基于雾霾测量数据的气溶胶粒子谱分布拟合方法及系统技术方案

本发明专利技术涉及一种基于雾霾测量数据的气溶胶粒子谱分布拟合方法及系统，其中方法包括以下步骤：采用激光雷达和太阳光度计分别进行气溶胶光学特性测量，获得激光雷达数据和太阳光度计数据；根据所述太阳光度计数据反演获得低层大气的光学厚度；根据所述激光雷达数据反演获得低层大气的消光系数；基于反演获得的所述低层大气的光学厚度和低层大气的消光系数，采用消光法反演获得低层大气的气溶胶粒子谱分布。本发明专利技术结合激光雷达和太阳光度计的测量数据，应用大气光学厚度分层以及消光法反演气溶胶谱分布特征，获得低层大气的粒子谱分布拟合函数。

【技术实现步骤摘要】
基于雾霾测量数据的气溶胶粒子谱分布拟合方法及系统
本专利技术涉及大气光学
，尤其涉及一种基于雾霾测量数据的气溶胶粒子谱分布拟合方法及系统。
技术介绍
雾霾是一种常见的天气现象，它是由于空气中含有的颗粒物、氮氧化物的总量超过正常水平，造成空气浑浊，能见度度降低。雾霾对大气的影响和它的气溶胶粒子分布具有直接关系。对于雾霾天气来说，不管是空气中的小粒子浓度还是大粒子浓度都比正常天气大的多。相比较雾天气，霾天气中的气溶胶小粒子大于雾天气中气溶胶小粒子浓度，而霾天气中气溶胶大粒子浓度远小于雾天气中气溶胶大粒子浓度。基于太阳光度计测量数据，采用消光法进行气溶胶谱分布反演时，由于太阳光度计获得的大气消光为整层大气，所以由此反演获得气溶胶谱分布为整层大气的气溶胶谱分布，而雾霾一般分布在低空中，因此研究者更关心的为低层大气中气溶胶。在低层大气中，消光主要受气溶胶影响，气溶胶主要聚集在0-5km，上层大气的消光主要是分子消光，因此不同高度处的大气消光是由不同原因引起，由此可开展低层气溶胶的谱分布研究。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题在于，针对目前基于太阳光度计测量数据只能获得整层大气的气溶胶谱分布的缺陷，提供一种基于雾霾测量数据的气溶胶粒子谱分布拟合方法及系统，应用大气光学厚度分层方法以及消光法反演气溶胶谱分布特征，获得不同气溶胶粒子大小时的谱分布拟合函数。为了解决上述技术问题，本专利技术第一方面，提供了一种基于雾霾测量数据的气溶胶粒子谱分布拟合方法，该方法包括：采用激光雷达和太阳光度计分别进行气溶胶光学特性测量，获得激光雷达数据和太阳光度计数据；根据所述太阳光度计数据反演获得低层大气的光学厚度；根据所述激光雷达数据反演获得低层大气的消光系数；基于反演获得的所述低层大气的光学厚度和低层大气的消光系数，采用消光法反演获得低层大气的气溶胶粒子谱分布。在根据本专利技术所述的基于雾霾测量数据的气溶胶粒子谱分布拟合方法中，优选地，所述根据所述太阳光度计数据反演获得低层大气的光学厚度的步骤具体为：基于均匀平行球面大气假定将大气分为两层，第一层为低层大气，第二层为上层大气，太阳光线通过第一层大气路径和第二层大气路径随太阳天顶角发生变化；采用多个太阳天顶角下的数据通过多元线性回归方法计算得到这两层的大气路径长度；基于所述大气路径长度分别计算获得低层大气和上层大气的光学厚度。在根据本专利技术所述的基于雾霾测量数据的气溶胶粒子谱分布拟合方法中，优选地，所述根据所述激光雷达数据反演获得低层大气的消光系数的步骤具体为：根据测量的激光雷达数据利用激光雷达数据反演软件获得不同探测距离处的消光系数；利用不同探测距离处的消光系数计算低层大气对应的消光系数。在根据本专利技术所述的基于雾霾测量数据的气溶胶粒子谱分布拟合方法中，优选地，所述基于反演获得的所述低层大气的光学厚度和低层大气的消光系数，采用消光法反演获得低层大气的气溶胶粒子谱分布的步骤具体为：将气溶胶假定为球体，采用米氏原理建立不同尺度的单粒子光学特性数据库；建立太阳光度计数据反演的低层大气的光学厚度与气溶胶粒子谱分布的联系，以及建立激光雷达数据反演的低层大气的消光系数与气溶胶粒子谱分布的联系；判断雾霾天气是否由沙尘引起，是则采用正态分布对气溶胶谱分布进行描述，确定正态函数参数，否则采用Junge谱分布对低层大气的气溶胶粒子谱分布进行描述，确定Junge参数。本专利技术第二方面，提供了一种基于雾霾测量数据的气溶胶粒子谱分布拟合系统，包括：数据获取单元，用于获取采用激光雷达和太阳光度计进行气溶胶光学特性测量的激光雷达数据和太阳光度计数据；第一数据处理单元，用于根据所述太阳光度计数据反演获得低层大气的光学厚度；第二数据处理单元，用于根据所述激光雷达数据反演获得低层大气的消光系数；分布拟合单元，用于基于反演获得的所述低层大气的光学厚度和低层大气的消光系数，采用消光法反演获得低层大气的气溶胶粒子谱分布。在根据本专利技术所述的基于雾霾测量数据的气溶胶粒子谱分布拟合系统中，优选地，第一数据处理单元根据所述太阳光度计数据反演获得大气光学厚度的步骤具体为：基于均匀平行球面大气假定将大气分为两层，第一层为低层大气，第二层为上层大气，太阳光线通过第一层大气路径和第二层大气路径随太阳天顶角发生变化，采用多个太阳天顶角下的数据通过多元线性回归方法计算得到这两层的大气路径长度；基于所述大气路径长度分别计算获得低层大气和上层大气的光学厚度。在根据本专利技术所述的基于雾霾测量数据的气溶胶粒子谱分布拟合系统中，优选地，所述分布拟合单元：将气溶胶假定为球体，采用米氏原理建立不同尺度的单粒子光学特性数据库；建立太阳光度计数据反演的低层大气的光学厚度与气溶胶粒子谱分布的联系，以及建立激光雷达数据反演的低层大气的消光系数与气溶胶粒子谱分布的联系；判断雾霾天气是否由沙尘引起，是则采用正态分布对气溶胶谱分布进行描述，确定正态函数参数，否则采用Junge谱分布对低层大气的气溶胶粒子谱分布进行描述，确定Junge参数。实施本专利技术的基于雾霾测量数据的气溶胶粒子谱分布拟合方法及系统，具有以下有益效果：本专利技术结合激光雷达和太阳光度计的测量数据，应用大气光学厚度分层以及消光法反演气溶胶谱分布特征，获得低层大气的粒子谱分布拟合函数；进一步地，本专利技术当雾霾天气由沙尘引起时，获取气溶胶粒子谱的正态分布拟合函数；当雾霾天气为非沙尘引起时，获取气溶胶粒子谱的Junge谱分布拟合函数。附图说明图1为根据本专利技术第一实施例的基于雾霾测量数据的气溶胶粒子谱分布拟合方法的流程图；图2为根据本专利技术第二实施例的基于雾霾测量数据的气溶胶粒子谱分布拟合方法的流程图；图3为根据本专利技术优选实施例的基于雾霾测量数据的气溶胶粒子谱分布拟合系统的模块框图。具体实施方式为使本专利技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本专利技术的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。本专利技术提出了一种基于雾霾测量数据的气溶胶粒子谱分布拟合方法，该方法应用大气光学厚度分层算法以及消光法反演气溶胶谱分布特征，获得不同气溶胶粒子大小时的谱分布拟合函数。请参阅图1，为根据本专利技术第一实施例的基于雾霾测量数据的气溶胶粒子谱分布拟合方法的流程图。如图1所示，该实施例提供基于雾霾测量数据的气溶胶粒子谱分布拟合方法包括以下步骤：首先，在步骤S101中，执行数据获取步骤，在出现雾霾天气时，采用激光雷达和太阳光度计分别进行气溶胶光学特性测量，获得激光雷达数据和太阳光度计数据。随后，在步骤S102中，执行第一数据处理步骤，根据所述太阳光度计数据反演获得低层大气的光学厚度。随后，在步骤S103中，执行第二数据处理步骤，根据所述激光雷达数据反演获得低层大气的消光系数。最后，在步骤S104中，基于反演获得的所述低层大气的光学厚度和低层大气的消光系数，采用消光法反演获得低层大气的气溶胶粒子谱分布。请结合参阅图2，为根据本专利技术第二实施例的基于雾霾测量数据的气溶胶粒子谱分布拟合方法的流程图。如图2所示，该第二实施例提供的基于雾霾测量数据的气溶胶粒子谱本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于雾霾测量数据的气溶胶粒子谱分布拟合方法，其特征在于，该方法包括：采用激光雷达和太阳光度计分别进行气溶胶光学特性测量，获得激光雷达数据和太阳光度计数据；根据所述太阳光度计数据反演获得低层大气的光学厚度；根据所述激光雷达数据反演获得低层大气的消光系数；基于反演获得的所述低层大气的光学厚度和低层大气的消光系数，采用消光法反演获得低层大气的气溶胶粒子谱分布。

【技术特征摘要】
1.一种基于雾霾测量数据的气溶胶粒子谱分布拟合方法，其特征在于，该方法包括：采用激光雷达和太阳光度计分别进行气溶胶光学特性测量，获得激光雷达数据和太阳光度计数据；根据所述太阳光度计数据反演获得低层大气的光学厚度；根据所述激光雷达数据反演获得低层大气的消光系数；基于反演获得的所述低层大气的光学厚度和低层大气的消光系数，采用消光法反演获得低层大气的气溶胶粒子谱分布。2.根据权利要求1所述的基于雾霾测量数据的气溶胶粒子谱分布拟合方法，其特征在于，所述根据所述太阳光度计数据反演获得低层大气的光学厚度的步骤具体为：基于均匀平行球面大气假定将大气分为两层，第一层为低层大气，第二层为上层大气，太阳光线通过第一层大气路径和第二层大气路径随太阳天顶角发生变化；采用多个太阳天顶角下的数据通过多元线性回归方法计算得到这两层的大气路径长度；基于所述大气路径长度分别计算获得低层大气和上层大气的光学厚度。3.根据权利要求1所述的基于雾霾测量数据的气溶胶粒子谱分布拟合方法，其特征在于，所述根据所述激光雷达数据反演获得低层大气的消光系数的步骤具体为：根据测量的激光雷达数据利用激光雷达数据反演软件获得不同探测距离处的消光系数；利用不同探测距离处的消光系数计算低层大气对应的消光系数。4.根据权利要求1～3中任一项所述的基于雾霾测量数据的气溶胶粒子谱分布拟合方法，其特征在于，所述基于反演获得的所述低层大气的光学厚度和低层大气的消光系数，采用消光法反演获得低层大气的气溶胶粒子谱分布的步骤具体为：将气溶胶假定为球体，采用米氏原理建立不同尺度的单粒子光学特性数据库；建立太阳光度计数据反演的低层大气的光学厚度与气溶胶粒子谱分布的联系，以及建立激光雷达数据反演的低层大气的消光系数与气溶胶粒子谱分布的联系；判断雾霾天气是否由沙尘引起，是则采用正态分布对气溶胶谱分布进行描述，确定正态函数参数，否则采用Junge谱分布对低层大气的气溶胶粒子谱分布进行描述，确定Junge参数。5.根据权利要求4所述的基于雾霾测量数据的气溶胶粒子谱分布拟合方法，其特征在于，通过以下公式，建立太阳光度计数据反演的低层大气的光学厚度τ与气溶胶粒子谱分布n(r)的联系，以及建立激光雷达数据反演的低层大气的消光系数σ(λ)与气溶胶粒子谱分布n(r)的联系；其中，σ(λ)为消光系数，r为气溶胶粒子半径，λ为波长，Qe为消光效率因子，z为大气高度。6.根据权利要求5所述的基于雾霾测量数据的气溶胶粒子谱分布拟合方法，其特征在于，所述采用Junge谱分布对低层大气的气溶...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘兴润，李霞，朱希娟，刘浩，
申请(专利权)人：北京环境特性研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11