CN113189563B - 利用激光雷达比和退偏比反演气溶胶组分的方法 - Google Patents

Abstract

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。

Description

利用激光雷达比和退偏比反演气溶胶组分的方法

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。

据计算得到的Q_e、Q_b值可进一步计算一定气溶胶质量浓度的消光，后向散射系数。这样在粒子尺度谱分布一定时，我们就可以确定大气气溶胶的消光、后向散射系数(以m^-1为单位)。消光系数β_e、后向散射系数β_b的表达式为：

其中

为气溶胶体积谱分布：

V₀为气溶胶粒子的体积总浓度；r_v为体积几何平均半径；σ为体积标准偏差。

通过以往研究中所提供的烟灰(以吸收性气溶胶BC为主)、水溶性气溶胶(以硫酸盐、硝酸盐为主)、沙尘这三种气溶胶的粒径谱分布和复折射指数(Dey et al.，2006；Ganguly et al.，2009；Hess et al.，1998；van Beelen et al.，2014)，并结合米散射理论，我们得到的激光雷达比如表1所示。可以发现，烟灰的激光雷达比几乎为水溶性气溶胶的两倍，因此二者依据激光雷达比可以进行区分。而由于米散射理论的球形假设，计算得到的沙尘激光雷达比与实际外场观测结果并不一致。实际实际观测中，沙尘往往是不规则的非球形粒子。需要注意的是，实际观测得到的激光雷达比(Burton et al.，2012；Murayamaet al.，2004)与水溶性气溶胶较为接近，但二者的退偏比值有明显差异。因此在反演算法中，可首先通过沙尘的非球形特征将其与球形气溶胶进行分离，然后利用差异显著的激光雷达比将烟灰与水溶性气溶胶区分开来。

：表1：反演算法中使用的微物理参数。r_m为体积平均半径(单位：um)；s_d为体积标准偏差(单位：um)；m_r为复折射指数实部；m_i位复折射指数虚部；S为激光雷达比；6为退偏比。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种利用激光雷达比和退偏比反演气溶胶组分的方法，为大气环境监测中对气溶胶组分的垂直研究提供了一种可行的技术方案。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案为：

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。

进一步地，步骤S1包括：计算气溶胶退偏比ADR，当ADR大于a时，则认为该气溶胶组分为沙尘；当b＜ADR＜a时，则认为该气溶胶组分为沙尘与球形气溶胶的混合物；当ADR小于b时，则认为该气溶胶组分为球形气溶胶。

进一步地，所述计算气溶胶退偏比包括：采用NIES米散射激光雷达系统，将激光雷达信号通过532nm信号处的45°偏振方向的偏振片，分离出水平信号和垂直信号。

进一步地，a＝0.31，b＝0.05。

进一步地，步骤S2包括：

S21，将沙尘和球形气溶胶的退偏比分别设为δ₁和δ₂，并且这两种组分的退偏比定义为δ_i＝P_i⊥/P_i||，其中P_i⊥、P_i||分别为气溶胶后向散射信号的垂直和水平偏振分量；

S22，定义δ_i′＝P_i⊥/(P_i⊥+P_i||)，则δ_i′＝δ_i/(δ_i+1)；

S23，假设x为沙尘在气溶胶混合物中的光学混合比，则后向散射信号的偏振分量表示为：

P_⊥＝[xδ₁′+(1-x)δ₂′]P

P_||＝[x(1-δ₁′)+(1-x)(1-δ₂′)]P

其中P＝P_⊥+P_||，因此气溶胶退偏比δ表示为：

由此可得沙尘的光学混合比x：

进一步地，所述气溶胶退偏比δ采用以下步骤获得：

假设

β₁为气溶胶粒子的后向散射系数，β₂为大气分子的后向散射系数，则

将R代入其中得：

其中，δ_v为信号退偏比；δ_m为分子退偏比。

进一步地，β₁采用以下步骤获得：

将气溶胶产生的米散射和大气分子产生的瑞利散射分开考虑，则激光雷达方程表达为

其中，C为雷达校正常数；P₀为雷达发射功率；β表示后向散射系数，σ表示消光系数，下标1和2分别代表气溶胶粒子和大气分子；

假设消光系数σ与后向散射系数β之间的关系为

S＝σ/β

则，对上述激光雷达方程进行求解得：

其中X(z)＝P(z)z²；β₁(z_c)、β₂(z_c)分别是在远端z_c处的边界值。

进一步地，步骤S3包括：

S31，建立消光系数σ关于水溶性气溶胶消光系数σ_ws、烟灰消光系数σ_st的查找表1，针对消光系数＞1的情况建立额外查找表2；

S32，将消光系数查找表与激光雷达比相结合建立后向散射系数β查找表：

S33，若0＜σ_sphere≤1，遍历查找表1，若1＜σ_sphere≤3，遍历查找表2，其中σ_sphere为球形气溶胶消光系数，σ_sphere为后向散射系数；寻找查找表与观测值的相对误差符合标准的消光系数组合：

S34，若查找表与观测值不匹配，选择观测与理论偏差最小的解为最优解，即满足如下条件的解：

进一步地，步骤S33中：球形气溶胶消光系数σ_sphere＝(1-x)σ。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

现有大气环境监测中仅对气溶胶组分的有无进行检测，并无对气溶胶组分的含量进行鉴定，本发明填补了这一领域的空白，现有的技术中对气溶胶组分的鉴定需要复杂昂贵的设备，操作复杂，容易造成检测结果不准确，而本发明只需要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。

附图说明

图1为本发明利用激光雷达比和退偏比反演气溶胶组分的方法的流程图；

图2为本发明利用激光雷达比和退偏比反演气溶胶组分的方法针对重污染天气的测试图；

图3为本发明利用激光雷达比和退偏比反演气溶胶组分的方法针对清洁天的测试图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，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。

在Fernald反演法中，气溶胶产生的米散射和大气分子产生的瑞利散射被分开考虑(Femald，1984)，因此激光雷达方程也可以表达为：

其中，C为雷达校正常数；P₀为雷达发射功率；β表示后向散射系数，σ表示消光系数，下标1和2分别代表气溶胶粒子和大气分子。

若想求得方程的解，需要假设消光系数与后向散射系数之间的关系，即S＝σ/β，此时，可对公式(8)进行求解：

其中X(z)＝P(z)z²；β₁(z_c)、β₂(z_c)分别是在远端z_c处的边界值。对于大气分子而言，

为定值。另外，β₂对于大气模式和气象观测是已知的。这里，我们假设气溶胶的激光雷达比S₁为经验值50sr。当AERONET提供的气溶胶光学数据可靠时，也可根据其计算结果调整气溶胶激光雷达比的选择。因此气溶胶消光系数σ₁＝50β₁。

气溶胶退偏比(ADR)与信号退偏比(SDR)不一样，SDR中还包含大气分子的瑞利散射。当我们讨论在低浓度下激光雷达数据表征的气溶胶特征时，我们需要使用ADR而不是SDR。气溶胶退偏比可通过信号退偏比和后向散射系数导出，假设

则

将R代入得：

其中，δ_v为信号退偏比；δ为气溶胶退偏比；δ_m是分子退偏比，这里我们使用0.0044进行计算。β₁通过前述的Fernald反演法得到；对于大气分子的β₂，可由气象观测数据计算得出。需要注意的是，当气溶胶后向散射系数较小时，ADR对于噪音敏感。

在分离沙尘与球形气溶胶步骤中，我们考虑沙尘和球形气溶胶的外部混合，它们的气溶胶退偏比分别为δ₁、δ₂。这里，我们将这两种组分的退偏比定义为δ_i＝P_i⊥/P_i||，其中P_i⊥、P_i||分别为气溶胶后向散射信号的垂直和水平偏振分量。若定义δ_i′＝P_i⊥/(P_i⊥+P_i||)，则δ_i′＝δ_i/(δ_i+1)。需要注意的是，这些参数都是关于高度的函数。假设x为沙尘在气溶胶混合物中的光学混合比，则后向散射信号的偏振分量可以表示为：

P_⊥＝[xδ₁′+(1-x)δ₂′]P (11)

P_||＝[x(1-δ₁′)+(1-x)(1-δ₂′)]P (12)

其中P＝P_⊥+P_||，因此气溶胶退偏比δ可表示为：

由此可得沙尘的光学混合比x：

值的注意的是，δ代表公式(10)中计算得到的气溶胶退偏比。沙尘退偏比δ₁和球形气溶胶退偏比δ₂分别为0.31和0.05，如表1所示。沙尘的消光系数σ_ds即可表示为xσ，球形气溶胶σ_sphere则表示为(1-x)σ，其中σ为上述Fernald法计算得到的气溶胶消光系数。

由于米散射理论计算出的水溶性气溶胶S₁(47sr)和烟灰S₂的激光雷达比(85sr)相差较大，即这两种组分的消光系数与后向散射系数之比有明显差异，因此可借助这一特点对二者进行区分，具体操作如下：

1)建立消光系数σ关于水溶性气溶胶消光系数σ_ws、烟灰消光系数σ_st的查找表1。消光系数范围为0～1km^-1，组分消光系数间隔步长为0.001km^-1；另外考虑到实际情况中，污染条件下消光系数并不严格处于0～1km^-1之间，因此需要针对消光系数＞1的情况建立额外查找表2，消光系数上限位3km^-1(根据AERONET数据选择)，间隔步长为0.005km^-1。

2)将消光系数查找表与激光雷达比相结合建立后向散射系数β查找表：

3)根据分离沙尘与球形气溶胶步骤中计算出的球形气溶胶消光系数σ_sphere、后向散射系数β_sphere，若0＜σ_sphere≤1，遍历查找表1；若1＜σ_sphere≤3，遍历查找表2.寻找查找表与观测值的相对误差符合标准的消光系数组合。

4)若查找表与观测值不匹配，选择观测与理论偏差最小的解为最优解，即满足如下条件的解：

本发明利用激光雷达比和退偏比反演气溶胶组分的方法仅需一带偏振通道的波长即可实现。将该方法应用于2017年激光雷达实际观测数据，分别针对重污染天气(图2)和清洁天(图3)进行了计算。针对2017年1月2日至1月4日气溶胶组分反演结果如图2所示，可以看到，重污染天气下，沙尘并不贴地出现，以水溶性气溶胶和烟灰为主。针对2017年1月8日至1月10日气溶胶组分反演结果如图3所示，在清洁条件下，几乎无沙尘出现，烟灰浓度也不高，以硫酸盐、硝酸盐等水溶性气溶胶为主。

以上结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但本发明不限于所描述的实施方式。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明原理和精神的情况下，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，仍落入本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种利用激光雷达比和退偏比反演气溶胶组分的方法，其特征在于，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；

其中步骤S3包括：

S31，建立消光系数σ关于水溶性气溶胶消光系数σ_ws、烟灰消光系数σ_st的查找表1，针对消光系数＞1的情况建立额外查找表2；

S32，将消光系数查找表与激光雷达比相结合建立后向散射系数β查找表：

S33，若0<σ_sphere≤1，遍历查找表1，若1<σ_sphere≤3，遍历查找表2，其中σ_sphere为球形气溶胶消光系数，β_sphere为后向散射系数；寻找查找表与观测值的相对误差符合标准的消光系数组合：

S34，若查找表与观测值不匹配，选择观测与理论偏差最小的解为最优解，即满足如下条件的解：

2.根据权利要求1所述的利用激光雷达比和退偏比反演气溶胶组分的方法，其特征在于，步骤S1包括：计算气溶胶退偏比ADR，当ADR大于0.31时，则认为该气溶胶组分为沙尘；当0.05＜ADR＜0.31时，则认为该气溶胶组分为沙尘与球形气溶胶的混合物；当ADR小于0.05时，则认为该气溶胶组分为球形气溶胶。

3.根据权利要求2所述的利用激光雷达比和退偏比反演气溶胶组分的方法，其特征在于，所述计算气溶胶退偏比包括：采用NIES米散射激光雷达系统，将激光雷达信号通过532nm信号处的45°偏振方向的偏振片，分离出水平信号和垂直信号。

4.根据权利要求1所述的利用激光雷达比和退偏比反演气溶胶组分的方法，其特征在于，步骤S2包括：

S21，将沙尘和球形气溶胶的退偏比分别设为δ₁和δ₂，并且这两种组分的退偏比定义为δ_i＝P_i⊥/P_i||，其中P_i⊥、P_i||分别为气溶胶后向散射信号的垂直和水平偏振分量；

S22，定义δ_i′＝P_i⊥/(P_i⊥+P_i||)，则δ_i′＝δ_i/(δ_i+1)；

S23，假设x为沙尘在气溶胶混合物中的光学混合比，则后向散射信号的偏振分量表示为：

P_⊥＝[xδ₁′+(1-x)δ₂′]P

P_||＝[x(1-δ₁′)+(1-x)(1-δ₂′)]P

其中P＝P_⊥+P_||，因此气溶胶退偏比δ表示为：

由此可得沙尘的光学混合比x：

5.根据权利要求4所述的利用激光雷达比和退偏比反演气溶胶组分的方法，其特征在于，所述气溶胶退偏比δ采用以下步骤获得：

假设

β₁为气溶胶粒子的后向散射系数，β₂为大气分子的后向散射系数，则

将R代入其中得：

其中，δ_v为信号退偏比；δ_m为分子退偏比。

6.根据权利要求5所述的利用激光雷达比和退偏比反演气溶胶组分的方法，其特征在于，β₁采用以下步骤获得：

将气溶胶产生的米散射和大气分子产生的瑞利散射分开考虑，则激光雷达方程表达为

P(z)＝CP₀z^-2[β₁(z)+β₂(z)]exp[-2∫₀ ^zσ₁(z)dz]exp[-2∫₀ ^zσ₂(z)dz]

其中，C为雷达校正常数；P₀为雷达发射功率；β表示后向散射系数，σ表示消光系数，下标1和2分别代表气溶胶粒子和大气分子；

假设消光系数σ与后向散射系数β之间的关系为S＝σ/β

则，对上述激光雷达方程进行求解得：

其中X(z)＝P(z)z²；β₁(z_c)、β₂(z_c)分别是在远端z_c处的边界值。

7.根据权利要求1所述的利用激光雷达比和退偏比反演气溶胶组分的方法，其特征在于，步骤S33中：球形气溶胶消光系数σ_sphere＝(1-x)σ。

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