[发明专利]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

说明书

技术领域

本发明涉气溶胶光学探测技术领域，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。

背景技术

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PM2.5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技术领域都已经成熟。因此如何从气溶胶光学特性获取气溶胶PM2.5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0~2 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。

发明内容

本发明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。

本发明采用的技术方案是：

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：

（1）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：

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。根据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