度，然后利用理想曲線擬合確定邊界層高度，獲取邊界層內的氣溶膠光學厚度，最后利用上述結果根據模型獲取PM2.5質量濃度值。本發明專利技術利用太陽光度計和激光雷達獲取的氣溶膠消光系數廓線及光學厚度值，結合地面相對濕度修正和邊界層高度信息，獲取近地面PM2.5質量濃度值，具有誤差小，鑒別力高、普適性強的優點。
【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉氣溶膠光學探測
，尤其是一種基于太陽光度計和激光雷達的PM2. 5質量濃度值自動反演算法。
技術介紹
PM2. 5指空氣中空氣動力學當量直徑小于等于2. 5微米的顆粒物，與大粒徑顆粒物相比，PM2. 5粒徑小，易于載帶重金屬和有機物等有毒有害物質，且在大氣中的停留時間 長、輸送距離遠，因而對人體健康和大氣環境質量的影響更大。目前，PM2. 5質量濃度的測量可通過手工稱重法(天平稱重法)和自動監測儀進行測量，其中自動監測儀的測量原理主要有β射線法、震蕩天平法等，但以上方法均無法獲得ΡΜ2. 5的空間分布。太陽光度計和激光雷達能較好的反演氣溶膠細粒子的空間分布，具有快速、高效、連續的特點，且兩者在氣溶膠光學厚度領域和氣溶膠消光系數反演
都已經成熟。因此如何從氣溶膠光學特性獲取氣溶膠ΡΜ2. 5質量濃度信息，有效建立兩者之間的關系一直是大氣探測分析領域的研究重點。目前國內外較多研究主要是通過線型模型和指數模型建立兩者關系，上述兩種模型需要先獲取地面的氣溶膠消光系數值和同一地點對應時刻的質量濃度值，然后把相同條件下的消光系數與質量濃度對放在一起，通過迭代法計算模型的參數，再由計算得到的模型參數和垂直方向的消光系數，反演氣溶膠質量濃度的空間垂直分布。但由于氣溶膠質量濃度和氣溶膠光學特性之間的關系取決于氣溶膠粒子的化學構成、尺度和形狀，因此模型反演出的氣溶膠質量濃度值受測量季節和地點，尤其邊界層變化和氣象參數的影響。邊界層的一些基本特性，比如邊界層高度(通常為(Γ2 km)對局地氣溶膠濃度的影響很大，較難量化。同時氣象參數中相對濕度的變化也會對氣溶膠光學特性(粒子的尺度及其分布、后向散射系數以及化學構成)產生影響，使其折射指數和粒子的眾數半徑也隨之改變，并引起粒子消光特性和質量濃度的變化，大多數的氣溶膠光學特性觀測中沒有就相對濕度與氣溶膠的吸濕特性的關系進行研究。
技術實現思路
本專利技術的目的是提供一種基于太陽光度計和激光雷達的PM2. 5質量濃度值自動反演算法，以解決傳統方法的誤差大、受測量地點影響，不能較好地識別出所需信息的問題。本專利技術采用的技術方案是一種基于太陽光度計和激光雷達的PM2. 5濃度值自動反演算法，其特征在于首先用太陽光度計獲得基于太陽光度計的大氣整層氣溶膠光學厚度，利用激光雷達回波信號，經過距離和相對濕度修正，通過算法反演獲得基于激光雷達的大氣整層氣溶膠消光系數和氣溶膠光學厚度，然后利用理想曲線確定邊界層高度，獲取邊界層內的氣溶膠光學厚度，最后利用上述結果根據模型獲取PM2. 5質量濃度信息，具體算法步驟為(I)根據Bouguer定律，利用太陽光度計測得的直射太陽輻射E (W/m2)為權利要求1.一種基于太陽光度計和激光雷達的PM2. 5質量濃度值自動反演算法，其特征在于首先利用太陽光度計獲得基于太陽光度計的大氣整層氣溶膠光學厚度，利用激光雷達回波信號，經過距離和相對濕度修正后，通過算法反演獲得基于激光雷達的大氣整層氣溶膠消光系數和氣溶膠光學厚度，然后利用理想曲線擬合確定邊界層高度，獲取邊界層內的氣溶膠光學厚度，最后利用上述結果根據模型獲取PM2. 5質量濃度值，具體算法步驟為 (1)根據Bouguer定律,太陽光度計測得的直射太陽福射E(W/m2)在特定波長上表示為 E=E0IT2exp (_m τ ) Tg(I) 其中Etl是在一個天文單位(AU)距離上的大氣外界的太陽輻照度，R是測量時刻的日地距離(AU)，m是大氣質量數，τ為大氣總的垂直光學厚度，Tg為吸收氣體透過率； (2)獲取基于太陽光度計的大氣光學厚度τ 若儀器輸出電壓V與E成正比，則公式(I)可寫成 V=VtlIT2eXp (-m τ ) Tg(2) 其中Vtl是定標常數，指從一系列觀測值外插到m為O時的電壓值V，由InV+lnR2與m畫直線，直線的斜率就是垂直光學厚度-τ ； (3)獲取基于太陽光度計的氣溶膠光學厚度τα 大氣總的消光光學厚度τ由分子散射氣溶膠散射1。和氣體吸收消光τ8三部分組成全文摘要本專利技術涉及一種基于太陽光度計和激光雷達的PM2.5質量濃度的自動反演算法，首先利用太陽光度計獲得基于太陽光度計的大氣整層氣溶膠光學厚度，利用激光雷達回波信號，經過距離和相對濕度修正后，通過算法反演獲得基于激光雷達的大氣整層氣溶膠消光系數和氣溶膠光學厚度，然后利用理想曲線擬合確定邊界層高度，獲取邊界層內的氣溶膠光學厚度，最后利用上述結果根據模型獲取PM2.5質量濃度值。本專利技術利用太陽光度計和激光雷達獲取的氣溶膠消光系數廓線及光學厚度值，結合地面相對濕度修正和邊界層高度信息，獲取近地面PM2.5質量濃度值，具有誤差小，鑒別力高、普適性強的優點。文檔編號G01N15/06GK102944503SQ20121038433公開日2013年2月27日 申請日期2012年10月11日 優先權日2012年10月11日專利技術者陳臻懿, 劉文清, 張天舒, 范廣強, 束小文 申請人:中國科學院安徽光學精密機械研究所本文檔來自技高網...
【技術保護點】
一種基于太陽光度計和激光雷達的PM2.5質量濃度值自動反演算法，其特征在于：首先利用太陽光度計獲得基于太陽光度計的大氣整層氣溶膠光學厚度，利用激光雷達回波信號，經過距離和相對濕度修正后，通過算法反演獲得基于激光雷達的大氣整層氣溶膠消光系數和氣溶膠光學厚度，然后利用理想曲線擬合確定邊界層高度，獲取邊界層內的氣溶膠光學厚度，最后利用上述結果根據模型獲取PM2.5質量濃度值，具體算法步驟為：（1）根據Bouguer?定律，太陽光度計測得的直射太陽輻射E（W/m2）在特定波長上表示為：E=E0R?2exp(?mτ)Tg???????????????????????????????????????（1）其中E0?是在一個天文單位（AU）距離上的大氣外界的太陽輻照度，R是測量時刻的日地距離（AU），m?是大氣質量數，τ為大氣總的垂直光學厚度，Tg為吸收氣體透過率；（2）獲取基于太陽光度計的大氣光學厚度τ：若儀器輸出電壓V?與E?成正比，則公式（1）可寫成：V=V0R?2exp(?mτ)Tg???????????????????????????????????????（2）其中V0是定標常數，指從一系列觀測值外插到m為0時的電壓值V，由lnV+lnR2?與m?畫直線，直線的斜率就是垂直光學厚度–τ；（3）獲取基于太陽光度計的氣溶膠光學厚度τα：大氣總的消光光學厚度τ由分子散射τr、氣溶膠散射τα和氣體吸收消光τg三部分組成：τ=τr+τα+τg??????????????????????????????????????????????（3）其中分子散射光學厚度τr由地面氣壓測值計算出來，在可見近紅外波段氣體吸收主要是臭氧和水汽的吸收，在沒有氣體吸收的通道，τg可以忽略，那么從總的光學厚度減去分子散射光學厚度τr，可獲得氣溶膠的光學厚度τα；（4）列出激光雷達方程，選取激光波長為532nm，對應的激光雷達方程為：P(Z)=PtCη(Z)Z?2[βα(Z)+βm(Z)]Ta2(Z)Tm2(Z)；??????????????????????（4）式中P(Z)為激光雷達回波功率，Pt為激光發射功率，?為大氣探測激光雷達系統常數，c為光速，Δt為激光器脈寬，?T為雷達接收系統的光學效率，Ar是接收單元的有效孔徑，βa(Z)和?βm(Z)分別為高度Z處大氣氣溶膠和空氣分子的后向散射系數；?為大氣探測激光雷達至對應高度處大氣氣溶膠透過率，是相應的空氣分子透過率，αa(Z’,λ)?和αm(Z’,λ)分別為高度Z處大氣氣溶膠和空氣分子的消光系數，η(Z)是激光雷達的幾何重疊因子，所述幾何重疊因子總為1；（5）對所述激光雷達方程進行距離修正，方程兩邊同時乘以地面到被測氣溶膠粒子群高度的平方Z2：S(Z)=P(Z)Z2=PtCη(Z)[βα(Z)+βm(Z)]Ta2(Z)Tm2(Z)；????????????（5）（6）獲取觀測時間段的相對濕度值RH，對雷達回波信號進行相對濕度修正：?S*(Z)=S(Z)(1?RH)0.55；??????????????????????????????????????????????（6）（7）利用Fernald法進行基于激光雷達的氣溶膠消光系數反演，獲取雷達近地面最低有效高度Z1處的消光系數αα(z1,λ)；（8）利用獲取大氣整層氣溶膠光學厚度τlidar；（9）用理想曲線方程擬合雷達回波信號獲取邊界層高度HBL：B(Z)=Bm+Bu2-Bm-Bu2erf(Z-HBLs)---(7)其中Bm是邊界層后向散射系數平均值，Bu是邊界層上空后向散射系數平均值，Z是高度，HBL是邊界層平均厚度，s與夾帶層的厚度有關；（10）獲取邊界層高度HBL內的光學厚度：?????（8）（11）獲取邊界層高度內和大氣整層光學厚度比值RBL：????（9）（12）獲取Z1高度處的PM2.5質量濃度值：PM2.5=τασ*HBLRBL---(10)其中σ*的質量消光系數，取4.75m2g?1作為首輸入值，代入RBL和HBL的值，獲取PM2.5質量濃度值。FDA0000224330531.jpg,FDA0000224330532.jpg,FDA0000224330533.jpg,FDA0000224330534.jpg,FDA0000224330536.jpg,FDA0000224330537.jpg,FDA0000224330538.jpg...
【技術特征摘要】
【專利技術屬性】
技術研發人員：陳臻懿，劉文清，張天舒，范廣強，束小文，
申請(專利權)人：中國科學院安徽光學精密機械研究所，
類型：發明
國別省市：
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