CN111999268B - 一种大气消光系数湿度订正方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种大气消光系数湿度订正方法，包括以下步骤：S1：选取资料；S2：资料处理；S3：在相对湿度区间[40％，90％)内逐点分析对数正态分布函数对单位质量大气消光系数的适用性，利用矩法计算对数正态分布函数的尺度参数和形状参数，并对拟合结果进行KS检验；S4：以干燥环境条件下(RH≤40％)单位质量大气消光系数对数正态分布函数的参数为基准，通过数学变换消除湿环境条件下(RH>40％)单位质量大气消光系数对数正态分布形状参数和尺度参数的变化；S5：反演PM2.5质量浓度。显著优于利用气溶胶散射吸湿增长因子法的湿度订正结果，为利用卫星气溶胶光学厚度产品反演近地面颗粒物质量浓度提供了新途径。
Description
技术领域
本发明涉及大气测量技术领域，具体为一种大气消光系数湿度订正方法。
背景技术
大气消光系数为可见光在大气中传播单位距离时的相对衰减率，是环境空气质量优劣的重要表征。由于气溶胶中的硫酸盐、硝酸盐、铵盐和海盐等无机成分及部分有机物粒子具有吸湿性，在不同水汽条件下，其粒径、质量、密度以及折射指数等微物理参数会发生变化，从而改变气溶胶的光学特性，进而对大气消光系数产生影响。气溶胶吸湿性是联系气溶胶微物理和化学参数的纽带，一直是气溶胶领域研究的热点。
气溶胶散射吸湿增长因子为环境条件下气溶胶散射系数与干燥条件下气溶胶散射系数的比值。已有研究表明，气溶胶散射吸湿增长因子的演化与气溶胶类型密切相关。一般而言，海洋型气溶胶的散射吸湿增长因子要明显偏大，城市型和陆地型气溶胶散射吸湿增长因子次之，源于生物质燃烧源的气溶胶散射吸湿增长因子最小。环境大气中气溶胶散射吸湿增长因子可表征为相对湿度(RH)的函数f(RH)，即吸湿增长模型。李成才等利用模型f(RH)＝1/(1-HR/100)a很好地拟合了北京地区的气溶胶散射吸湿增长因子随相对湿度的变化特征；Song等分析了气溶胶散射吸湿增长模型f(RH)＝a+b(1-HR/100)-1+c(1-HR/100)-2(ɑ、b和c为参数)在东亚地区的适用性，并给出了模型参数参数在不同季节的取值；尹单丹等通过多模型比对，提出了表征成都地区秋冬季气溶胶散射消光吸湿增长的最优模型。
近地面颗粒物质量浓度是指经过50℃烘干的干粒子质量浓度，它与干燥环境下的大气消光系数呈现出显著的线性关系。由于气溶胶吸湿性对大气消光系数的非线性作用，大气消光系数和颗粒物质量浓度之间的线性统计关系对湿度的变化非常敏感。因此，对大气消光系数进行湿度订正是利用卫星气溶胶光学厚度产品(AOD)反演近地面颗粒物质量浓度的关键技术环节，具有重要的应用价值。基于气溶胶散射吸湿增长因子的湿度订正是消除湿度变化对大气消光系数影响的通用方法，陶金花等基于RAMS模拟结果和MODIS气溶胶光学厚度数据，在求取近地面环境大气消光系数的基础上，利用北京市周边的气溶胶散射吸湿增长因子f(RH)进行湿度订正，反演的近地面PM2。5质量浓度和地面监测数据在趋势上基本一致。受颗粒物质量浓度、吸湿性以及化学组分等因素的共同作用，大气消光系数序列演化是非常复杂的，并具有明显的随机性特征。崔蕾等针对成都地区的研究表明，经气溶胶散射吸湿增长因子订正后的大气消光系数序列，其统计参数(均值和方差)仍对湿度的变化存在显著的响应。由上分析可见，现行湿度订正方法缺乏对大气消光系数序列特性的深入分析，它只是部分消除了湿度变化对大气消光系数统计特征的影响，算法的设计和实际应用两个方面均存在明显的瑕疵，相关理论支撑亟待夯实。
基于此，本发明分析了相对湿度变化对单位质量大气消光系数概率分布函数的影响，以干燥环境条件下(RH≤40％)单位质量大气消光系数对数正态分布函数的参数为基准，通过数学变换消除湿度变化对单位质量大气消光系数统计特征的影响，据此提出了一种大气消光系数湿度订正方法，并进一步实例验证了该原理的适用性。通过以解决上述提到的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种大气消光系数湿度订正方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种大气消光系数湿度订正方法，包括以下步骤：
S1：选取资料：包括一时段内逐时观测的PM2.5颗粒物质量浓度、大气能见度以及相对湿度(RH)数据；
S2：资料处理：剔除相对湿度大于90％条件下的所有样本，并对PM2.5颗粒物质量浓度进行质量控制；
S3：在相对湿度区间[40％，90％)内逐点分析对数正态分布函数对单位质量大气消光系数的适用性，利用矩法计算对数正态分布函数的尺度参数和形状参数，并对拟合结果进行KS检验；
S4：以干燥环境条件下(RH≤40％)单位质量大气消光系数对数正态分布函数的参数为基准，通过数学变换消除湿环境条件下(RH>40％)单位质量大气消光系数对数正态分布形状参数和尺度参数的变化；
S5：反演PM2.5质量浓度。
优选的，所述步骤S3中，单位质量大气消光系数如下公式(1)
式中，当对比感阈μ为0.05时，在550nm波长处环境大气消光系数bext，550nm(RH)(m-1)与大气能见度V(m)的关系如下公式(2)：
为大气中PM2.5颗粒物质量浓度(μg·m-3)。
优选的，所述对数正态分布函数如下公式(3)：
式中，μ为尺度参数，δ为形状参数。
优选的，所述步骤S4具体包括以下步骤
S4.1：将相对湿度RH≤40％视为干燥环境条件，计算干燥环境条件下单位质量大气消光系数对数正态分布函数的尺度参数(μ≤40)和形状参数(δ≤40)；
S4.2：分别对相对湿度区间(40％，41％]，(41％，42％]，…，(88％，89％]内的单位质量大气消光系数进行数学变换，见式(5)，式中ai和bi为待定参数；
式中，记550nm处单位质量大气消光系数Eext，550nm(RH)(m2·μg-1)为Eij，其中，i＝1，2，3，…，50，分别对应于相对湿度区间(0，40]，(40％，41％]，(41％，42％]，…，(88％，89％]；j＝1，2，3，…，Ki-1，Ki代表上述相对湿度区间i内的样本量；
S4.3：联立式(6)、(7)求解ai和bi，
μi＝μ≤40 (6)
δi＝δ≤40 (7)
式中，μi和δi分别代表上述不同湿度区间单位质量大气消光系数对数正态分布函数的尺度参数和形状参数；
S4.4：按式(5)对不同湿度区间内的单位质量大气消光系数进行订正，据此得到干燥环境下的单位质量大气消光系数。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、通过本发明的方法可以知道相对湿度的变化不改变单位质量大气消光系数正态分布函数的适用性，但对其形状参数和尺度参数会造成显著的影响，二者随相对湿度的增加均呈现出波动型的增长；
2、以干燥环境条件下(RH≤40％)单位质量大气消光系数对数正态分布函数的参数为基准，通过数学变换消除湿环境条件下(RH>40％)单位质量大气消光系数对数正态分布函数相应参数的变化，从而保证在不同湿度条件下单位质量大气消光系数统计特征的一致性；
3、本发明的大气消光系数湿度订正方法显著优于利用气溶胶散射吸湿增长因子法的湿度订正结果，为利用卫星气溶胶光学厚度产品反演近地面颗粒物质量浓度提供了新途径。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明KS检验统计量和临界值随RH的变化图；
图2为本发明对数正态分布参数随RH的变化图；
图3为本发明ai和bi随RH的变化图；
图4为本发明大气消光系数与PM2.5质量浓度散点图。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
本发明提供一种技术方案：一种大气消光系数湿度订正方法，包括以下步骤：
S1：选取资料：包括一时段内逐时观测的PM2.5颗粒物质量浓度、大气能见度以及相对湿度(RH)数据；
S2：资料处理：剔除相对湿度大于90％条件下的所有样本，并对PM2.5颗粒物质量浓度进行质量控制；
其中，选取资料及资料处理的一个实施例为：获取成都市2016年1～12月期间逐时观测的PM2.5颗粒物质量浓度、大气能见度以及相对湿度(RH)数据，相关观测设备采用现有设备，剔除相对湿度大于90％条件下的所有样本，并对PM2.5颗粒物质量浓度进行质量控制，观测点位于成都市环境保护科学研究院综合大楼楼顶(30°39'N，104°02'E)，距离地面21m，四周2km内无高大建筑物，视野开阔，周围是集中居住区，5km范围内无明显工业大气污染源。
S3：在相对湿度区间[40％，90％)内逐点分析对数正态分布函数对单位质量大气消光系数的适用性，利用矩法计算对数正态分布函数的尺度参数和形状参数，并对拟合结果进行KS检验；
当对比感阈μ为0.05时，在550nm波长处环境大气消光系数bext，550nm(RH)(m-1)与大气能见度V(m)的关系如下：
为消除气溶胶质量浓度差异对大气消光的影响，用大气消光系数bext，550nm(RH)(m-1)除以PM2.5的质量浓度得到单位质量大气消光系数
式中，为大气中PM2.5颗粒物质量浓度(μg·m-3)。
气溶胶散射吸湿增长因子f(RH)如式(4)所示。
式中，bsp，550nm(RH)(m-1)为环境条件下气溶胶散射消光系数；bsp，550nm(dry)(m-1)为干燥条件下(RH≤40％)气溶胶散射消光系数。
研究表明，单位质量大气消光系数为随机序列，并服从对数正态分布，该分布函数如式(3)所示。
式中，μ为尺度参数，δ为形状参数。
考虑到高湿条件下(RH>90)水汽凝结对大气消光系数影响的不确定性，本发明只在相对湿度区间[40％，90％)内逐点分析了对数正态分布函数对单位质量大气消光系数的适用性。利用矩法计算对数正态分布的尺度参数和为形状参数，并对拟合结果进行KS检验。
图1中实线是KS检验统计量随相对湿度的变化曲线，图1中虚线是KS检验的临界值随相对湿度的变化曲线(对应置信度水平α为0.01)，其中RH＝40％代表的是干燥环境条件下(RH≤40％)所有样本的分析结果。由图1可见，在相对湿度区间[40％，90％)内KS检验统计量均小于对应的KS检验临界值。这一研究表明，单位质量大气消光系数在90％以下任意相对湿度区间内均服从对数正态分布。
图2给出了单位大气消光系数对数正态分布参数随相对湿度的变化。由该图可知，随着相对湿度(RH)的增长，其形状参数和尺度参数均呈现波动型增长，对应的相关系数分别为0.97与0.95，均通过了α＝0.01的显著性检验。
综合图1和图2可知，相对湿度的变化不改变单位质量大气消光系数对数正态分布函数的适用性，但对其形状参数和尺度参数会造成显著的影响。
大气消光系数吸湿订正的原理：
S4：以干燥环境条件下(RH≤40％)单位质量大气消光系数对数正态分布函数的参数为基准，通过数学变换消除湿环境条件下(RH>40％)单位质量大气消光系数对数正态分布形状参数和尺度参数的变化，从而保证在不同湿度条件下单位质量大气消光系数统计特征的一致性；
已有研究表明，单位质量大气消光系数在RH<40％区间内呈现出平稳波动之特征，而当RH介于40％～90％时，单位质量“湿”大气消光系数增长趋势明显.本文的研究进一步指出，单位质量大气消光系数对数正态分布函数的参数(尺度参数和形状参数)对相对湿度的变化非常敏感，二者随相对湿度的变化共同决定了单位质量大气消光系数的吸湿增长特征。
综上分析，大气消光系数吸湿订正的原理可以表述如下：以干燥环境条件下(RH≤40％)单位质量大气消光系数对数正态分布函数的参数为基准，通过数学变换消除湿环境条件下(RH>40％)单位质量大气消光系数对数正态分布形状参数和尺度参数的变化，从而保证在不同湿度条件下单位质量大气消光系数统计特征的一致性。
为简便起见，记550nm处单位质量大气消光系数Eext，550nm(RH)(m2·μg-1)为Eij，其中，i＝1，2，3，…，50，分别对应于相对湿度区间(0，40]，(40％，41％]，(41％，42％]，…，(88％，89％]；j＝1，2，3，…，Ki-1，Ki代表上述相对湿度区间i内的样本量。
基于提出的大气消光系数湿度订正原理，相应的计算流程表述如下：
S4.1：将相对湿度RH≤40％视为干燥环境条件，计算干燥环境条件下单位质量大气消光系数对数正态分布函数的尺度参数(μ≤40)和形状参数(δ≤40)。
S4.2：分别对相对湿度区间(40％，41％]，(41％，42％]，…，(88％，89％]内的单位质量大气消光系数进行数学变换，见式(5)，式中ai和bi为待定参数。
S4.3：为保证在不同湿度条件下单位质量大气消光系数统计特征的一致性，联立式(6)、(7)求解ai和bi，式中，μi和δi分别代表上述不同湿度区间单位质量大气消光系数对数正态分布函数的尺度参数和形状参数。
μi＝μ≤40 (6)
δi＝δ≤40 (7)
S4.4：按式(5)对不同湿度区间内的单位质量大气消光系数进行订正，据此可以得到干燥环境下的单位质量大气消光系数。
按上述流程计算单位质量大气消光系数数学变换的待定参数ai和bi，二参数随相对湿度变化如图3所示。
由图3可见，(1)ai恒小于0；在相对湿度RH<65％的条件下，ai随相对湿度RH的增加呈现出波动下降的趋势；在相对湿度RH>65％的条件下，ai随相对湿度RH的增加则呈现出平稳波动之特征.(2)bi恒大于1；在相对湿度RH<65％的条件下，bi随相对湿度RH的增加呈现出波动上升的趋势；在相对湿度RH>65％的条件下，bi随相对湿度RH的增加也呈现出平稳波动之特征.(3)ai和bi随相对湿度RH序列之间呈现出显著的负相关，二者的相关系数为-0.98(通过了α＝0.01的显著性检验)。
待定参数ai和bi随相对湿度的变化本质上反映的是湿度变化对单位质量大气消光系数统计特征影响的复杂性，上述计算流程可以系统消除湿环境条件下(RH>40％)单位质量大气消光系数对数正态分布函数形状参数和尺度参数的变化，从而为颗粒物质量浓度的高精度反演提供算法保障。
S5：反演PM2.5质量浓度。
基于上述方法对大气消光系数进行湿度订正，据此可以反演PM2.5质量浓度，这里将该方法称为方案1.本文也同时设计另外3种方案，方案2为直接利用环境条件下的大气消光系数反演PM2.5质量浓度；方案3利用在华北地区常用气溶胶散射吸湿增长因子对大气消光系数进行湿度订正，据此反演PM2.5质量浓度；方案4则利用成都地区气溶胶散射吸湿增长因子对大气消光系数进行湿度订正，据此反演PM2.5质量浓度.四种方案在成都地区的适用性分析结果表明，方案1、方案2、方案3和方案4反演的PM2.5质量浓度与实测的PM2.5质量浓度之间的相关系数分别为0.90、0.79、0.75和0.84，结果如图4所示。
基于图4的分析表明，(a：方案1，b：方案2，c：方案3，d：方案4)(1)直接利用环境条件下的大气消光系数反演PM2.5质量浓度存在计算精度低等弱点，因此对大气消光系数进行湿度订正确有必要；(2)方案1系统消除了湿度变化对大气消光系数统计特征的影响，取得了最佳的订正效果；(3)方案3只是部分消除了湿度变化对大气消光系数统计特征的影响，其订正效果介于方案1和方案2之间；(4)由于气溶胶化学组分空间差异很大，盲目将气溶胶散射吸湿增长模型进行移植应用可能会恶化大气消光系数与PM2.5质量浓度之间的线性关系。
通过本发明方法得到如下结论：
1、相对湿度的变化不改变单位质量大气消光系数正态分布函数的适用性，但对其形状参数和尺度参数会造成显著的影响，二者随相对湿度的增加均呈现出波动型的增长。
2、大气消光系数湿度订正的原理是，以干燥环境条件下(RH≤40％)单位质量大气消光系数对数正态分布函数的参数为基准，通过数学变换消除湿环境条件下(RH>40％)单位质量大气消光系数对数正态分布函数相应参数的变化，从而保证在不同湿度条件下单位质量大气消光系数统计特征的一致性。
3、适用性研究进一步验证了大气消光系数湿度订正的原理的可行性，这为利用卫星AOD产品反演近地面颗粒物质量浓度提供了新途径。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。
Claims (1)
1.一种大气消光系数湿度订正方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：选取资料：包括一时段内逐时观测的PM2.5颗粒物质量浓度、大气能见度以及相对湿度(RH)数据，干燥环境条件下：RH≤40％；湿环境条件下：RH>40％；
S2：资料处理：剔除相对湿度大于90％条件下的所有样本，并对PM2.5颗粒物质量浓度进行质量控制；
S3：在相对湿度区间[40％，90％)内逐点分析对数正态分布函数对单位质量大气消光系数的适用性，利用矩法计算对数正态分布函数的尺度参数和形状参数，并对拟合结果进行KS检验；
单位质量大气消光系数如下公式(1)
式中，为大气中PM2.5颗粒物质量浓度；
当对比感阈μ为0.05时，在550nm波长处环境大气消光系数bext，550nm(RH)与大气能见度V的关系如下公式(2)：
单位质量大气消光系数为随机序列，并服从对数正态分布，该分布函数如下：
式中，μ为尺度参数，δ为形状参数；
气溶胶散射吸湿增长因子f(RH)如下：
式中，bsp，550nm(RH)为环境条件下气溶胶散射消光系数；
bsp，550nm(dry)为干燥条件下气溶胶散射消光系数；
S4：以干燥环境条件下单位质量大气消光系数对数正态分布函数的参数为基准，通过数学变换消除湿环境条件下单位质量大气消光系数对数正态分布形状参数和尺度参数的变化；
基于提出的大气消光系数湿度订正原理，相应的计算流程表述如下：
S4.1：将相对湿度RH≤40％视为干燥环境条件，计算干燥环境条件下单位质量大气消光系数对数正态分布函数的尺度参数μ≤40和形状参数δ≤40；
S4.2：分别对相对湿度区间(40％，41％]，(41％，42％]，…，(88％，89％]内的单位质量大气消光系数进行数学变换，如下：
式中ai和bi为待定参数；
S4.3：为保证在不同湿度条件下单位质量大气消光系数统计特征的一致性，联立式μi＝μ≤40(6)、δi＝δ≤40(7)，求解ai和bi，式中，μi和δi分别代表上述不同湿度区间单位质量大气消光系数对数正态分布函数的尺度参数和形状参数；
S4.4：按式(5)对不同湿度区间内的单位质量大气消光系数进行订正，据此可以得到干燥环境下的单位质量大气消光系数；
S5：反演PM2.5质量浓度。
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