一种利用单波长激光雷达探测气溶胶质量浓度廓线的方法技术

本发明专利技术提供了一种利用单波长激光雷达探测气溶胶质量浓度廓线的方法，具体步骤包括：1)利用单波长激光雷达反演获得单波长下的消光系数廓线在大气垂直高度z上的分布，对反演的消光系数廓线的盲区进行校正；2)利用氮气和水汽分子的拉曼散射信号反演获得大气相对湿度廓线；3)利用宽粒径谱仪与能见度仪联合探测方法分别反演相同时刻下的质量浓度与波段大气颗粒物的消光系数，归纳出地面质量浓度与消光系数的参数化方程；4)对不同高度处所对应不同相对湿度范围内的PM质量浓度选用相应的参数化模型进行反演，进而得到质量浓度廓线。本发明专利技术既可解决现有算法中精度较低的问题，还可解决现有算法中反演的PM质量浓度廓线结果误差较大的问题。差较大的问题。差较大的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种利用单波长激光雷达探测气溶胶质量浓度廓线的方法


[0001]本专利技术属于激光雷达大气探测
，具体涉及一种利用单波长激光雷达探测气溶胶质量浓度廓线的方法。

技术介绍

[0002]颗粒物(PM)是大气中最易发生变化的成分，对空气质量、天气和气候有显著影响，特别是在人口密集及工业发展地区，常常伴随着较高浓度的气溶胶。大气PM质量浓度在垂直方向具有梯度变化，因而地面与高层处的污染程度和相对湿度一般不同，在实际大气中，不同高度处的气溶胶含量不同，且地面与边界层顶部的气溶胶含量及相对湿度区别较大，因此，现有方法利用激光雷达探测大气气溶胶质量浓度廓线时，通常采用地面处同时同地获取的质量浓度与消光系数相关性方程，作为不同高度处的气溶胶质量浓度反演公式。但实际上由于气溶胶在不同相对湿度范围内发生吸湿性增长的程度不同，导致在不同相对湿度范围内消光系数与质量浓度之间的相关性方程也不同。
[0003]一般地，颗粒物质量浓度在近地面会保持大致恒定，但随着大气高度的增加，颗粒物浓度与大气相对湿度会呈下降趋势，因而现有算法中仅选取短时间内迭代的地面气溶胶质量浓度与消光系数方程反演边界层较高处的质量浓度具有较低的精度，且不具有统计特征。此外，算法中仅采用以地面气溶胶质量浓度-消光系数模型去反演质量浓度廓线的方法，忽略了相对湿度对消光系数的影响，其反演的PM质量浓度廓线结果误差较大。
[0004]需要注意的是，本部分旨在为权利要求书中陈述的本专利技术的实施方式提供背景或上下文。此处的描述不因为包括在本部分中就承认是现有技术。

技术实现思路

[0005]本专利技术目的在于提供了一种利用单波长激光雷达探测气溶胶质量浓度廓线的方法，解决了现有技术中存在反演质量浓度廓线结果不准确的问题。
[0006]为实现上述目的本专利技术采用如下技术方案：
[0007]该利用单波长激光雷达探测气溶胶质量浓度廓线的方法，包括以下步骤：
[0008]S1：利用单波长激光雷达反演获得单波长下的消光系数廓线在大气垂直高度z上的分布；
[0009]S2：利用能见度仪获得地面能见度值反演地面气溶胶消光系数，结合几何重叠因子，对步骤S1中激光雷达同时刻反演的消光系数的盲区进行校正；
[0010]S3：利用单波长激光雷达反演获得单波长下的相对湿度RH在大气垂直高度z上的分布；利用氮气和水汽分子的拉曼散射信号反演获得大气水汽密度廓线，利用氮气分子高低量子数转动拉曼散射信号反演获得大气温度廓线，进而得到大气相对湿度的高度变化；
[0011]S4：利用能见度仪获得的能见度值反演地面355nm波段大气颗粒物的消光系数,所述能见度仪获取能见度值的时间应包含四季且不同污染程度的天气时的长时探测数据；
[0012]S5：利用宽粒径谱仪获取不同时刻PM1、PM
2.5
和PM
10
的质量浓度M
PM1
，M
PM2.5
，M
PM10
；
[0013]S6：利用自动气象站系统获取实时大气相对湿度R
H
(z0)；
[0014]S7：利用宽粒径谱仪获得的PM1、PM
2.5
和PM
10
质量浓度与能见度仪反演的355nm波长下的消光系数α
K
(z0,λ0)以及大气相对湿度R
H
(z0)，对相同时刻探测得到的数据进行拟合后，可以获得参数化方程；针对此大量采样数据按不同梯度相对湿度R
H
(z0)范围分别建立地面PM1、PM
2.5
和PM
10
质量浓度与消光系数参数化方程；
[0015]S8：利用获得355nm波长下反演的盲区校正后的消光系数廓线α
A
(z,λ0)和PM1、PM
2.5
和PM
10
质量浓度与气溶胶消光系数参数化方程，以及相对湿度廓线R
H
(z)，计算得到大气PM1、PM
2.5
和PM
10
质量浓度廓线。
[0016]进一步地，上述步骤S1具体是：
[0017]利用355nm波长下高度z处的氮气通道拉曼雷达大气回波信号功率P
N
(z)，精细反演355nm波长下的消光系数廓线α
A
(z,λ0)，表示为
[0018][0019]式中，λ0为激光的发射波长，λ0对应355nm；z为探测大气高度；P
N
(z)为355nm的拉曼散射回波信号功率，下标N代表氮气分子；E0为激光雷达功率；Y(z)为重叠函数；后向散射系数β
N
是氮气的分子数密度N
N
(z)和氮气的拉曼后向散射截面积的乘积；α
M
(λ0,z)为355nm波长下在高度z下的大气分子消光系数。
[0020]进一步地，上述步骤S2具体是：
[0021]S201：利用能见度仪获取地面能见度值V
vis
(z0)，其中能见度值的获取时刻与步骤S1中单波长激光雷达探测大气的时刻相同；
[0022]S202：根据步骤S201获取能见度值反演气溶胶消光系数α
K
(z0,λ0)，需采用Koschmieder公式，Koschmieder公式仅在波长为0.55μm时有效，其余与波长相关，由Angstrom提出，具体的公式为：
[0023][0024]式中，下标K为采用Koschmieder公式计算；z0为能见度仪距地面高度；V
vis
(z0)为能见度值，单位为km；λ0表示波长，其单位为μm；ε为视觉反映阈值；σ
ext
为气溶胶消光系数；系数q为由经验公式确定的系数，具体的公式为：
[0025][0026]S203：根据步骤S202反演的消光系数α
K
(z,λ0)对步骤S1中反演的消光系数廓线的盲区进行校正。
[0027]进一步地，上述步骤S3具体是：
[0028]S301：利用氮气的拉曼散射回波信号强度P
N
(z)；利用水汽分子的拉曼散射回波信
号强度P
H
(z)；利用P
N
(z)和P
H
(z)反演获得大气水汽密度的垂直变化分布N
H
(z)，可表示为：
[0029][0030]式中，下标H代表水汽分子，下标N代表氮气分子，k为各拉曼散射通道因子，σ(π)为分子拉曼后向散射截面；
[0031]S302：用Tetens经验公式计算不同温度下的水面饱和水汽压e(t)，可表示为：
[0032]e(t)＝610.8
×
exp[17.27t/(t+237.3]ꢀꢀꢀ
(5)
[0033]式中，t为温度，单位为℃；e(t)的单位为Pa；
[0034]本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种利用单波长激光雷达探测气溶胶质量浓度廓线的方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：利用单波长激光雷达反演获得单波长下的消光系数廓线在大气垂直高度z上的分布；S2：利用能见度仪获得地面能见度值反演地面气溶胶消光系数，结合几何重叠因子，对步骤S1中激光雷达同时刻反演的消光系数的盲区进行校正；S3：利用单波长激光雷达反演获得单波长下的相对湿度RH在大气垂直高度z上的分布；利用氮气和水汽分子的拉曼散射信号反演获得大气水汽密度廓线，利用氮气分子高低量子数转动拉曼散射信号反演获得大气温度廓线，进而得到大气相对湿度的高度变化；S4：利用能见度仪获得的能见度值反演地面355nm波段大气颗粒物的消光系数,所述能见度仪获取能见度值的时间应包含四季且不同污染程度的天气时的长时探测数据；S5：利用宽粒径谱仪获取不同时刻PM1、PM
2.5
和PM
10
的质量浓度M
PM1
，M
PM2.5
，M
PM10
；S6：利用自动气象站系统获取实时大气相对湿度R
H
(z0)；S7：利用宽粒径谱仪获得的PM1、PM
2.5
和PM
10
质量浓度与能见度仪反演的355nm波长下的消光系数α
K
(z0,λ0)以及大气相对湿度R
H
(z0)，对相同时刻探测得到的数据进行拟合后，可以获得参数化方程；针对此大量采样数据按不同梯度相对湿度RH(z0)范围分别建立地面PM1、PM
2.5
和PM
10
质量浓度与消光系数参数化方程；S8：利用获得355nm波长下反演的盲区校正后的消光系数廓线α
A
(z,λ0)和PM1、PM
2.5
和PM
10
质量浓度与气溶胶消光系数参数化方程，以及相对湿度廓线RH(z)，计算得到大气PM1、PM
2.5
和PM
10
质量浓度廓线。2.根据权利要求1所述的利用单波长激光雷达探测气溶胶质量浓度廓线的方法，其特征在于，所述步骤S1具体是：利用355nm波长下高度z处的氮气通道拉曼雷达大气回波信号功率P
N
(z)，精细反演355nm波长下的消光系数廓线α
A
(z,λ0)，表示为式中，λ0为激光的发射波长，λ0对应355nm；z为探测大气高度；P
N
(z)为355nm的拉曼散射回波信号功率，下标N代表氮气分子；E0为激光雷达功率；Y(z)为重叠函数；后向散射系数β
N
是氮气的分子数密度N
N
(z)和氮气的拉曼后向散射截面积的乘积；α
M
(λ0,z)为355nm波长下在高度z下的大气分子消光系数。3.根据权利要求2所述的利用单波长激光雷达探测气溶胶质量浓度廓线的方法，其特征在于，所述步骤S2具体是：S201：利用能见度仪获取地面能见度值V
vis
(z0)，其中能见度值的获取时刻与步骤S1中单波长激光雷达探测大气的时刻相同；S202：根据步骤S201获取能见度值反演气溶胶消光系数α
K
(z0,λ0)，需采用Koschmieder公式，Koschmieder公式仅在波长为0.55μm时有效，其余与波长相关，由Angstrom提出，具体
的公式为：式中，下标K为采用Koschmieder公式计算；z0为能见度仪距地面高度；V
vis
(z0)为能见度值，单位为km；λ0表示波长，其单位为μm；ε为视觉反映阈值；σ
ext
为气溶胶消光系数；系数q为由经验公式确定的系数，具体的公式为：S203：根据步骤S202反演的消光系数α
K
(z,λ0)对步骤S1中反演的消光系数廓线的盲区进行校正。4.根据权利要求3所述的利用单波长激光雷达探测气溶胶质量浓度廓线的方法，其特征在于，所述步骤S3具体是：S301：利用氮气的拉曼散射回波信号强度P
N
(z)；利用水汽分子的拉曼散射回波信号强度P
H
(z)；利用P
N
(z)和P
H
(z)反演获得大气水汽密度的垂直变化分布N
H
(z)，可表示为：式中，下标H代表水汽分子，下标N代表氮气分子，k为各拉曼散射通道因子，σ(π)为分子拉曼后向散射截面；S302：用Tetens经验公式计算不同温度下的水面饱和水汽压e(t)，可表示为：e(t)＝610.8
×
exp[17.27t/(t+237.3]
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)式中，t为温度，单位为℃；e(t)的单位为Pa；S303：根据步骤S302中的e(t)计算饱和水汽密度S
H
(z)，可表示为：S
H
(t)＝2.17e(t)/(t+273.15)
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(6)S304：根据步骤S301和步骤S303计算单位体积空气内实际所含的水汽密度和同温度下饱和水汽密度的百分比，可得到相对湿度R
H<...

【专利技术属性】
技术研发人员：狄慧鸽，李斯文，华灯鑫，李言，闫庆，王玉峰，宋跃辉，
申请(专利权)人：西安理工大学，
类型：发明
国别省市：