一种气溶胶光学厚度与PM2.5反演订正方法及其系统技术方案

本发明专利技术的实施例公开一种气溶胶光学厚度与PM2.5反演订正方法及其系统，涉及环境保护领域，能够为研究区域PM2.5反演的准确度和精确度提供依据，同时也可间接判断其它气候条件对反演结果影响程度的大小。所述方法包括：数据分析步骤：分析预设区域在预设时间段内的相对湿度及气溶胶标高随季节大致变化趋势；拐点判断步骤：根据所述变化趋势利用累积距平法判断相对湿度及气溶胶标高变化拐点；计算确定步骤：利用累积量斜率变化率比较方法确定相对湿度和气溶胶标高分别对所述气溶胶光学厚度与所述PM2.5的贡献率。

Aerosol optical thickness and PM2.5 inversion correction method and system

The embodiment of the present invention discloses an aerosol optical thickness and PM2.5 inversion correction method and system, which relates to the field of environmental protection, can provide a basis for the accuracy and accuracy of PM2.5 inversion in the study area, and can indirectly judge the impact of other climatic conditions on the inversion results. The method includes: data analysis steps: analyzing the relative humidity and aerosol elevation of the preset area in the preset time period along with the seasonal variation trend; inflection point judgment steps: judging the inflection point of relative humidity and aerosol elevation change by cumulative anomaly method according to the change trend; calculation and determination steps: using cumulative amount The slope change rate comparison method determines the contribution rates of relative humidity and aerosol elevation to the aerosol optical thickness and PM2.5, respectively.

【技术实现步骤摘要】
一种气溶胶光学厚度与PM2.5反演订正方法及其系统
本专利技术涉及生态环境领域，尤其涉及一种气溶胶光学厚度与PM2.5反演订正方法及其系统。
技术介绍
随着全球工业化经济快速发展，大气污染日趋严重，灰霾等热点环境问题引发越来越多的关注。灰霾等污染物不仅影响人们正常工作生活和出行，影响城市大气环境，而且细微粒径气溶胶(如可吸入细颗粒物PM2.5等)，可引起呼吸系统疾病和心血管疾病，极大危害人体健康。然而细颗粒物PM2.5和气溶胶光学厚度(AOD)作为城市大气环境质量的重要指示性因子，因此对其有效监测分析显得格外重要。世界各国研究学者广泛研究建立了不同国家和地区AOD与PM2.5两者之间的关系，从而利用反演的PM2.5质量浓度来间接反映研究区域近地面的污染状况。这些进一步说明了卫星遥感在空气质量监测方面扮演的重要角色。近地面颗粒物的成因和特性都比较复杂，其与局部环境气候条件、地表类型、季节、污染状况等气象条件都有很大的关系。这些研究表明，影响AOD与PM2.5二者之间相关关系最主要的因素是气溶胶消光系数的相对垂直廓线，且加入环境气候因子可以起到提高二者相关水平的作用。这些研究进一步说明卫星遥感在空气质量监测上具有一定的可行性，进行大尺度、广区域的空气质量监测更有一定的实际应用价值。以往众多学者多选取某个研究区，引入湿度订正及垂直订正方法，利用气溶胶AOD数据建立并比较PM2.5-AOD的简单线性回归模型、多元线性回归模型等，然而，在PM2.5反演过程中进行湿度订正和标高订正时相对湿度及垂直标高的贡献率各为多少往往很难确定。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术实施例提供一种气溶胶光学厚度与PM2.5反演订正方法及其系统，通过分析计算相对湿度、垂直标高对AOD或PM2.5贡献率，揭示了AOD对于相对湿度、垂直标高的敏感性论证及PM2.5对于相对湿度的敏感性论证，对于AOD与PM2.5质量浓度反演的精准度具有重要指导作用，为进一步反演更精确的近地面PM2.5质量浓度数据提供了参考依据。第一方面，本专利技术实施例提供一种气溶胶光学厚度与PM2.5反演订正方法，包括：数据分析步骤：分析预设区域在预设时间段内的相对湿度及气溶胶标高随季节大致变化趋势；拐点判断步骤：根据所述变化趋势利用累积距平法判断相对湿度及气溶胶标高变化拐点；计算确定步骤：利用累积量斜率变化率比较方法确定相对湿度和气溶胶标高分别对所述气溶胶光学厚度与所述PM2.5的贡献率。结合第一方面，在第一方面的第一种实施方式中，在所述数据分析步骤之前，所述方法还包括：模型建立步骤：在预设时间段内利用CALIPSO激光雷达二级气溶胶数据产品，引入气溶胶湿度订正方法和气溶胶垂直标高订正方法，以近地面预设高度以下气溶胶光学厚度为自变量、近地面PM2.5质量浓度数据为因变量，建立线性、一元二次、乘幂、对数和指数五种回归拟合模型。结合第一方面的第一种实施方式，在第一方面的第二种实施方式中，所述气溶胶湿度订正方法的步骤具体包括：结合观测站点的相对湿度数据，将相应日期的近地面消光系数除以吸湿增长因子，得到湿度订正后的气溶胶消光系数，进而利用所述气溶胶消光系数反演PM2.5的质量浓度。结合第一方面的第一种实施方式，在第一方面的第三种实施方式中，所述气溶胶湿度订正方法的步骤具体包括：利用观测站点的日均相对湿度数据，将对应日期的PM2.5的质量浓度乘以吸湿增长因子进行湿度订正，从而将细颗粒物质量浓度还原到湿润状态下的质量浓度，进而利用经垂直标高订正后的气溶胶光学厚度反演湿度订正后的PM2.5质量浓度。结合第一方面的第一种实施方式，在第一方面的第四种实施方式中，所述气溶胶垂直标高订正方法的步骤具体包括：利用获取的能见度数据得到近地面的气溶胶消光系数，实现气溶胶垂直标高订正。结合第一方面的第一种实施方式，在第一方面的第五种实施方式中，所述气溶胶垂直标高订正方法的步骤具体包括：利用激光雷达获取气溶胶标高和大气边界层高度，利用激光雷达探测的消光系数在预设高度区间内的积分与雷达在近地面的消光系数的比值，以得到气溶胶标高，将卫星遥感的大气气溶胶光学厚度除以所述气溶胶标高以进行所述气溶胶垂直标高的订正。结合第一方面的第一种实施方式，在第一方面的第六种实施方式中，在所述模型建立步骤之后，所述方法还包括：模型筛选步骤：通过相关系数R2筛选出最优气溶胶光学厚度与PM2.5质量浓度估算模型为一元二次模型。结合第一方面的第六种实施方式，在第一方面的第七种实施方式中，所述拐点判断步骤具体包括：采用5点滑动平均法、累积距平法，在分析了相对湿度及气溶胶标高随季节变化趋势之后，判断出相对湿度和气溶胶标高大致以冬、春夏、秋季节变化节点为拐点发生变化；利用统计分析方法分别得到冬、春夏、秋三个时期的累积日均相对湿度与冬、春夏、秋时期之间的线性关系，累积湿度订正后PM2.5与冬、春夏、秋时期之间的线性关系，以及累积日气溶胶标高与冬、春夏、秋时期之间的线性关系，累积垂直标高订正、湿度订正后气溶胶光学厚度与冬、春夏、秋时期之间的线性关系。结合第一方面的第七种实施方式，在第一方面的第八种实施方式中，所述计算确定步骤具体包括：采用累积量斜率变化率比较方法，以冬季为基准期，在不考虑其它因素影响时，针对预设的研究区域，计算得出反演过程中在春夏时期和秋季时期相对湿度对所述PM2.5的相对贡献率、在春夏时期和秋季时期气溶胶标高对所述气溶胶光学厚度的相对贡献率、在春夏时期和秋季时期相对湿度对所述气溶胶光学厚度相对贡献率。第二方面，本专利技术实施例提供一种气溶胶光学厚度与PM2.5反演订正系统，所述系统包括：数据分析模块，用于分析预设区域在预设时间段内的相对湿度及气溶胶标高随季节大致变化趋势；拐点判断模块，用于根据所述变化趋势利用累积距平法判断相对湿度及气溶胶标高变化拐点；计算确定模块，用于利用累积量斜率变化率比较方法确定相对湿度和气溶胶标高分别对所述气溶胶光学厚度与所述PM2.5的贡献率。结合第二方面，在第二方面的第一种实施方式中，所述系统还包括：模型建立模块，用于在预设时间段内利用CALIPSO激光雷达二级气溶胶数据产品，引入气溶胶湿度订正方法和气溶胶垂直标高订正方法，以近地面预设高度以下气溶胶光学厚度为自变量、近地面PM2.5质量浓度数据为因变量，建立线性、一元二次、乘幂、对数和指数五种回归拟合模型。结合第二方面的第一种实施方式，在第二方面的第二种实施方式中，所述系统还包括：模型筛选模块，用于通过相关系数R2筛选出最优气溶胶光学厚度与PM2.5质量浓度估算模型为一元二次模型。结合第二方面的第二种实施方式，在第二方面的第三种实施方式中，所述拐点判断模块具体用于：采用5点滑动平均法、累积距平法，在分析了相对湿度及气溶胶标高随季节变化趋势之后，判断出相对湿度和气溶胶标高大致以冬、春夏、秋季节变化节点为拐点发生变化；利用统计分析方法分别得到冬、春夏、秋三个时期的累积日均相对湿度与冬、春夏、秋时期之间的线性关系，累积湿度订正后PM2.5与冬、春夏、秋时期之间的线性关系，以及累积日气溶胶标高与冬、春夏、秋时期之间的线性关系，累积垂直标高订正、湿度订正后气溶胶光学厚度与冬、春夏、秋时期之间的线性关系。结合第二方面的第三种实施方式，在第二方面的第四种实施方本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种气溶胶光学厚度与PM2.5反演订正方法，其特征在于，所述方法包括：数据分析步骤：分析预设区域在预设时间段内的相对湿度及气溶胶标高随季节大致变化趋势；拐点判断步骤：根据所述变化趋势利用累积距平法判断相对湿度及气溶胶标高变化拐点；计算确定步骤：利用累积量斜率变化率比较方法确定相对湿度和气溶胶标高分别对所述气溶胶光学厚度与所述PM2.5的贡献率。

【技术特征摘要】
1.一种气溶胶光学厚度与PM2.5反演订正方法，其特征在于，所述方法包括：数据分析步骤：分析预设区域在预设时间段内的相对湿度及气溶胶标高随季节大致变化趋势；拐点判断步骤：根据所述变化趋势利用累积距平法判断相对湿度及气溶胶标高变化拐点；计算确定步骤：利用累积量斜率变化率比较方法确定相对湿度和气溶胶标高分别对所述气溶胶光学厚度与所述PM2.5的贡献率。2.根据权利要求1所述的气溶胶光学厚度与PM2.5反演订正方法，其特征在于，在所述数据分析步骤之前，所述方法还包括：模型建立步骤：在预设时间段内利用CALIPSO激光雷达二级气溶胶数据产品，引入气溶胶湿度订正方法和气溶胶垂直标高订正方法，以近地面预设高度以下气溶胶光学厚度为自变量、近地面PM2.5质量浓度数据为因变量，建立线性、一元二次、乘幂、对数和指数五种回归拟合模型。3.根据权利要求2所述的气溶胶光学厚度与PM2.5反演订正方法，其特征在于，所述气溶胶湿度订正方法的步骤具体包括：结合观测站点的相对湿度数据，将相应日期的近地面气溶胶消光系数(即经垂直标高订正后的气溶胶光学厚度)除以吸湿增长因子，得到湿度订正后的气溶胶消光系数，进而利用所述气溶胶消光系数反演PM2.5的质量浓度。4.根据权利要求2所述的气溶胶光学厚度与PM2.5反演订正方法，其特征在于，所述气溶胶湿度订正方法的步骤具体包括：利用观测站点的日均相对湿度数据，将对应日期的PM2.5的质量浓度乘以吸湿增长因子进行湿度订正，从而将细颗粒物质量浓度还原到湿润状态下的质量浓度，进而利用经垂直标高订正后的气溶胶光学厚度反演湿度订正后的PM2.5质量浓度。5.根据权利要求2所述的气溶胶光学厚度与PM2.5反演订正方法，其特征在于，所述气溶胶垂直标高订正方法的步骤具体包括：利用获取的能见度数据得到近地面的气溶胶消光系数，实现气溶胶垂直标高订正。6.根据权利要求2所述的气溶胶光学厚度与PM2.5反演订正方法，其特征在于，所述气溶胶垂直标高订正方法的步骤具体包括：利用激光雷达获取气溶胶标高...

【专利技术属性】
技术研发人员：李卫东，董立晔，王珂，段金龙，董前林，张学海，赵晨曦，孟凡谦，张定文，庞留记，
申请(专利权)人：河南工业大学，
类型：发明
国别省市：河南,41