基于Logistic大气消光廓线识别混合层厚度方法技术

本发明专利技术公开了一种基于Logistic大气消光廓线识别混合层厚度方法，包括：根据Mie散射激光雷达反演的大气消光系数廓线，确定混合层顶附近自下而上大气消光系数历经的急剧下降区、总体缓变区以及二者之间的过渡区；将消光系数和垂直高度分别作为横纵坐标，构建直角坐标系；用半程Logistic曲线拟合研究区内消光系数随高度的变化特征，构建半程Logistic曲线；根据最小二乘原理求解半程Logistic曲线参数，求解半程Logistic曲线曲率最大值对应高度。相对于基于Mie散射激光雷达计算混合层厚度的现有方法而言，本发明专利技术的计算结果能合理地反映边界层结构的日变化特点及其污染效应，且分析精度更高。

Identification of mixed layer thickness based on Logistic atmospheric extinction profiles

The invention discloses a method of mixed layer thickness, Logistic atmospheric extinction profile recognition based on line includes: according to the atmospheric extinction coefficient profile of Mie scattering lidar, the transition zone between the determined after mixed layer near the top bottom of the atmospheric extinction coefficient decreased sharply, the overall area of slow changing areas, as well as the two; the extinction coefficient and the vertical height as the horizontal and vertical coordinates, construct the Cartesian coordinates; with half the Logistic curve fitting in the research area of extinction coefficient changes with the characteristic of high building, half Logistic curve; parameters according to the principle of least squares to solve half Logistic curve, Logistic curve is half curvature corresponding to the maximum height. Compared with the existing calculation method of mixed layer thickness based on Mie scattering lidar, the calculation result of the present invention can reasonably reflect the daily variation characteristics and pollution effects of boundary layer structure, and higher analysis accuracy.

【技术实现步骤摘要】
基于Logistic大气消光廓线识别混合层厚度方法
本专利技术属于大气和环境
，尤其涉及一种基于Logistic大气消光廓线识别混合层厚度方法。
技术介绍
大气边界层是地气之间物质和能量交换的桥梁，对其结构特征及变化成因的深入认知是天气气候模式精度提升的基础。作为大气边界层的一种重要表现形式，混合层定义为湍流特征不连续界面以下的大气，表征污染物在垂直方向被热力湍流稀释的范围，即低层空气热力对流与动力湍流输送所能达到的高度，相关研究一直是大气科学和环境科学共同关注的前沿问题(胡非，2003；杨辉，2006；丁辉，2015)。Nozaki等早在1973年就提出了一种利用地面常规气象资料估算混合层厚度的方法(程水源，1997)；随着计算机水平的飞速发展，数值模式已经成为模拟边界层复杂物理过程的重要工具(Lilly，1968；Betts，1973；蒋维楣，2010；伍大洲，2006)。此外，由于Mie散射激光雷达具备对大气光学特性垂直分布进行高时空分辨率探测的优点，近年来已成为反演大气边界层结构及颗粒物垂直分布的另一手段(何涛，2013)。就目前常用的反演算法而言，梯度法把激光雷达距离订正信号(RCS)的梯度最小值所在的高度作为边界层高度(HoffRM，1996)；拐点法则是将混合层顶高定义为滤波处理后的距离订正信号对高度的二阶导数最小值所在高度(MenutL，1999)；SBH99算法通过将实测后向散射系数的垂直分布拟合成理想曲线，据此确定混合层厚度(Steyn，1999)；Brooks(2003)等基于复合阶跃函数(Haar函数)提出了一种用于探测边界层信号阶跃变化的方法，即为小波协方差变换法。虽然Mie散射激光雷达已被广泛应用于边界层结构的诊断，但仍困扰于上述算法稳定性和普适性差以及人为任意性强等不足，例如：梯度法和拐点法均容易受到信号局部结构的影响，对信噪比要求较高，反演结果受噪声干扰影响较大(王琳，2012；李红，2015)；小波协方差变换法、SBH99算法对自身输入参数较为敏感(贺千山，2005；王琳，2012)。综上所述，现有大气光学特性垂直分布进行高时空分辨率探测存在稳定性和普适性差以及人为任意性强，对信噪比要求较高，反演结果受噪声干扰影响较大，对自身输入参数较为敏感。目前利用激光雷达反演混合层厚度的方法均是建立在边界层消光系数(或后向散射系数)的垂直分布特征的基础之上，由于边界层内部活动复杂多变以及激光雷达受噪声等因素的干扰，导致探测结果出现一定的波动，在此情况下，对于混合层厚度的确定带有很强的主观色彩，稳定性和普适性得不到保证。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于Logistic大气消光廓线识别混合层厚度方法，旨在解决目前利用激光雷达反演混合层厚度的方法均是建立在边界层消光系数(或后向散射系数)的垂直分布特征的基础之上，由于边界层内部活动复杂多变以及激光雷达受噪声等因素的干扰，导致探测结果出现一定的波动，在此情况下，对于混合层厚度的确定带有很强的主观色彩，稳定性和普适性得不到保证的问题。本专利技术是这样实现的，一种基于Logistic大气消光廓线识别混合层厚度方法，所述基于Logistic大气消光廓线识别混合层厚度方法包括以下步骤：步骤一，基于Mie散射激光雷达反演的大气消光系数廓线，确定混合层顶附近自下而上大气消光系数历经的急剧下降区、总体缓变区以及二者之间的过渡区；将消光系数和垂直高度分别作为横纵坐标，构建直角坐标系；步骤二，用半程Logistic曲线拟合研究区内消光系数随高度的变化特征，构建半程Logistic曲线；步骤三，根据最小二乘原理求解半程Logistic曲线参数，求解半程Logistic曲线曲率最大值对应高度。进一步，构建直角坐标系，记急剧下降区的起始点为(σ0，z0)。进一步，构建半程Logistic曲线为：其中，z表示研究区高度，σ0、z0为研究区下端的消光系数以及对应的高度，r是半程Logistic曲线待定参数，与消光系数垂直递减速率有关。进一步，混合层厚度的表达式为zm：进一步，所述基于Logistic大气消光廓线识别混合层厚度方法包括以下步骤：(1)基于Mie散射激光雷达反演的大气消光系数廓线，确定混合层顶附近自下而上大气消光系数历经的急剧下降区、总体缓变区以及二者之间的过渡区，考虑到激光雷达探测盲区的影响，记急剧下降区的起始点为(σ0，z0)；(2)用半程Logistic曲线拟合研究区内消光系数随高度的变化特征，见下式：其中，z表示研究区高度，σ0、z0为研究区下端的消光系数以及对应的高度，r是半程Logistic曲线待定参数，为Logistic大气消光廓线；(3)根据最小二乘原理求解半程Logistic曲线参数r，进一步求解半程Logistic曲线曲率最大值对应高度，由此得到混合层厚度zm的表达式为：本专利技术提供的基于Logistic大气消光廓线识别混合层厚度方法，根据实例分析表明，相对于基于Mie散射激光雷达计算混合层厚度的现有方法而言，半程logistic曲线拟合新算法相应的计算结果能合理地反映边界层结构的日变化特点及其污染效应，且分析精度更高。本专利技术基于成都市2013年6月至2014年2月Mie散射激光雷达探测数据的分析表明，混合层顶附近大气消光系数自下而上均存在急剧下降区、总体缓变区以及二者之间的过渡区。利用半程logistic曲线对上述变化特征进行拟合，通过计算该曲线曲率最大值对应的高度，据此提出Mie散射激光雷达识别混合层厚度的新算法。针对新算法的进一步分析表明：(1)半程logistic曲线拟合算法着眼于混合层附近大气消光系数垂直演变的普遍规律，受人为因素和信噪比影响小，计算的混合层即为湍流特征不连续界面以下湍流充分发展的气层，具有物理意义明确、普适性好、客观性强以及计算稳定等优点。(2)针对不同空气质量等级样本的分析表明，半程logistic曲线拟合算法与位温探空曲线计算的混合层厚度总体一致，同时也取得了比梯度法、拐点法和SBH99算法更好的效果。(3)将半程logistic曲线拟合算法应用于成都地区一次重霾污染过程的诊断，准确地揭示了区域在该时段主要的污染气象特征，计算的混合层厚度与地面颗粒物质量浓度保持了高度的相关。附图说明图1是本专利技术实施例提供的基于Logistic大气消光廓线识别混合层厚度方法流程图。图2是本专利技术实施例提供的混合层厚度求解的示意图。图3是本专利技术实施例提供的6种不同空气质量状况下新方法和位温法计算的混合层厚度对比示意图；图中：(a)2014年1月31日07时<严重>；(b)2013年12月2日07时<重度>；(c)2013年11月30日07时<中度>；(d)2013年11月26日07时<轻度>；(e)2013年8月8日07时<良>；(f)2013年7月10日07时<优>。图4是本专利技术实施例提供的成都市2014年1月21日-2月5日AQI及地面PM2.5质量浓度逐日变化示意图。图5是本专利技术实施例提供的成都市1月27日-1月31日大气消光系数廓线、混合层高度和PM2.5质量浓度逐时变化示意图。图6是本专利技术实施例提供的污染时段内(1月23日-2本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于Logistic大气消光廓线识别混合层厚度方法，其特征在于，所述基于半程logistic曲线识别混合层厚度拟合方法包括以下步骤：步骤一，基于Mie散射激光雷达反演的大气消光系数廓线，确定混合层顶附近自下而上大气消光系数历经的急剧下降区、总体缓变区以及二者之间的过渡区；将消光系数和垂直高度分别作为横纵坐标，构建直角坐标系；步骤二，用半程Logistic曲线拟合研究区内消光系数随高度的变化特征，构建半程Logistic曲线；步骤三，根据最小二乘原理求解半程Logistic曲线参数，求解半程Logistic曲线曲率最大值对应高度。

【技术特征摘要】
1.一种基于Logistic大气消光廓线识别混合层厚度方法，其特征在于，所述基于半程logistic曲线识别混合层厚度拟合方法包括以下步骤：步骤一，基于Mie散射激光雷达反演的大气消光系数廓线，确定混合层顶附近自下而上大气消光系数历经的急剧下降区、总体缓变区以及二者之间的过渡区；将消光系数和垂直高度分别作为横纵坐标，构建直角坐标系；步骤二，用半程Logistic曲线拟合研究区内消光系数随高度的变化特征，构建半程Logistic曲线；步骤三，根据最小二乘原理求解半程Logistic曲线参数，求解半程Logistic曲线曲率最大值对应高度。2.如权利要求1所述的基于Logistic大气消光廓线识别混合层厚度方法，其特征在于，构建直角坐标系，记急剧下降区的起始点为(σ0，z0)。3.如权利要求1所述的基于Logistic大气消光廓线识别混合层厚度方法，其特征在于，构建半程Logistic曲线为：其中，z表示研究区高度，σ0、z0为研究区下端的消光系数以及对应的高度，r是半程Logistic曲线待定参数，与消光系数垂直递减速率有关。4.如权利要求1所述的基于Log...

【专利技术属性】
技术研发人员：倪长健，朱育雷，
申请(专利权)人：成都信息工程大学，
类型：发明
国别省市：四川,51