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

摘要

本发明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。

主权项

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辐射E（W/m2）在特定波长上表示为：E=E₀R^-2exp(-mτ)T_g                                       （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，T_g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)T_g                                       （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τ_α：大气总的消光光学厚度τ由分子散射τ_r、气溶胶散射τ_α和气体吸收消光τ_g三部分组成：τ=τ_r+τ_α+τ_g                                              （3）其中分子散射光学厚度τ_r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，τ_g可以忽略，那么从总的光学厚度减去分子散射光学厚度τ_r，可获得气溶胶的光学厚度τ_α；（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)=P_tCη(Z)Z^-2[β_α(Z)+β_m(Z)]T_a²(Z)T_m²(Z)；                      （4）式中P(Z)为激光雷达回波功率，P_t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，A_r是接收单元的有效孔径，β_a(Z)和 β_m(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，α_a(Z’,λ) 和α_m(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=P_tCη(Z)[β_α(Z)+β_m(Z)]T_a²(Z)T_m²(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α_α(z₁,λ)；（8）利用获取大气整层气溶胶光学厚度τ_lidar；（9）用理想曲线方程拟合雷达回波信号获取边界层高度H_BL：$B\left(Z\right)=\frac{B_m+B_u}{2}-\frac{B_m-B_u}{2}\mathrm{erf}\left(\frac{Z-H_{\mathrm{BL}}}{s}\right)---\left(7\right)$其中B_m是边界层后向散射系数平均值，B_u是边界层上空后向散射系数平均值，Z是高度，H_BL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H_BL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R_BL：（9）（12）获取Z₁高度处的PM2.5质量浓度值：$\mathrm{PM}2.5=\frac{{\tau }_{\alpha }}{\sigma *H_{\mathrm{BL}}}{R}_{\mathrm{BL}}---\left(10\right)$其中σ^*的质量消光系数，取4.75m²g^-1作为首输入值，代入R_BL和H_BL的值，获取PM2.5质量浓度值。