本发明专利技术涉及一种基于太阳光度计和激光雷达的PM2.5质量浓度的自动反演算法，首先利用太阳光度计获得基于太阳光度计的大气整层气溶胶光学厚度，利用激光雷达回波信号，经过距离和相对湿度修正后，通过算法反演获得基于激光雷达的大气整层气溶胶消光系数和气溶胶光学厚度，然后利用理想曲线拟合确定边界层高度，获取边界层内的气溶胶光学厚度，最后利用上述结果根据模型获取PM2.5质量浓度值。本发明专利技术利用太阳光度计和激光雷达获取的气溶胶消光系数廓线及光学厚度值，结合地面相对湿度修正和边界层高度信息，获取近地面PM2.5质量浓度值，具有误差小，鉴别力高、普适性强的优点。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉气溶胶光学探测
，尤其是一种基于太阳光度计和激光雷达的PM2. 5质量浓度值自动反演算法。
技术介绍
PM2. 5指空气中空气动力学当量直径小于等于2. 5微米的颗粒物，与大粒径颗粒物相比，PM2. 5粒径小，易于载带重金属和有机物等有毒有害物质，且在大气中的停留时间 长、输送距离远，因而对人体健康和大气环境质量的影响更大。目前，PM2. 5质量浓度的测量可通过手工称重法(天平称重法)和自动监测仪进行测量，其中自动监测仪的测量原理主要有β射线法、震荡天平法等，但以上方法均无法获得ΡΜ2. 5的空间分布。太阳光度计和激光雷达能较好的反演气溶胶细粒子的空间分布，具有快速、高效、连续的特点，且两者在气溶胶光学厚度领域和气溶胶消光系数反演
都已经成熟。因此如何从气溶胶光学特性获取气溶胶ΡΜ2. 5质量浓度信息，有效建立两者之间的关系一直是大气探测分析领域的研究重点。目前国内外较多研究主要是通过线型模型和指数模型建立两者关系，上述两种模型需要先获取地面的气溶胶消光系数值和同一地点对应时刻的质量浓度值，然后把相同条件下的消光系数与质量浓度对放在一起，通过迭代法计算模型的参数，再由计算得到的模型参数和垂直方向的消光系数，反演气溶胶质量浓度的空间垂直分布。但由于气溶胶质量浓度和气溶胶光学特性之间的关系取决于气溶胶粒子的化学构成、尺度和形状，因此模型反演出的气溶胶质量浓度值受测量季节和地点，尤其边界层变化和气象参数的影响。边界层的一些基本特性，比如边界层高度(通常为(Γ2 km)对局地气溶胶浓度的影响很大，较难量化。同时气象参数中相对湿度的变化也会对气溶胶光学特性(粒子的尺度及其分布、后向散射系数以及化学构成)产生影响，使其折射指数和粒子的众数半径也随之改变，并引起粒子消光特性和质量浓度的变化，大多数的气溶胶光学特性观测中没有就相对湿度与气溶胶的吸湿特性的关系进行研究。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种基于太阳光度计和激光雷达的PM2. 5质量浓度值自动反演算法，以解决传统方法的误差大、受测量地点影响，不能较好地识别出所需信息的问题。本专利技术采用的技术方案是一种基于太阳光度计和激光雷达的PM2. 5浓度值自动反演算法，其特征在于首先用太阳光度计获得基于太阳光度计的大气整层气溶胶光学厚度，利用激光雷达回波信号，经过距离和相对湿度修正，通过算法反演获得基于激光雷达的大气整层气溶胶消光系数和气溶胶光学厚度，然后利用理想曲线确定边界层高度，获取边界层内的气溶胶光学厚度，最后利用上述结果根据模型获取PM2. 5质量浓度信息，具体算法步骤为(I)根据Bouguer定律，利用太阳光度计测得的直射太阳辐射E (W/m2)为权利要求1.一种基于太阳光度计和激光雷达的PM2. 5质量浓度值自动反演算法，其特征在于首先利用太阳光度计获得基于太阳光度计的大气整层气溶胶光学厚度，利用激光雷达回波信号，经过距离和相对湿度修正后，通过算法反演获得基于激光雷达的大气整层气溶胶消光系数和气溶胶光学厚度，然后利用理想曲线拟合确定边界层高度，获取边界层内的气溶胶光学厚度，最后利用上述结果根据模型获取PM2. 5质量浓度值，具体算法步骤为 (1)根据Bouguer定律,太阳光度计测得的直射太阳福射E(W/m2)在特定波长上表示为 E=E0IT2exp (_m τ ) Tg(I) 其中Etl是在一个天文单位(AU)距离上的大气外界的太阳辐照度，R是测量时刻的日地距离(AU)，m是大气质量数，τ为大气总的垂直光学厚度，Tg为吸收气体透过率； (2)获取基于太阳光度计的大气光学厚度τ 若仪器输出电压V与E成正比，则公式(I)可写成 V=VtlIT2eXp (-m τ ) Tg(2) 其中Vtl是定标常数，指从一系列观测值外插到m为O时的电压值V，由InV+lnR2与m画直线，直线的斜率就是垂直光学厚度-τ ； (3)获取基于太阳光度计的气溶胶光学厚度τα 大气总的消光光学厚度τ由分子散射气溶胶散射1。和气体吸收消光τ8三部分组成全文摘要本专利技术涉及一种基于太阳光度计和激光雷达的PM2.5质量浓度的自动反演算法，首先利用太阳光度计获得基于太阳光度计的大气整层气溶胶光学厚度，利用激光雷达回波信号，经过距离和相对湿度修正后，通过算法反演获得基于激光雷达的大气整层气溶胶消光系数和气溶胶光学厚度，然后利用理想曲线拟合确定边界层高度，获取边界层内的气溶胶光学厚度，最后利用上述结果根据模型获取PM2.5质量浓度值。本专利技术利用太阳光度计和激光雷达获取的气溶胶消光系数廓线及光学厚度值，结合地面相对湿度修正和边界层高度信息，获取近地面PM2.5质量浓度值，具有误差小，鉴别力高、普适性强的优点。文档编号G01N15/06GK102944503SQ20121038433公开日2013年2月27日 申请日期2012年10月11日 优先权日2012年10月11日专利技术者陈臻懿, 刘文清, 张天舒, 范广强, 束小文 申请人:中国科学院安徽光学精密机械研究所本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种基于太阳光度计和激光雷达的PM2.5质量浓度值自动反演算法，其特征在于：首先利用太阳光度计获得基于太阳光度计的大气整层气溶胶光学厚度，利用激光雷达回波信号，经过距离和相对湿度修正后，通过算法反演获得基于激光雷达的大气整层气溶胶消光系数和气溶胶光学厚度，然后利用理想曲线拟合确定边界层高度，获取边界层内的气溶胶光学厚度，最后利用上述结果根据模型获取PM2.5质量浓度值，具体算法步骤为：（1）根据Bouguer?定律，太阳光度计测得的直射太阳辐射E（W/m2）在特定波长上表示为：E=E0R?2exp(?mτ)Tg???????????????????????????????????????（1）其中E0?是在一个天文单位（AU）距离上的大气外界的太阳辐照度，R是测量时刻的日地距离（AU），m?是大气质量数，τ为大气总的垂直光学厚度，Tg为吸收气体透过率；（2）获取基于太阳光度计的大气光学厚度τ：若仪器输出电压V?与E?成正比，则公式（1）可写成：V=V0R?2exp(?mτ)Tg???????????????????????????????????????（2）其中V0是定标常数，指从一系列观测值外插到m为0时的电压值V，由lnV+lnR2?与m?画直线，直线的斜率就是垂直光学厚度–τ；（3）获取基于太阳光度计的气溶胶光学厚度τα：大气总的消光光学厚度τ由分子散射τr、气溶胶散射τα和气体吸收消光τg三部分组成：τ=τr+τα+τg??????????????????????????????????????????????（3）其中分子散射光学厚度τr由地面气压测值计算出来，在可见近红外波段气体吸收主要是臭氧和水汽的吸收，在没有气体吸收的通道，τg可以忽略，那么从总的光学厚度减去分子散射光学厚度τr，可获得气溶胶的光学厚度τα；（4）列出激光雷达方程，选取激光波长为532nm，对应的激光雷达方程为：P(Z)=PtCη(Z)Z?2[βα(Z)+βm(Z)]Ta2(Z)Tm2(Z)；??????????????????????（4）式中P(Z)为激光雷达回波功率，Pt为激光发射功率，?为大气探测激光雷达系统常数，c为光速，Δt为激光器脉宽，?T为雷达接收系统的光学效率，Ar是接收单元的有效孔径，βa(Z)和?βm(Z)分别为高度Z处大气气溶胶和空气分子的后向散射系数；?为大气探测激光雷达至对应高度处大气气溶胶透过率，是相应的空气分子透过率，αa(Z’,λ)?和αm(Z’,λ)分别为高度Z处大气气溶胶和空气分子的消光系数，η(Z)是激光雷达的几何重叠因子，所述几何重叠因子总为1；（5）对所述激光雷达方程进行距离修正，方程两边同时乘以地面到被测气溶胶粒子群高度的平方Z2：S(Z)=P(Z)Z2=PtCη(Z)[βα(Z)+βm(Z)]Ta2(Z)Tm2(Z)；????????????（5）（6）获取观测时间段的相对湿度值RH，对雷达回波信号进行相对湿度修正：?S*(Z)=S(Z)(1?RH)0.55；??????????????????????????????????????????????（6）（7）利用Fernald法进行基于激光雷达的气溶胶消光系数反演，获取雷达近地面最低有效高度Z1处的消光系数αα(z1,λ)；（8）利用获取大气整层气溶胶光学厚度τlidar；（9）用理想曲线方程拟合雷达回波信号获取边界层高度HBL：B(Z)=Bm+Bu2-Bm-Bu2erf(Z-HBLs)---(7)其中Bm是边界层后向散射系数平均值，Bu是边界层上空后向散射系数平均值，Z是高度，HBL是边界层平均厚度，s与夹带层的厚度有关；（10）获取边界层高度HBL内的光学厚度：?????（8）（11）获取边界层高度内和大气整层光学厚度比值RBL：????（9）（12）获取Z1高度处的PM2.5质量浓度值：PM2.5=τασ*HBLRBL---(10)其中σ*的质量消光系数，取4.75m2g?1作为首输入值，代入RBL和HBL的值，获取PM2.5质量浓度值。FDA0000224330531.jpg,FDA0000224330532.jpg,FDA0000224330533.jpg,FDA0000224330534.jpg,FDA0000224330536.jpg,FDA0000224330537.jpg,FDA0000224330538.jpg...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：陈臻懿，刘文清，张天舒，范广强，束小文，
申请(专利权)人：中国科学院安徽光学精密机械研究所，
类型：发明
国别省市：
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