CN103175759A - 基于多种地基遥感技术获取城市气溶胶复折射指数的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于多种地基遥感技术获取城市气溶胶复折射指数的方法，首先利用拉曼激光雷达回波信号，经过算法反演后，获得气溶胶消光系数和散射消光比，并对一定路径的消光系数进行积分，获得该路径上的气溶胶光学厚度；根据蒙特卡罗原则，利用太阳光度计所获的大气整层气溶胶光学厚度与激光雷达获取的气溶胶光学厚度进行迭代比对，不断修正消光系数和散射消光比；然后通过粒谱仪获取气溶胶粒谱分布；最后利用已知气溶胶散射消光比和气溶胶粒谱分布，根据米散射模型，获得城市气溶胶复折射指数。本发明利用拉曼激光雷达、太阳光度计和粒谱仪获取的城市气溶胶复折射指数，具有误差小，鉴别力高、普适性强的优点。

Description

基于多种地基遥感技术获取城市气溶胶复折射指数的方法

技术领域

本发明涉气溶胶光学探测技术领域，尤其是一种基于多种地基遥感技术（拉曼激光雷达、太阳光度计、粒谱仪）获取城市气溶胶复折射指数的方法。

背景技术

城市环境是大城市经济社会可持续发展的重要因素，对城市上空的大气环境质量的监测与分析关着城市人民的生活健康。大气气溶胶虽然含量很少，但对气候变化有重要的直接和间接的影响，是城市气候变化模拟和环境遥感监测中的重要因子。大气气溶胶复折射指数是表现气溶胶光学特性的重要参数，由气溶胶的化学成分、粒谱分布等决定，是地物遥感大气订正及气溶胶气候效应研究方面的重要指标。大气气溶胶粒子的复折射指数由实部和虚部两部分构成，表达为m=n_r-n_ii。其中折射率实部主要与光散射有关，而折射率虚部主要与光吸收有关，是大气气溶胶在辐射和气候效应中的作用是加热还是冷却的决定因子。因此，探索测量气溶胶粒子复折射对理解气溶胶对大气的辐射影响具有重要的意义。目前复折射指数的测量方法主要有干气溶胶化学组成摩尔分数核算法，滤膜取样方法，单颗粒分析法等，但这几种方法误差较大；光声方法测量灵敏度高，但对设备和技术的要求较高，操作复杂。拉曼激光雷达可以摆脱传统激光雷达需要假设散射消光比的束缚，不仅能较好的反演气溶胶的空间分布，还能同时获取气溶胶消光系数，散射系数以及准确的散射消光比，具有快速、高效、连续的特点；太阳光度计可以测量出大气整层气溶胶的光学厚度，并用以校正雷达测量结果，提高雷达反演结果精确度；粒谱仪可以提供气溶胶在一定粒径范围内的粒谱分布，这是米散射模型计算所需要的又一重要的计算参数。上述三种遥感技术在大气气溶胶探测领域均运用广泛，反演技术也较为成熟。因此，如何有效分析这几种地基遥感仪器测量结果之间的协同性，综合利用地基遥感测量数据，并结合米散射模型理论，有效获取城市气溶胶光学特性，尤其是气溶胶复折射指数一直是大气探测分析领域的研究重点。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于多种地基遥感探测技术获取城市气溶胶复折射指数的方法，以解决传统方法的误差大、操作复杂，不能较好地获得所需信息的问题。

本发明采用的技术方案是：

本发明的目的是提供一种基于多种地基遥感探测技术（拉曼激光雷达、太阳光度计和粒谱仪）获取城市气溶胶复折射指数，其特征在于：首先利用拉曼激光雷达回波信号经过算法反演后，获得气溶胶消光系数和散射消光比，并对一定路径的消光系数进行积分，获得该路径上的气溶胶光学厚度；根据蒙特卡罗原则，利用太阳光度计所获的大气整层气溶胶光学厚度与激光雷达获取的气溶胶光学厚度进行迭代比对，不断修正消光系数和散射消光比；然后通过粒谱仪获取气溶胶粒谱；利用气溶胶消光散射比和气溶胶粒谱分布，根据米散射模型，获得基于米散射模型的气溶胶消光系数和散射消光比，将计算获得的结果与实际测量结果进行比对，最后获得城市气溶胶实际复折射指数，具体算法步骤为：

（1）单波长氮拉曼散射激光雷达的回波方程以表示为：

$P_{{\mathrm{\λ}}_R}\left(z\right)=K_{{\mathrm{\λ}}_R}O\left(z\right)N_R\left(z\right)z^{-2}{N}_R\left(z\right)\frac{{\mathrm{d\σ}}_{{\mathrm{\λ}}_R}\left(\mathrm{\π}\right)}{\mathrm{d\Ω}}\exp \{-\underset{0}{\overset{z}{\∫}}[{\mathrm{\α}}_{{\mathrm{\λ}}_0}^{\mathrm{mol}}\left(\mathrm{\ζ}\right)+{\mathrm{\α}}_{{\mathrm{\λ}}_0}^{\mathrm{aer}}\left(\mathrm{\ζ}\right)+{\mathrm{\α}}_{{\mathrm{\λ}}_R}^{\mathrm{mol}}\left(\mathrm{\ζ}\right)+{\mathrm{\α}}_{{\mathrm{\λ}}_R}^{\mathrm{aer}}\left(\mathrm{\ζ}\right)\left]\mathrm{d\ζ}\right\}---\left(1\right)$

其中，为拉曼激光雷达所接收的距离z处波长λ_R的氮气拉曼后向散射信号，

为拉曼激光雷达***常数，O(z)为几何重叠因子函数，N_R(z)为大气中氮气数密度，是距离独立的氮气分子拉曼后向散射微分截面；λ₀为激光发射波长，

 和

为高度z处激光发射波长的大气分子和气溶胶的消光系数，上标mol和aer分别表示气溶胶和大气分子的消光系数；

和

分别为高度z处大气分子和气溶胶的消光系数；

（2）利用Ansmann法进行基于拉曼激光雷达的气溶胶消光系数反演，获取高度Z处的消光系数

和散射系数

:

（3）利用公式

          （2）

获取气溶胶散射消光比BER；

（4）利用公式

                （3）  获取大气整层气溶胶光学厚度τ_lidar；

（5）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                 （4）

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；

（6）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（4）可写成：

V=V₀R^-2exp(-mτ)T_g（5）

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；

（7）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（6）

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；

（8）利用蒙特卡罗方法，将激光雷达获取的光学厚度τ_lidar与太阳光度计获得的光学厚度τ_α进行迭代比对，当满足条件|τ_lidar-τ_α|＜^-4时，输出气溶胶散射消光值BER；如果不满足，则将算出的BER值作为拉曼雷达方程的新输入，开始又一次迭代，直至条件满足；

（9）如此进行迭代计算，直至最后搜索出满足条件的所有BER值；

（10）利用粒谱仪获得气溶胶粒谱分布；

（11）选择波段355nm，假设一定的折射率，利用获得的粒谱数据，通过Mie模型计算出消光系数α_cal和散射消光比BER_cal；

（12）将计算出来的α_cal、BER_cal和雷达测量获得的

和BER结果进行对比，如果在一定的误差范围内相近或相同，则计算中假设的折射率就是气溶胶的实际复折射指数。

本发明的优点是：

本发明综合利用拉曼激光雷达、太阳光度计和粒谱仪这三种地基仪器，分别获取气溶胶消光系数值、散射消光值、散射消光比BER、光学厚度值和气溶胶粒径分布，将这些气溶胶基本光学参数结合米散射模型，进行迭代比对，最终获取了城市气溶胶的复折射指数（包括实部和虚部），具有误差小，鉴别力高、普适性强的优点。

附图说明

图1为激光雷达探测气溶胶消光系数、散射系数和BER廓线图。

图2为太阳光度计所测气溶胶光学厚度τ_α值的曲线图。

图3为粒谱仪获得的气溶胶粒谱分布图。

图4（a）为本方法获取的气溶胶复折射指数的实部的示意图。

图4（b）为本方法获取的气溶胶复折射指数的虚部的示意图。

图5为算法流程图。

具体实施方式

一种基于拉曼激光雷达、太阳光度计和粒谱仪获取城市气溶胶复折射指数的方法，实施过程主要分为三大部分：第一部分从拉曼激光雷达获得气溶胶消光系数、散射系数、散射消光比和光学厚度值；第二部分从太阳光度计获得气溶胶光学厚度值；第三部分从粒谱仪获得气溶胶粒谱分布；第四部分利用米散射模型，反演城市气溶胶复折射指数值。

第一部分：从拉曼激光雷达获取气溶胶消光系数、散射消光比BER和太阳气溶胶光学厚度：

步骤1：列出单波长氮拉曼散射激光雷达的回波方程：

$P_{{\mathrm{\λ}}_R}\left(z\right)=K_{{\mathrm{\λ}}_R}O\left(z\right)N_R\left(z\right)z^{-2}{N}_R\left(z\right)\frac{{\mathrm{d\σ}}_{{\mathrm{\λ}}_R}\left(\mathrm{\π}\right)}{\mathrm{d\Ω}}\exp \{-\underset{0}{\overset{z}{\∫}}[{\mathrm{\α}}_{{\mathrm{\λ}}_0}^{\mathrm{mol}}\left(\mathrm{\ζ}\right)+{\mathrm{\α}}_{{\mathrm{\λ}}_0}^{\mathrm{aer}}\left(\mathrm{\ζ}\right)+{\mathrm{\α}}_{{\mathrm{\λ}}_R}^{\mathrm{mol}}\left(\mathrm{\ζ}\right)+{\mathrm{\α}}_{{\mathrm{\λ}}_R}^{\mathrm{aer}}\left(\mathrm{\ζ}\right)\left]\mathrm{d\ζ}\right\}---\left(1\right)$

其中，

为拉曼激光雷达所接收的距离z处波长λ_R的氮气拉曼后向散射信号，

为拉曼激光雷达***常数，O(z)为几何重叠因子函数，N_R(z)为大气中氮气数密度，

是距离独立的氮气分子拉曼后向散射微分截面；λ₀为激光发射波长，

 和

为高度z处激光发射波长的大气分子和气溶胶的消光系数，上标mol和aer分别表示气溶胶和大气分子的消光系数；

和分别为高度z处大气分子和气溶胶的消光系数；

步骤2：获取气溶消光系数和散射系数

利用Ansmann法进行基于拉曼激光雷达的气溶胶消光系数反演，获取高度Z处的消光系数

和散射系数

；

步骤3：获取气溶胶散射消光比BER，见图1：

       （2）

步骤4： 获取基于激光雷达的气溶胶光学厚度：

  （3）

第二部分：从太阳光度计获得气溶胶光学厚度：

步骤5：根据Bouguer 定律，利用太阳光度计测得的直射太阳辐射E（W/m2）在特定波长上为：

E=E₀R^-2exp(-mτ)T_g               （4）

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。

步骤6：获取大气光学厚度τ：

若仪器输出电压V 与E 成正比，则公式（4）可写成：

V=V₀R^-2exp(-mτ)T_g（5）

其中V₀是定标常数，是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；

步骤7：获取气溶胶光学厚度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             （6）

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，见图2。

步骤8：利用蒙特卡罗方法，将激光雷达获取的光学厚度τ_lidar与太阳光度计获得的光学厚度τ_α进行迭代比对，当满足条件|τ_lidar-τ_α|＜^-4时，输出气溶胶散射消光值BER；如果不满足，则将算出的BER值作为拉曼雷达方程的新输入，开始又一次迭代，直至条件满足；

步骤9：如此进行迭代计算，直至最后搜索出满足上述条件的所有BER值；

第三部分：利用粒谱仪获得气溶胶粒谱分布

步骤10：利用空气动力学原理，获取气溶胶粒子谱分布，见图3；

第四部分：利用上述反演结果，结合米模型，获取城市气溶胶复折射指数

步骤11：选择波段355nm，假设一定的折射率，利用获得的粒谱数据，通过Mie模型计算出消光系数α_cal和散射消光比BER_cal；

步骤12：将计算出来的α_cal、BER_cal和雷达测量获得的

和BER结果进行对比，如果在一定的误差范围内相近或相同，则计算中假设的折射率就是气溶胶的实际复折射指数，见图4。

整个算法流程见图5。

Claims (1)

1.一种基于多种地基遥感技术获取城市气溶胶复折射指数的方法，其特征在于：首先利用拉曼激光雷达回波信号，经过算法反演后获得气溶胶消光系数和散射消光比，并对一定路径的消光系数进行积分，获得该路径上的气溶胶光学厚度；然后根据蒙特卡罗原则，利用太阳光度计所获的大气整层气溶胶光学厚度与激光雷达获取的气溶胶光学厚度进行迭代比对，不断修正消光系数和散射消光比；通过粒谱仪获取气溶胶粒谱分布，最后利用已知气溶胶散射消光比和气溶胶粒谱分布，根据米散射模型，获得城市气溶胶复折射指数，具体算法步骤为：

（1）单波长氮拉曼散射激光雷达的回波方程以表示为：

$P_{{\mathrm{\λ}}_R}\left(z\right)=K_{{\mathrm{\λ}}_R}O\left(z\right)N_R\left(z\right)z^{-2}{N}_R\left(z\right)\frac{{\mathrm{d\σ}}_{{\mathrm{\λ}}_R}\left(\mathrm{\π}\right)}{\mathrm{d\Ω}}\exp \{-\underset{0}{\overset{z}{\∫}}[{\mathrm{\α}}_{{\mathrm{\λ}}_0}^{\mathrm{mol}}\left(\mathrm{\ζ}\right)+{\mathrm{\α}}_{{\mathrm{\λ}}_0}^{\mathrm{aer}}\left(\mathrm{\ζ}\right)+{\mathrm{\α}}_{{\mathrm{\λ}}_R}^{\mathrm{mol}}\left(\mathrm{\ζ}\right)+{\mathrm{\α}}_{{\mathrm{\λ}}_R}^{\mathrm{aer}}\left(\mathrm{\ζ}\right)\left]\mathrm{d\ζ}\right\}---\left(1\right)$

其中，

为拉曼激光雷达所接收的距离z处波长λ_R的氮气拉曼后向散射信号，

为拉曼激光雷达***常数，O(z)为几何重叠因子函数，N_R(z)为大气中氮气数密度，

是距离独立的氮气分子拉曼后向散射微分截面；λ₀为激光发射波长，

 和

为高度z处激光发射波长的大气分子和气溶胶的消光系数，上标mol和aer分别表示气溶胶和大气分子的消光系数；和

分别为高度z处大气分子和气溶胶的消光系数；

（2）利用Ansmann法进行基于拉曼激光雷达的气溶胶消光系数反演，获取高度Z处的消光系数和散射系数

；

（3）利用公式

（2）

获取气溶胶散射消光比BER；

（4）利用公式

                （3）  获取大气整层气溶胶光学厚度τ_lidar；

（5）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=R^-2exp(-mτ)T_g（4）

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；

（6）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（4）可写成：

V=V₀R^-2exp(-mτ)T_g（5）

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；

（7）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        （6）

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；

（8）利用蒙特卡罗方法，将激光雷达获取的光学厚度τ_lidar与太阳光度计获得的光学厚度τ_α进行迭代比对，当满足条件|τ_lidar-τ_α|＜^-4时，输出气溶胶散射消光值BER；如果不满足，则将算出的BER值作为拉曼雷达方程的新输入，开始又一次迭代，直至条件满足；

（9） 如此进行迭代计算，直至最后搜索出满足条件的所有BER值；

（10）利用粒谱仪获得气溶胶粒谱分布；

（11）选择波段355nm，假设一定的折射率，利用获得的粒谱数据，通过Mie模型计算出消光系数α_cal和散射消光比BER_cal；

（12）将计算出来的α_cal、BER_cal和雷达测量获得的

和BER结果进行对比，如果在一定的误差范围内相近或相同，则计算中假设的折射率就是气溶胶的实际复折射指数。

Images