CN106291590A - 基于激光雷达测量数据计算整层大气气溶胶光学厚度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用激光雷达的量数据计算整层气溶胶光学厚度的计算方法，可有效解决白天多云情况和夜晚气溶胶光学参数无法获得的难题。一般利用激光雷达计算气溶胶光学厚度的方法是对消光系数积分得到的，但激光雷达的探测高度有限，特别是微脉冲激光雷达，一般白天探测3‑5公里的高度，夜晚探测5‑10公里的高度，远小于整层大气的高度。为了解决该问题，本发明提出了一种基于激光雷达垂直与水平测量数据计算整层大气气溶胶光学厚度的方法。激光雷达水平测量出近地面气溶胶消光系数，垂直测量数据计算出气溶胶标高，然后解算出整层大气气溶胶光学厚度。该方法为白天多云天气条件下与夜晚探测整层大气气溶胶光学厚度提供了新的技术手段。

Description

基于激光雷达测量数据计算整层大气气溶胶光学厚度的方法

技术领域

本发明涉及激光雷达大气探测，属于大气光学领域，具体是一种基于激光雷达测量数据计算整层大气气溶胶光学厚度的方法。

技术背景

大气气溶胶光学厚度(AOD)是表征大气浑浊度和气溶胶含量的一个重要物理量。目前，整层大气气溶胶光学参数主要是在晴朗无云的天气条件下利用太阳光度计测量，作为测量大气光学厚度精度最高的工具得到了广泛的应用，但其无法获得太阳被云遮挡时刻、夜间以及特定高度处气溶胶光学参数。

激光雷达作为一种主动遥感工具已有几十年的历史，随着激光雷达技术的发展，已经成为目前对大气、海洋和陆地进行高精度遥感探测的有效手段，广泛用于激光大气传输、全球气候监测、气溶胶辐射效应及大气环境等研究领域。激光雷达可探测气溶胶的垂直分布，打破了以太阳为光源的被动遥感只能探测整层气溶胶特性的局限。激光雷达以其高垂直空间分辨率，高时间分辨率，时间上的连续监测和测量精度等方面的优势在大气气溶胶监测中有重要作用，是其它探测手段不可比拟的。

一般计算大气气溶胶光学厚度是通过测量大气后向米散射信号反演得到气溶胶消光系数的高度分布，再通过对气溶胶消光系数的积分得到气溶胶的光学厚度，但激光雷达的探测高度有限，特别是微脉冲激光雷达，一般白天可以探测3-5公里的高度，夜晚可以探测5-10公里的高度，远远小于整层大气的高度。

鉴于上述原因本发明提出了一种利用激光雷达测量数据计算整层大气气溶胶光学厚度的新方法，即利用气溶胶垂直消光系数廓线计算出气溶胶标高，再结合地面消光系数计算整层大气气溶胶光学厚度。

发明内容

本发明提供了一种利用激光雷达水平和垂直观测数据反演得到的整层大气气溶胶光学厚度的新方法。针对激光雷达测量得到的数据，根据Fernald方法反演得到消光系数垂直廓线进而得到标高，再结合斜率法反演得到近地面消光系数计算得到气溶胶光学厚度。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种基于激光雷达测量数据计算整层大气气溶胶光学厚度的方法，其特征在于，由激光雷达分别垂直和水平测量大气气溶胶，激光雷达垂直和水平方向测量时间一致，根据探测到的数据进行反演得到大气气溶胶垂直消光系数廓线和大气气溶胶近地面消光系数。将大气气溶胶垂直消光系数廓线按高度分成指数衰减型、均匀型、近地面高值型和边界层高值型四种类型，并根据这四种类型大气气溶胶垂直消光系数廓线计算得到气溶胶标高，将气溶胶标高结合大气气溶胶近地面消光系数计算整层大气气溶胶光学厚度，具体包括如下步骤：

(1)基于激光雷达测量数据获取大气气溶胶近地面消光系数：

基于激光雷达分别垂直和水平方向测量时的回波光子数，利用Fernald方法反演激光雷达的回波数据，得到大气气溶胶消光系数的高度分布廓线，利用斜率法反演得到近地面气溶胶的消光系数；

(2)大气气溶胶标高的反演：

假设大气气溶胶浓度随高度指数衰减时，且气溶胶消光截面不随高度发生变化的情况下，可以得到：

σ_a(z,λ)≈σ_a(0,λ)exp(-z/H_a) (1)

将(1)式对高度积分可得气溶胶光学厚度的计算公式，

τ_a(λ)≈σ_a(0,λ)H_a (2)

其中：σ_a(z,λ)为高度z处波长为λ时的气溶胶消光系数，σ_a(0,λ)为波长为λ时近地面的消光系数，τ_a(λ)是波长为λ时整层大气气溶胶光学厚度，H_a是大气气溶胶标高。

一般来讲将步骤(1)中得到的气溶胶消光廓线按照(1)式进行指数拟合，可以得到气溶胶标高，但是通过对气溶胶消光廓线的统计分析得到，在晴朗无云天气条件下，并不是所有的气溶胶消光廓线都随高度指数衰减，因此本发明将气溶胶垂直廓线分为指数衰减型、均匀型、近地面高值型和边界层高值型四种类型4种类型，进行分段拟合得到气溶胶标高；

(3)大气气溶胶光学厚度的反演：

将步骤(2)拟合得到的气溶胶标高和步骤(1)反演得到的近地面消光系数带入(2)式的气溶胶光学厚度的计算公式，计算得到大气气溶胶光学厚度：

τ_a(λ)＝σ_a(0,λ)H_a。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明提供了一种利用激光雷达测量数据计算整层大气气溶胶光学厚度的新方法，利用气溶胶标高和近地面消光系数计算得到光学厚度，避免了因激光雷达有效探测高度远小于整层大气高度，直接对气溶胶消光系数积分带来的误差。

本发明提供了一种利用激光雷达测量数据计算整层大气气溶胶光学厚度的新方法，将标高分为四种类型，对不同时刻气溶胶消光系数廓线按照不同的类型进行分段拟合计算得到气溶胶标高，避免了将气溶胶标高在长时间内看成常数带来的误差。

本发明原理：使用激光雷达测量得到的回波光子数根据Fernald方法和斜率法反演得到气溶胶垂直消光廓线和近地面气溶胶的消光系数。在假设气溶胶浓度随高度指数衰减且气溶胶消光截面不随高度发生变化的情况下，利用激光雷达的消光系数廓线拟合得到气溶胶标高，结合近地面消光系数计算得到整层大气气溶胶光学厚度。

附图说明

图1为气溶胶标高随时间的变化图；

图2为气溶胶光学厚度随时间的变化图。

具体实施方式

以下结合具体实施例，对本发明进行详细说明。

一种基于激光雷达测量数据计算整层大气气溶胶光学厚度的方法，其特征在于，由激光雷达分别垂直和水平测量大气气溶胶，激光雷达垂直和水平方向测量时间一致，根据探测到的数据进行反演得到大气气溶胶垂直消光系数廓线和大气气溶胶近地面消光系数，将大气气溶胶垂直消光系数廓线分成指数衰减型、均匀型、近地面高值型和边界层高值型四种类型，并根据这四种类型大气气溶胶垂直消光系数廓线计算得到气溶胶标高，将气溶胶标高结合大气气溶胶近地面消光系数计算整层大气气溶胶光学厚度，具体包括如下步骤：

(1)基于激光雷达测量数据获取大气气溶胶消光系数：

气溶胶消光系数的反演一般都是建立在求解激光雷达方程的基础之上，比较成功地算法有Collis的斜率算法、Klett法和Fernald法。米散射激光雷达探测气溶胶的原理是通过雷达发射机向大气中发射脉冲激光束，再由望远镜接收由大气中分子、粒子产生的后向散射光，通过激光雷达方程求解出气溶胶消光系数等参数。激光雷达方程可表示为

P(z)＝Cz^-2β(z)T²(z)

其中P(Z)是在距离Z处的雷达的回波强度，C是雷达***常数，包括雷达发射强度、接收***的衰减、几何校正等。β(z)表示大气的后向散射系数，表示大气的透过率，σ(z)是大气的消光系数。

本发明水平方向消光系数是由斜率法反演得到的，具体步骤为先对激光雷达方程两边同时取对数得到

$Ln\left(P\right(z\left)z^2\right)=Ln\[C\mathrm{\β}\left(z\right)\]-2{\∫}_0^z\mathrm{\σ}\left(z\right)dz$

假设大气均匀，则全程的β(z)和σ(z)不随Z变化，则上式可表示为

Ln[P(z)z²]＝Ln(Cβ)-2σz

该式是一个直线方程，以距离校正信号的对数为纵坐标，距离Z为横坐标，用作图法或最小二乘法，可获得一直线，其直线斜率的-1/2就是σ值，由此可得水平消光系数。

对于气溶胶垂直消光廓线利用Fernald方法反演。气溶胶垂直消光系数的后向积分方程可表示为

${\mathrm{\σ}}_1\left(z\right)=\frac{X\left(z\right)\exp \[2(\frac{S_1}{S_2}-1){\∫}_z^{z_c}{\mathrm{\σ}}_2\left(z\right)dz\]}{\frac{X\left(z_c\right)}{{\mathrm{\σ}}_1\left(z_c\right)+\frac{S_1}{S_2}{\mathrm{\σ}}_2\left(z_c\right)}+2{\∫}_z^{z_c}X\left(z\right)\exp \[(\frac{S_1}{S_2}-1){\∫}_Z^{Z_C}{\mathrm{\σ}}_2\left(z^{\′}\right){\mathrm{dz}}^{\′}\]}$

其中，X(z)＝P(z)z²，为经过距离校正的回波强度，σ₁(z)，σ₂(z)分别表示气溶胶和大气分子在高度z处的消光系数，β₁(z)，β₂(z)分别表示气溶胶和大气分子在高度z处的后向散射系数，Z_C为标定高度，σ₁(z_c)，σ₂(z_c)分别为标定高度处的气溶胶和大气分子的消光系数，S₁＝σ₁(z) β₁(z)，分别为气溶胶和大气分子的消光散射比，由上式可知只要β₁(z_c)，z_C，S₁和S₂已知，就可以由Fernald后向算法逐步迭代求解得到气溶胶的后向散射系数和消光系数。标定高度一般以标准大气分子后向散射系数或消光系数为标准，通常会引入散射比，即取散射比R为1.01，这样可以通过标准大气分子的后向散射系数计算得到气溶胶的后向散射系数β₁(z_c)。对于气溶胶消光散射比S₁取为50，标定高度在白天取3-5km，夜晚取8-10km。

(2)大气气溶胶标高的反演：

假设大气气溶胶浓度随高度指数衰减时，且气溶胶消光截面不随高度发生变化的情况下，可以得到：

σ_a(z,λ)≈σ_a(0,λ)exp(-z/H_a) (1)

将(1)式对高度积分可得气溶胶光学厚度的计算公式，

τ_a(λ)≈σ_a(0,λ)H_a (2)

其中：σ_a(z,λ)为高度z处波长为λ时的气溶胶消光系数，σ_a(0,λ)为波长为λ时近地面的消光系数，τ_a(λ)是波长为λ时整层大气气溶胶光学厚度，H_a是大气气溶胶标高。

一般来讲将步骤(1)中得到的气溶胶消光廓线按照(1)式进行指数拟合，可以得到气溶胶标高，但是通过对气溶胶消光廓线的统计分析得到，在晴朗无云天气条件下，并不是所有的气溶胶消光廓线都随高度指数衰减，因此本发明将气溶胶垂直廓线分为指数衰减型、均匀型、近地面高值型和边界层高值型4种类型，进行分段拟合得到气溶胶标高；具体过程如下：

①指数衰减型：气溶胶随高度指数衰减，即σ_a(z,λ)≈σ_a(0,λ)exp(-z/H_a)，其中H_a就是标高。

②均匀型：在高度H₁以下气溶胶均匀分布，以上随指数衰减，即

因此标高H_a＝H'_a+H₁。

③近地面高值型：在高度H₁以上随高度指数衰减，以下消光系数值较大，并不服从指数衰减的形式，对于该种情况，我们可将气溶胶消光系数的变化曲线简单表示为

④边界层高值型：在该高度H₁之上H₂-H₁的厚度内有气溶胶层，该厚度的其它区域近似指数衰减，我们可将这种情况简单表示为

(3)大气气溶胶光学厚度的反演：

将步骤(2)拟合得到的气溶胶标高和步骤(1)反演得到的近地面消光系数带入(2)式的气溶胶光学厚度的计算公式，计算得到大气气溶胶光学厚度：

τ_a(λ)＝σ_a(0,λ)H_a。

为了验证本发明的方法，利用太阳光度计数据与激光雷达反演得到的数据进行对比验证。反演结果如图2所示，图2中圆形为气溶胶光学厚度的实测数据，三角形为利用本发明方法进行反演给出的结果。

上述激光雷达的工作波长为532nm，太阳光度计无此波段数据，但是可通过下式得到，即

lnτ(λ)＝a₀+a₁lnλ+a₂ln²λ

根据太阳光度计提供的不同波段的有效AOD值曲线拟合得到a₀，a₁和a₂三个系数，再将532nm带入上式得到该波段的光学厚度。

从对比结果来看，采用本专利所述的方法能够得到与太阳光度计数据基本一致的结果。

当理解的是，对于本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于激光雷达测量数据计算整层大气气溶胶光学厚度的方法，其特征在于：由激光雷达分别垂直和水平测量大气气溶胶，根据探测到的数据进行反演得到大气气溶胶垂直消光系数廓线和大气气溶胶近地面消光系数，将大气气溶胶垂直消光系数廓线分成指数衰减型、均匀型、近地面高值型和边界层高值型四种类型，并根据这四种类型大气气溶胶垂直消光系数廓线计算得到气溶胶标高，将计算得到的气溶胶标高结合大气气溶胶近地面消光系数计算整层大气气溶胶光学厚度，具体包括如下步骤：

(1)基于激光雷达测量数据获取大气气溶胶近地面消光系数：

基于激光雷达分别垂直和水平方向测量时的回波光子数数据，利用Fernald方法反演激光雷达的回波数据，得到大气气溶胶消光系数的高度分布廓线，利用斜率法反演得到近地面气溶胶的消光系数；

(2)大气气溶胶标高的反演：

将测量得到的气溶胶垂直方向的消光系数廓线分成指数衰减型、均匀型、近地面高值型和边界层高值型四种类型，拟合得到大气气溶胶标高；

(3)大气气溶胶光学厚度的反演：

将步骤(2)拟合得到的气溶胶标高和步骤(1)反演得到的近地面消光系数带入下面的气溶胶光学厚度的计算公式，计算得到大气气溶胶光学厚度：

τ_a(λ)＝σ_a(0,λ)H_a

其中：τ_a(λ)为波长为λ时整层大气气溶胶光学厚度；

σ_a(0,λ)为波长为λ时大气气溶胶近地面消光系数；

H_a是大气气溶胶标高。

2.根据权利要求1所述的基于激光雷达测量数据计算整层大气气溶胶光学厚度的方法，其特征在于：激光雷达垂直和水平方向测量时间一致。

3.根据权利要求1所述的基于激光雷达测量数据计算整层大气气溶胶光学厚度的方法，其特征在于：所述的气溶胶光学厚度的计算公式是在假设气溶胶浓度随高度指数衰减且气溶胶消光截面不随高度发生变化的前提下成立的。

4.根据权利要求1所述的基于激光雷达测量数据计算整层大气气溶胶光学厚度的方法，其特征在于：所述的气溶胶光学厚度的计算公式不能用于火山爆发时段，火山爆发时火山灰冲入平流层，造成平流层气溶胶积累，该方法有较大的误差。