利用激光雷达比和退偏比反演气溶胶组分的方法技术

本发明专利技术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。本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
利用激光雷达比和退偏比反演气溶胶组分的方法
本专利技术涉及大气环境监测
，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。
技术介绍
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：Si＝σi/βi(1)其中i表示不同的气溶胶组分；σi代表不同组分的消光系数；βi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(Burtonetal.，2012；Murayamaetal.，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(Burtonetal.，2012；Muelleretal.，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(Muelleretal.，2007；Tescheetal.，2007；Xieetal.，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＝Pr/Pl(2)其中Pr和Pl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Sakaietal.(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(Burtonetal.，2012；Groβetal.，2011；Xieetal.，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(Burtonetal.，2012；MamouriandAnsmann，2014；Sakaietal.，2010；Xieetal.，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Qb、消光效率因子Qe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；an、bn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Qe、Qb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βe、后向散射系数βb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；rv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(Deyetal.，2006；Gangulyetal.，2009；Hessetal.，1998；vanBeelenetal.，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(Burtonetal.，2012；Murayamaetal.，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。rm为体积平均半径(单位：um)；sd为体积标准偏差(单位：um)；mr为复折射指数实部；mi位复折射指数虚部；S为激光雷达比；6为退偏比。
技术实现思路
本专利技术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，本专利技术的技术方案为：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δi＝Pi⊥/Pi||，其中Pi⊥、Pi||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δi′＝Pi⊥/(Pi⊥+Pi||)，则δi′＝δi/(δi+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′]PP||＝[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，δv为信号退偏比；δm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表示后本文档来自技高网...

【技术保护点】
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：/nS1，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；/nS2，计算所述沙尘与球形气溶胶的混合物中的沙尘的混合比；/nS3，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。/n

【技术特征摘要】
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。


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。


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，a＝0.31，b＝0.05。


5.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δi＝Pi⊥/Pi||，其中Pi⊥、Pi||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δi′＝Pi⊥/(Pi⊥+Pi||)，则δi′＝δi/(δi+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：





6.根据权利要求5所述的利用激光雷达比和退偏...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨婷，王自发，王海波，
申请(专利权)人：中国科学院大气物理研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11