静止卫星逐小时近地面大气细颗粒物估算方法技术

本发明专利技术公开了静止卫星逐小时近地面大气细颗粒物估算方法，包括以下步骤：S1：垂直订正，利用气象站算出的近地面消光系数与风云四号卫星气溶胶光学厚度匹配计算出气象站所在区域气溶胶标高；S2：湿度订正，利用模型1模型2逐月拟合该站点的吸湿增长函数，验证效果后计算不同湿度条件下的吸湿增长因子；S3：颗粒物估算，利用重采样和经纬度匹配将地基颗粒物浓度观测数据、物理订正后的干消光和各参数构建数据特征和模型的预测和验证数据集。相对于现有技术利用大气环境模式模拟的标高精度更好；解决颗粒物吸湿增长效应方法明确精细；利用整流线型作为激活函数解决神经网络计算量大和梯度消失问题。

【技术实现步骤摘要】
静止卫星逐小时近地面大气细颗粒物估算方法
本专利技术涉及大气环境检测
，具体为静止卫星逐小时近地面大气细颗粒物估算方法。
技术介绍
自20世纪80年代初起，我国经历了30余年的经济持续高速发展，国民经济水平有了很大的提高，城市化过程非常迅速。与此相随的是人为活动和工业生产向大气中排放更多的气态、颗粒态污染物，使我国部分地区空气质量持续恶化，大量的环境流行病学研究发现大气中的细颗粒物曝露与包括哮喘、呼吸道感染、肺癌、心血管疾病、过早死亡等在内的各种疾病在世界范围内存在稳健的关联性，大气颗粒物污染对公众健康和生态安全构成了巨大威胁。故准确获取其时空分布、来源及传输路径已经是我国大气环境治理最急迫的任务。目前，监测大气中PM2.5的方法主要有:地基监测、大气空气质量模式预报和遥感监测。地基监测精度高，但成本昂贵，站点数量有限且分布不均，监测区域大气污染分布存在一定的局限性。大气空气质量模式预报在空间上具有连续覆盖性，但分辨率较低、精度较差，对小尺度范围细节变化描述较差。而卫星遥感监测具有大区域范围内连续，能够在不同尺度上反映污染物的宏观分布趋势，为大气污染的全方位立体监测提供了重要的信息来源，可以在一定程度上弥补地面监测手段在区域尺度上的不足，已经成为掌握颗粒物区域尺度分布的必要手段。常用方法主要通过大气气溶胶光学厚度(AerosolOpticalDepth，AOD)估算近地面PM2.5的分布情况，基本原理为AOD表示对垂直大气柱浓度消光系数的积分，与近地面颗粒物之间具有较强的相关性。因此，建立AOD与PM2.5的关系模型估算PM2.5被广泛应用。随着卫星遥感技术发展，我国第二代静止气象卫星风云四号已经发射成功，卫星的辐射成像通道由FY－2G星的5个增加为14个，覆盖了可见光、短波红外、中波红外和长波红外等波段，接近欧美第三代静止轨道气象卫星的16个通道。星上辐射定标精度0.5K、灵敏度0.2K、可见光空间分辨率0.5km。相对于极轨卫星每天过境2次，风云四号卫星具有15分钟完成一次全圆盘观测的能力。可以实现1分钟1次区域观测(1000km×1000km)，这将在很大程度上提高我国在短临天气预报、应对气候变化等防灾减灾方面的观测能力，为高时间分辨率的颗粒物估算打下基础。目前的技术存在有CN110940624一种大气细颗粒物遥感估计方法，1.该方法利用的大气化学模式在小时尺度上的精度较低，无法得到高精度的整层气溶胶光学厚度和近地面消光系数的比例关系。2.该方法利用相对湿度模拟解决颗粒吸湿增长效应方法不明确，无法较好的解决同种粒子在不同湿度条件下消光特性不同的问题。还存在CN110595968A一种基于静止轨道卫星的PM2.5浓度估算方法和CN108426815A一种近地面细颗粒物组分浓度估算方法。AOD是整层气溶胶消光系数的垂直积分，而颗粒物仅代表了近地面气溶胶粒子的含量，二者在物理含义上的天然差异，需要解决尺度差异；颗粒物存在吸湿增长效应，由于气溶胶中存在大量可溶性成分，受环境湿度的影响，在凝结与蒸发效应下颗粒物的粒径，密度，形状，复折射指数及粒径分布函数都会发生改变，颗粒物消光截面增大，从而对电磁波的吸收作用更为强烈，使得同种粒子在不同湿度条件下消光特性有较大差别，需要解决湿度对浓度估算带来的误差；物理订正后得到的是光学特性近地面干消光系数，与质量浓度存在差异，且由于复杂的边界层结构与气象条件，颗粒物的化学成分等在不同地区的差异性很大，对颗粒物估算带来不确定性。基于此，本专利技术设计了静止卫星逐小时近地面大气细颗粒物估算方法，以解决上述提到的问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供静止卫星逐小时近地面大气细颗粒物估算方法，解决无法在大尺度范围内准确、及时、有效地获取小时尺度近地面细颗粒物浓度数据的技术问题。为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：静止卫星逐小时近地面大气细颗粒物估算方法，包括以下步骤：S1：垂直订正利用气象站算出的近地面消光系数与风云四号卫星气溶胶光学厚度匹配计算出气象站所在区域气溶胶标高，将所述气象站所在区域气溶胶标高插值至面，得到与卫星气溶胶光学厚度对应的气溶胶标高数据，计算出区域尺度的近地面消光；S2：湿度订正将距离较近的地面气象站与环境监测站进行匹配，利用气象站算出的近地面消光系数除以细颗粒物浓度得到站点的平均质量消光效率，利用模型1模型2逐月拟合该站点的吸湿增长函数，验证效果后计算不同湿度条件下的吸湿增长因子，针对不同的相对湿度将吸式增长因子插值至面，与卫星计算的湿近地面消光系数计算得到干近地面消光系数完成湿度订正；S3：颗粒物估算根据颗粒物形成机理和影响大气容量的气象参数的特征选择卫星观测参数、气象站观测参数、人口分布数据、DEM数据利用重采样和经纬度匹配将地基颗粒物浓度观测数据、物理订正后的干消光和各参数构建数据特征和模型的预测和验证数据集。优选的，所述近地面消光系数为基于Koschmieder定律，利用国家地面气象站能见度观测数据计算站点位置得到，表达如下：其中，R为能见度，n为大气折射率，在海平面处取值为n-1＝293×10-6，N为分子数密度，海平面出取值为N＝266×1019cm-3，波长λ为0.55μm。优选的，所述卫星气溶胶光学厚度为风云四号卫星发布的逐小时气溶胶光学厚度，表示为大气铅直柱内所有气溶胶粒子消光能力的总和，也可以表示为近地面消光系数与气溶胶标高的乘积。优选的，所述平均质量消光效率近似表示为：其中，σa(λ)为近地面消光系数，PMX细颗粒物浓度。优选的，所述吸湿增长因子f(RH)表示：其中，Eext(RH)为不同RH下的颗粒物平均消光效率，Eext,dry为RH<45的颗粒物平均消光效率。优选的，所述S2中，模型包括模型一：模型二：其中，Eext(RH)为不同RH下的颗粒物平均消光效率，a、b、c均为Eext(RH)和RH拟合得到的系数。优选的，所述S3中，所述卫星观测参数包括O3、NO2、SO2，所述气象站观测参数包括相对湿度、气温、气压、风速、风向。优选的，在所述S3中，利用整流线型作为激活函数解决神经网络计算量大和梯度消失问题，包括设置9层隐藏层，第1、2、3、4层神经元为256个，第4到9层神经元为128个，神经元均为2的整数次幂。训练集采用“十折”交叉验证的思想，将数据随机划分为10份，其中9份用来训练，1份用来验证，训练网络。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：1、本专利技术利用气象站算出的近地面消光系数与风云四号卫星气溶胶光学厚度匹配计算出气象站所在区域气溶胶标高，相对于现有技术利用大气环境模式模拟的标高精度更好；2、本专利技术利用模型逐月拟合该站点的吸湿增长函数，验证效果后计算不同湿度条件下的吸湿增长因子，较现有方法解决颗粒物吸湿增长效应方法明确精细；3、利用整流线型作为激活函数解决神经网络本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.静止卫星逐小时近地面大气细颗粒物估算方法，其特征在于：包括以下步骤：/nS1：垂直订正/n利用气象站算出的近地面消光系数与风云四号卫星气溶胶光学厚度匹配计算出气象站所在区域气溶胶标高，将所述气象站所在区域气溶胶标高插值至面，得到与卫星气溶胶光学厚度对应的气溶胶标高数据，计算出区域尺度的近地面消光；/nS2：湿度订正/n将距离较近的地面气象站与环境监测站进行匹配，利用气象站算出的近地面消光系数除以细颗粒物浓度得到站点的平均质量消光效率，利用模型1模型2逐月拟合该站点的吸湿增长函数，验证效果后计算不同湿度条件下的吸湿增长因子，针对不同的相对湿度将吸式增长因子插值至面，与卫星计算的湿近地面消光系数计算得到干近地面消光系数完成湿度订正；/nS3：颗粒物估算/n根据颗粒物形成机理和影响大气容量的气象参数的特征选择卫星观测参数、气象站观测参数、人口分布数据、DEM数据利用重采样和经纬度匹配将地基颗粒物浓度观测数据、物理订正后的干消光和各参数构建数据特征和模型的预测和验证数据集。/n

【技术特征摘要】
1.静止卫星逐小时近地面大气细颗粒物估算方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：垂直订正
利用气象站算出的近地面消光系数与风云四号卫星气溶胶光学厚度匹配计算出气象站所在区域气溶胶标高，将所述气象站所在区域气溶胶标高插值至面，得到与卫星气溶胶光学厚度对应的气溶胶标高数据，计算出区域尺度的近地面消光；
S2：湿度订正
将距离较近的地面气象站与环境监测站进行匹配，利用气象站算出的近地面消光系数除以细颗粒物浓度得到站点的平均质量消光效率，利用模型1模型2逐月拟合该站点的吸湿增长函数，验证效果后计算不同湿度条件下的吸湿增长因子，针对不同的相对湿度将吸式增长因子插值至面，与卫星计算的湿近地面消光系数计算得到干近地面消光系数完成湿度订正；
S3：颗粒物估算
根据颗粒物形成机理和影响大气容量的气象参数的特征选择卫星观测参数、气象站观测参数、人口分布数据、DEM数据利用重采样和经纬度匹配将地基颗粒物浓度观测数据、物理订正后的干消光和各参数构建数据特征和模型的预测和验证数据集。


2.根据权利要求1所述的静止卫星逐小时近地面大气细颗粒物估算方法，其特征在于：所述近地面消光系数为基于Koschmieder定律，利用国家地面气象站能见度观测数据计算站点位置得到，表达如下：



其中，R为能见度，n为大气折射率，在海平面处取值为n-1＝293×10-6，N为分子数密度，海平面出取值为N＝266×1019cm-3，波长λ为0.55μm。


3.根据权利要求1所述的静止卫星逐小时近地面大气细颗粒物估算方法，其特征在于：所述卫星气溶胶光学厚度为风云四号卫星发布的逐小时气溶胶光学...

【专利技术属性】
技术研发人员：王永前，
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