CN108445508B - 一种轻度雾霾时大气消光系数的波段转换方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种轻度雾霾时大气消光系数的波段转换方法及系统，其中方法包括以下步骤：采用激光雷达和太阳光度计分别进行气溶胶光学特性测量，获得激光雷达数据和太阳光度计数据；根据所述太阳光度计数据反演获得大气光学厚度，并采用消光法反演获得低层大气的气溶胶粒子谱分布，计算与激光雷达的发射激光波长相一致时的消光系数；根据所述激光雷达数据计算低层大气对应的消光系数；将根据太阳光度计数据计算的消光系数与根据激光雷达数据计算得到的消光系数比对，符合则基于低层大气气溶胶粒子谱分布计算各波长的消光系数，实现消光系数的波段转换。本发明结合激光雷达和太阳光度计的测量数据，实现消光系数的波段转换，通过数据对比减小了误差。

Description

一种轻度雾霾时大气消光系数的波段转换方法及系统
技术领域
本发明涉及大气光学技术领域，尤其涉及一种轻度雾霾时大气消光系数的波段转换方法及系统。
背景技术
雾霾是一种常见的天气现象，它是由于空气中含有的颗粒物、氮氧化物的总量超过正常水平，造成空气浑浊，能见度度降低。雾霾对大气的影响和它的气溶胶粒子分布具有直接关系。对于雾霾天气来说，不管是空气中的小粒子浓度还是大粒子浓度都比正常天气大的多。相比较雾天气，霾天气中的气溶胶小粒子大于雾天气中气溶胶小粒子浓度，而霾天气中气溶胶大粒子浓度远小于雾天气中气溶胶大粒子浓度。
雾霾天气时大气消光系数可采用设备进行测量，例如典型测量设备有激光雷达，它获取的激光后向散射可用来计算大气消光系数。但面临的问题是此时获取的大气消光系数与激光雷达的波长相关，并不能直接获取其它波段的大气消光系数。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术中获取的大气消光系数与激光雷达的波长相关的缺陷，提供一种轻度雾霾时大气消光系数的波段转换方法及系统。
为了解决上述技术问题，本发明第一方面，提供了一种轻度雾霾时大气消光系数的波段转换方法，该方法包括：
采用激光雷达和太阳光度计分别进行气溶胶光学特性测量，获得激光雷达数据和太阳光度计数据；
根据所述太阳光度计数据反演获得大气光学厚度，并采用消光法反演获得低层大气的气溶胶粒子谱分布，计算与激光雷达的发射激光波长相一致时的消光系数；
根据所述激光雷达数据计算低层大气对应的消光系数；
将根据太阳光度计数据计算的消光系数与根据激光雷达数据计算得到的消光系数比对，符合则基于低层大气的气溶胶粒子谱分布计算各波长的消光系数，实现消光系数的波段转换。
在根据本发明所述的轻度雾霾时大气消光系数的波段转换方法中，优选地，所述根据所述太阳光度计数据反演获得大气光学厚度的步骤具体为：基于均匀平行球面大气假定将大气分为两层，第一层为低层大气，第二层为上层大气，太阳光线通过第一层大气路径和第二层大气路径随太阳天顶角发生变化；采用多个太阳天顶角下的数据通过多元线性回归方法计算得到这两层的大气路径长度；基于所述大气路径长度分别计算获得低层大气和上层大气的光学厚度。
在根据本发明所述的轻度雾霾时大气消光系数的波段转换方法中，优选地，所述根据所述激光雷达数据计算低层大气对应的消光系数的步骤具体为：根据测量的激光雷达数据利用激光雷达数据反演软件获得不同探测距离处的消光系数；利用不同探测距离处的消光系数计算低层大气对应的消光系数。
在根据本发明所述的轻度雾霾时大气消光系数的波段转换方法中，优选地，所述采用消光法反演获得低层大气的气溶胶粒子谱分布的步骤具体为：将气溶胶假定为球体，采用米氏原理建立不同尺度的单粒子光学特性数据库；建立低层大气的光学厚度与气溶胶粒子谱分布的联系，反演获得低层大气的气溶胶粒子谱分布。
在根据本发明所述的轻度雾霾时大气消光系数的波段转换方法中，优选地，所述建立低层大气的光学厚度与气溶胶粒子谱分布的联系，反演获得低层大气的气溶胶粒子谱分布的步骤具体为：通过以下公式，建立光学厚度τ与气溶胶粒子谱分布n(r)之间的联系，采用Junge谱分布对气溶胶谱粒子分布进行描述，反演Junge谱分布参数：
Figure BDA0001565632330000031
Figure BDA0001565632330000032
其中，σ(λ)为消光系数，r为气溶胶粒子半径，λ为波长，Qe为消光效率因子，z为大气高度。
在根据本发明所述的轻度雾霾时大气消光系数的波段转换方法中，优选地，所述计算与激光雷达的发射激光波长相一致时的消光系数的步骤具体为：基于获得的Junge谱分布以及建立的单粒子光学特性数据库，根据消光系数计算公式，计算与激光雷达的发射激光波长相一致波长的消光系数。
在根据本发明所述的轻度雾霾时大气消光系数的波段转换方法中，优选地，所述基于低层大气气溶胶粒子谱分布计算各波长的消光系数的步骤具体为：基于Junge谱分布以及建立的单粒子光学特性数据库，根据消光系数计算公式，计算各波段的消光系数，实现消光系数的波段转换。
在根据本发明所述的轻度雾霾时大气消光系数的波段转换方法中，优选地，将根据太阳光度计数据计算的消光系数与根据激光雷达数据计算得到的消光系数比对，不符合则判定为无效数据。
本发明第二方面，提供了一种轻度雾霾时大气消光系数的波段转换系统，包括：
数据获取单元，用于获取采用激光雷达和太阳光度计进行气溶胶光学特性测量的激光雷达数据和太阳光度计数据；
第一数据处理单元，用于根据所述太阳光度计数据反演获得大气光学厚度，并采用消光法反演获得低层大气的气溶胶粒子谱分布，计算与激光雷达的发射激光波长相一致时的消光系数；
第二数据处理单元，用于根据所述激光雷达数据计算低层大气对应的消光系数；
波段转换单元，将根据太阳光度计数据计算的消光系数与根据激光雷达数据计算得到的消光系数比对，符合则基于低层大气的气溶胶粒子谱分布计算各波长的消光系数，实现消光系数的波段转换。
在根据本发明所述的轻度雾霾时大气消光系数的波段转换系统中，优选地，第一数据处理单元根据所述太阳光度计数据反演获得大气光学厚度的步骤具体为：基于均匀平行球面大气假定将大气分为两层，第一层为低层大气，第二层为上层大气，太阳光线通过第一层大气路径和第二层大气路径随太阳天顶角发生变化，采用多个太阳天顶角下的数据通过多元线性回归方法计算得到这两层的大气路径长度；基于所述大气路径长度分别计算获得低层大气和上层大气的光学厚度。
实施本发明的轻度雾霾时大气消光系数的波段转换方法及系统，具有以下有益效果：本发明结合激光雷达和太阳光度计的测量数据，通过对气溶胶粒子谱分布的反演，最终实现消光系数的波段转换，其中与激光雷达反演获得的消光系数进行对比，减小误差。
附图说明
图1为根据本发明第一实施例的轻度雾霾时大气消光系数的波段转换方法的流程图；
图2为根据本发明第二实施例的轻度雾霾时大气消光系数的波段转换方法的流程图；
图3为根据本发明优选实施例的轻度雾霾时大气消光系数的波段转换系统的模块框图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提出了一种轻度雾霾时大气消光系数的波段转换方法，该方法通过激光雷达和太阳光度计的测量数据实现除了激光雷达发射波长之外的其它波长处的大气消光计算。
请参阅图1，为根据本发明第一实施例的轻度雾霾时大气消光系数的波段转换方法的流程图。如图1所示，该实施例提供轻度雾霾时大气消光系数的波段转换方法包括以下步骤：
首先，在步骤S101中，执行数据获取步骤，在出现雾霾天气时，采用激光雷达和太阳光度计分别进行气溶胶光学特性测量，获得激光雷达数据和太阳光度计数据。
随后，在步骤S102中，执行第一数据处理步骤，根据所述太阳光度计数据反演获得大气光学厚度，并采用消光法反演获得低层大气的气溶胶粒子谱分布，计算与激光雷达的发射激光波长相一致时的消光系数。
随后，在步骤S103中，执行第二数据处理步骤，根据所述激光雷达数据计算低层大气对应的消光系数。
最后，在步骤S104中，将根据太阳光度计数据计算的消光系数与根据激光雷达数据计算得到的消光系数比对，符合则基于低层大气的气溶胶粒子谱分布计算各波长的消光系数，实现消光系数的波段转换。
请结合参阅图2，为根据本发明第二实施例的轻度雾霾时大气消光系数的波段转换方法的流程图。如图2所示，该第二实施例提供的轻度雾霾时大气消光系数的波段转换方法具体包括以下步骤：
首先，数据获取步骤包括步骤S201和步骤S207；这两个步骤可以任意先后执行或者同时执行。
在步骤S201中，采用太阳光度计进行气溶胶光学特性测量，获得太阳光度计数据；
在步骤S207中，采用激光雷达进行气溶胶光学特性测量，获得激光雷达数据；
随后，在步骤S202～S206中，执行第一数据处理步骤，根据所述太阳光度计数据反演获得大气光学厚度，并采用消光法反演获得低层大气的气溶胶粒子谱分布，计算与激光雷达的发射激光波长相一致时的消光系数；具体包括：
在步骤S202中，对大气进行分层：基于均匀平行球面大气假定将大气分为两层，第一层为低层大气，大气消光主要受气溶胶影响，第二层为上层大气，大气消光主要受分子影响。太阳光线通过第一层大气路径和第二层大气路径随太阳天顶角发生变化。
在步骤S203中，采用多个太阳天顶角下的数据通过多元线性回归方法计算得到这两层的大气路径长度。当确定低层大气和上层大气各自的大气路径长度之后，就可以划分低层大气和上层大气。低层大气的大气路径长度通常为5km左右，根据当天天气情况略有不同。
在步骤S204中，基于两层大气的大气路径长度，就可以分别计算获得低层大气和上层大气的光学厚度。由于基于气溶胶光学特性测量的太阳光度计数据获得的是整层大气的光学厚度，因此本发明中通过划分低层大气和上层大气之后可以获得其中低层大气的光学厚度供后续步骤使用。
在步骤S205中，采用消光法反演获得低层大气的气溶胶粒子谱分布；该步骤S205包括：
1)将气溶胶假定为球体，采用米氏(Mie)原理建立不同尺度的单粒子光学特性数据库；
2)建立步骤S204中获得的低层大气的光学厚度τ与气溶胶粒子谱分布n(r)的联系，反演出低层大气的气溶胶粒子谱分布。主要利用的公式为：
消光系数σ(λ)的计算公式如下所示：
Figure BDA0001565632330000061
其中，r为气溶胶粒子半径，λ为波长，Qe为消光效率因子，由前述步骤1)中建立的单粒子光学特性数据库确定；
光学厚度τ的计算公式如下所示：
Figure BDA0001565632330000071
其中，z为大气高度。
通过以上公式，建立光学厚度τ与气溶胶粒子谱分布n(r)之间的联系，
Figure BDA0001565632330000072
随后采用Junge谱分布对气溶胶粒子谱分布进行描述，反演Junge谱分布参数。
Junge谱分布又称负幂指数谱分布，公式如下所示：
Figure BDA0001565632330000073
式中，r是假定为球形的气溶胶粒子的半径，υ是Junge参数，A为依赖于气溶胶粒子浓度的常数。但是Junge谱模式只适用于模拟积聚模态粒子的分布。一般地，υ在2到4之间变化，υ≈2表征了很多的雾，3＜υ＜4则符合典型的霾现象。
将上述Junge谱分布的公式(4)代入公式(3)中，再利用步骤S204中获得的低层大气的光学厚度τ的数据，就可以反演出Junge参数，进而得到采用Junge谱分布描述的低层大气的气溶胶粒子谱分布。
在步骤S206中，计算与激光雷达的发射激光波长相一致时的消光系数σ1；该步骤S206中基于步骤S205获得的Junge谱分布以及建立的单粒子光学特性数据库，根据消光系数计算公式，计算与激光雷达的发射激光波长相一致波长的消光系数σ1。
在步骤S208中，执行第二数据处理步骤，根据所述激光雷达数据计算低层大气对应的消光系数，具体包括：根据测量的激光雷达数据利用激光雷达数据反演软件获得不同探测距离处的消光系数；随后利用不同探测距离处的消光系数计算低层大气对应的消光系数σ2。
在步骤S209～S212中，执行波段转换步骤，具体包括：
在步骤S209中，将根据太阳光度计数据计算的消光系数σ1与根据激光雷达数据计算得到的消光系数σ2比对，判断是否符合，即判断是否在预定误差范围内，是则转步骤S211，否则转步骤S210；
在步骤S210中，数据误差大，判定反演的气溶胶粒子谱分布为无效数据，不适用。
在步骤S211中，因为数据误差在预定误差范围内，判定反演的气溶胶粒子谱分布可信度较高，为有效粒子谱分布；
在步骤S212中，基于步骤S205获得的Junge谱分布以及建立的单粒子光学特性数据库，根据消光系数计算公式，计算各波段的消光系数，实现消光系数的波段转换。
请参阅图3，为根据本发明优选实施例的轻度雾霾时大气消光系数的波段转换系统的模块框图。如图3所示，该实施例提供的系统300包括：数据获取单元301、第一数据处理单元302、第二数据处理单元303和波段转换单元304。
其中，数据获取单元301用于获取采用激光雷达和太阳光度计进行气溶胶光学特性测量的激光雷达数据和太阳光度计数据。
第一数据处理单元302与数据获取单元301相连，用于根据所述太阳光度计数据反演获得大气光学厚度，并采用消光法反演获得低层大气的气溶胶粒子谱分布，计算与激光雷达的发射激光波长相一致时的消光系数。该第一数据处理单元302处理数据的过程与前述第一数据处理步骤一致，在此不再赘述。
第二数据处理单元303与数据获取单元301相连，用于根据所述激光雷达数据计算低层大气对应的消光系数。该第二数据处理单元303处理数据的过程与前述第二数据处理步骤一致，在此不再赘述。
波段转换单元304用于将根据太阳光度计数据计算的消光系数与根据激光雷达数据计算得到的消光系数比对，符合则基于低层大气的气溶胶粒子谱分布计算各波长的消光系数，实现消光系数的波段转换。该波段转换单元304与上述方法中波段转换步骤一致，在此不再赘述。
综上所述，本发明不仅利用雾霾天气的大气气溶胶测量数据，获得低层大气中气溶胶的谱分布；而且实现了消光系数的波段转换，并与激光雷达反演获得的消光系数进行对比，减小误差。
应该理解地是，本发明中轻度雾霾时大气消光系数的波段转换方法及系统的原理相同，因此对轻度雾霾时大气消光系数的波段转换方法的实施例的详细阐述也适用于轻度雾霾时大气消光系数的波段转换系统。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (5)

1.一种轻度雾霾时大气消光系数的波段转换方法，其特征在于，该方法包括：
采用激光雷达和太阳光度计分别进行气溶胶光学特性测量，获得激光雷达数据和太阳光度计数据；
根据所述太阳光度计数据反演获得大气光学厚度，并采用消光法反演获得低层大气的气溶胶粒子谱分布，计算与激光雷达的发射激光波长相一致时的消光系数；
根据所述激光雷达数据计算低层大气对应的消光系数；
将根据太阳光度计数据计算的消光系数与根据激光雷达数据计算得到的消光系数比对，符合则基于低层大气的气溶胶粒子谱分布计算各波长的消光系数，实现消光系数的波段转换，不符合则判定为无效数据；
所述根据所述太阳光度计数据反演获得大气光学厚度的步骤具体为：
基于均匀平行球面大气假定将大气分为两层，第一层为低层大气，第二层为上层大气，太阳光线通过第一层大气路径和第二层大气路径随太阳天顶角发生变化；
采用多个太阳天顶角下的数据通过多元线性回归方法计算得到这两层的大气路径长度；
基于所述大气路径长度分别计算获得低层大气和上层大气的光学厚度；
所述采用消光法反演获得低层大气的气溶胶粒子谱分布的步骤具体为：
将气溶胶假定为球体，采用米氏原理建立不同尺度的单粒子光学特性数据库；
建立低层大气的光学厚度与气溶胶粒子谱分布的联系，反演获得低层大气的气溶胶粒子谱分布；
所述建立低层大气的光学厚度与气溶胶粒子谱分布的联系，反演获得低层大气的气溶胶粒子谱分布的步骤具体为：
通过以下公式，建立光学厚度τ与气溶胶粒子谱分布n(r)之间的联系，采用Junge谱分布对气溶胶谱粒子分布进行描述，反演Junge谱分布参数：
Figure FDA0002448044080000021
Figure FDA0002448044080000022
其中，σ(λ)为消光系数，r为气溶胶粒子半径，λ为波长，Qe为消光效率因子，z为大气高度。
2.根据权利要求1所述的轻度雾霾时大气消光系数的波段转换方法，其特征在于，所述根据所述激光雷达数据计算低层大气对应的消光系数的步骤具体为：
根据测量的激光雷达数据利用激光雷达数据反演软件获得不同探测距离处的消光系数；
利用不同探测距离处的消光系数计算低层大气对应的消光系数。
3.根据权利要求1所述的轻度雾霾时大气消光系数的波段转换方法，其特征在于，所述计算与激光雷达的发射激光波长相一致时的消光系数的步骤具体为：
基于获得的Junge谱分布以及建立的单粒子光学特性数据库，根据消光系数计算公式，计算与激光雷达的发射激光波长相一致波长的消光系数。
4.根据权利要求3所述的轻度雾霾时大气消光系数的波段转换方法，其特征在于，所述基于低层大气气溶胶粒子谱分布计算各波长的消光系数的步骤具体为：基于Junge谱分布以及建立的单粒子光学特性数据库，根据消光系数计算公式，计算各波段的消光系数，实现消光系数的波段转换。
5.一种轻度雾霾时大气消光系数的波段转换系统，其特征在于，包括：
数据获取单元，用于获取采用激光雷达和太阳光度计进行气溶胶光学特性测量的激光雷达数据和太阳光度计数据；
第一数据处理单元，用于根据所述太阳光度计数据反演获得大气光学厚度，并采用消光法反演获得低层大气的气溶胶粒子谱分布，计算与激光雷达的发射激光波长相一致时的消光系数；
第二数据处理单元，用于根据所述激光雷达数据计算低层大气对应的消光系数；
波段转换单元，将根据太阳光度计数据计算的消光系数与根据激光雷达数据计算得到的消光系数比对，符合则基于低层大气的气溶胶粒子谱分布计算各波长的消光系数，实现消光系数的波段转换；
第一数据处理单元根据所述太阳光度计数据反演获得大气光学厚度的步骤具体为：基于均匀平行球面大气假定将大气分为两层，第一层为低层大气，第二层为上层大气，太阳光线通过第一层大气路径和第二层大气路径随太阳天顶角发生变化，采用多个太阳天顶角下的数据通过多元线性回归方法计算得到这两层的大气路径长度；基于所述大气路径长度分别计算获得低层大气和上层大气的光学厚度；
所述第一数据处理单元采用消光法反演获得低层大气的气溶胶粒子谱分布的步骤具体为：
将气溶胶假定为球体，采用米氏原理建立不同尺度的单粒子光学特性数据库；
建立低层大气的光学厚度与气溶胶粒子谱分布的联系，反演获得低层大气的气溶胶粒子谱分布；
所述建立低层大气的光学厚度与气溶胶粒子谱分布的联系，反演获得低层大气的气溶胶粒子谱分布的步骤具体为：
通过以下公式，建立光学厚度τ与气溶胶粒子谱分布n(r)之间的联系，采用Junge谱分布对气溶胶谱粒子分布进行描述，反演Junge谱分布参数：
Figure FDA0002448044080000041
Figure FDA0002448044080000042
其中，σ(λ)为消光系数，r为气溶胶粒子半径，λ为波长，Qe为消光效率因子，z为大气高度。
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