[发明专利]一种基于MIE散射方程观测算子的气溶胶资料同化方法

权利要求书

1.一种基于MIE散射方程观测算子的气溶胶资料同化方法，其特征是，步骤如下：

步骤1：获取气象场驱动数据和激光雷达消光系数资料，并利用大气化学模式(WRF-Chem)制作气溶胶质量浓度分布初始场文件；

步骤2：基于大气化学模式WRF-Chem中气溶胶方案MOSAIC的8种污染物种的粒径分布，8种污染物种分别为黑碳/元素碳(BC/EC)、有机碳(OC)、硫酸盐(SO4)、硝酸盐(NO3)、铵盐(NH4)、氯化物(CL)、钠盐(NA)和其它未分类无机物(OIN)，假设其粒径分布为体积对数双峰谱分布，并利用网格点湿度计算气溶胶物种湿粒径，建立各物种、湿粒径和消光效率因子Q_ext之间的查找表；

步骤3：利用MIE散射方程构建可直接同化气溶胶消光系数的同化算子；

由上式看出：消光系数Ext是各物种复折射指数m、消光效率、Q_ext粒子半径r和dr粒径范围内粒子数量之间的函数关系；

步骤4：依据三维变分理论和MIE散射方程，编写求解三维变分目标泛函的计算机程序，称为同化系统。

2.根据权利要求1所述一种基于MIE散射方程观测算子的气溶胶资料同化方法，其特征在于，步骤1中：为了减少激光雷达消光系数异常值对于同化效果的影响，对数据进行了背景噪声扣除、距离平方校正、信号去噪、几何因子校正、极值控制和剔除盲区数据。

3.根据权利要求1所述一种基于MIE散射方程观测算子的气溶胶资料同化方法，其特征在于，所述步骤2包括：

2.1)利用气溶胶初始场分布网格点气象数据计算该格点处湿度，并通过湿度和气溶胶物种粒径的湿增长查找表，查找得到气溶胶湿增长之后的粒径，之后利用该粒径查找各物种不同粒径对应下的消光效率系数；

吸湿增长能够让气溶胶颗粒物的体积增大，从而导致粒子数谱分布发生整体移动，改变气溶胶粒子的消光系数；气溶胶粒子吸湿增长后的气溶胶粒径与水汽饱和比的单参数-寇拉方程用下式表示：

式中：D_dry为干粒子直径，A为常量，σ为液-气之间表面张力，M_water为水的摩尔质量，R为普适气体常数，T表示温度，取常温，ρ_water为水的密度，表示湿度增长因子，D(RH)为随RH变化的湿粒子直径。

气溶胶粒子吸湿增长后的复折射指数由干气溶胶复折射指数和液态水的复折射指数体积加权平均计算得到：

式中：m_dry为干气溶胶复折射指数；m_water为液态水的复折射指数。D气溶胶粒子粒子直径；

2.2)查找表构建中RH(相对湿度)取值范围为0-100％(1％为间隔步长)，对应计算各气溶胶物种干粒径0.01-20μm(0.01μm间隔步长)的湿增长半径，区分BC和其余7种模式输出变量的复折射指数m，取值范围为1.3-1.9(0.01间隔步长)。

4.根据权利要求1所述一种基于MIE散射方程观测算子的气溶胶资料同化方法，其特征在于，所述步骤3包括：

3.1)基于大气化学模式(WRF-Chem)中气溶胶方案(MOSAIC)的8种污染物种，假设其各自粒径谱分布特征，微分各物种粒径并通过MIE散射方程计算各自消光系数。

假设污染物种粒子的尺度参数为x＝2πa/λ，复折射率为m＝m₁+i*m₂，则散射光垂直于散射面和平行于散射面的两个分量的振幅函数中的核心参数为：

消光效率Q_ext表示粒子消光截面与其几何截面之比，计算方程如下：

MIE散射消光系数Ext的计算为：

假设气溶胶体积谱分布为双峰型，各物种由细粒径(PM_2.5)和粗粒径(PM_2.5-10)两部分组成。气溶胶粒子的双峰体积谱分布用公式(7)描述：

式中：V₁、V₂、D_g1、D_g2、σ_g1、σ_g2分别为各气溶胶物种粗细粒径段总体积、几何平均粒径和几何标准偏差，D为干气溶胶粒子的粒径。