[发明专利]利用激光雷达比和退偏比反演气溶胶组分的方法

说明书

本发明公开了一种利用激光雷达比和退偏比反演气溶胶组分的方法，包括：S1，根据退偏比区分出沙尘、球形气溶胶以及沙尘与球形气溶胶的混合物；S2，计算所述沙尘与球形气溶胶的混合物中的沙尘的混合比；S3，根据激光雷达比区分出球形气溶胶中的烟灰与水溶性气溶胶。本发明只需要通过一带偏振通道的波长即可实现对气溶胶组分的鉴定，检测成本低，精确度高。

技术领域

本发明涉及大气环境监测技术领域，特别涉及一种利用激光雷达比和退偏比反演气溶胶组分的方法。

背景技术

激光雷达比(S)为消光系数与后向散射系数之比，计算公式为：S_i＝σ_i/β_i (1)其中i表示不同的气溶胶组分；σ_i代表不同组分的消光系数；β_i代表不同组分的后向散射系数。它是气溶胶组分得以区分的一个重要参数。对于不同类型的气溶胶，其激光雷达比有很大差异。以往研究结果表明，来自亚洲或撒哈拉沙漠沙尘粒子的激光雷达比值约为50sr(Burton et al.，2012；Murayama et al.，2004)。纯沙尘粒子激光雷达比的变化主要归因于源区的差异。对于吸收性气溶胶较强的气溶胶粒子，如黑碳(BC)，观测到的激光雷达比值往往较大，集中于70～80sr(Burton et al.，2012；Mueller et al.，2007)。在区域认为排放导致的污染情况下，霾粒子的激光雷达比通常集中在45～60sr(Mueller et al.，2007；Tesche et al.，2007；Xie et al.，2008)。此数值与沙尘粒子的激光雷达比值较为接近，因此若想将沙尘与水溶性气溶胶粒子准确分离，仍需要借助其他激光雷达参数。

退偏比(δ)是激光雷达信号的垂直偏振分量与水平偏振分量之比，计算公式为：δ＝P_r/P_l(2)其中P_r和P_l分别为信号的垂直分量和水平分量。在NIES米散激光雷达系统中，532nm信号处有一45°偏振方向的偏振片，可将水平和垂直信号进行分离。退偏比是能直接反映气溶胶粒子形状的参数。退偏比越大，说明粒子形状越不规则。根据Sakai et al.(2010)等人的实验室研究结果，以粗模态为主的沙尘粒子在532nm信号处的退偏比为0.39±0.04。这与外场探测到的沙尘粒子特性一致，来自亚洲或撒哈拉沙漠的沙尘粒子退偏比约为0.3～0.35(Burton et al.，2012；Groβ et al.，2011；Xie et al.，2008)。而城市气溶胶和生物质燃烧产生的吸收性气溶胶尺寸较小，退偏比也较小，通常小于0.1～0.2(Burtonet al.，2012；Mamouri and Ansmann，2014；Sakai et al.，2010；Xie et al.，2008)。因此当退偏比处于0.2～0.35之间时，我们认为这是沙尘和其他物种的混合物。

Mie散射理论是针对均匀球形粒子的散射问题所提出的，它是由麦克斯韦方程组推导出来的均质球形粒子在电磁场中对平面波散射的精确解。一般把粒子直径与入射光波长相当的微粒子所造成的散射称为米散射。当给定不同气溶胶类型的粒径谱分布、复折射指数时，可根据Mie散射理论计算出不同气溶胶组分的消光系数、后向散射系数，从而得到不同类型气溶胶的激光雷达比值。

对于单个的球形粒子，其后向散射效率因子Q_b、消光效率因子Q_e都由米散射理论给出了表达式：

其中r为粒子半径，λ为激光波长；a_n、b_n为复系数，与粒子的半径和负折射指数有关。因此，只需给定粒子半径与复折射指数，即可计算出单个粒子的消光、后向散射效率因子。