[發明專利]一種區域邊界層PM2.5立體分布及總量推算的方法

有效

• 申請號: 202010696972.4
• 申請日: 2020-07-20
• 公開（公告）號: CN112033870B
• 公開（公告）日: 2021-03-09
• 發明（設計）人: 涂小萍;姚日升;繆群;胡曉;陳磊
• 申請（專利權）人: 寧波市氣象臺;寧波市生態環境氣象中心
• 主分類號: G01N15/06
• 分類號: G01N15/06;G01S17/95;G06F17/18
• 代理公司: 寧波奧圣專利代理有限公司 33226
• 代理人: 周玨

1.一種區域邊界層PM2.5立體分布及總量推算的方法，其特征在于包括以下步驟：

步驟1：設定處理區域的地面上分散布置有Q個具有觀測風、降雨、降雪和霧的氣象站，設定處理區域的地面上分散布置有M個地面PM2.5觀測站，且M個地面PM2.5觀測站中有個地面PM2.5觀測站同時具有觀測大氣能見度和相對濕度的功能，并將這個地面PM2.5觀測站定義為多功能地面PM2.5觀測站；設定處理區域的地面上還分散布置有N個大氣能見度和相對濕度觀測站和L部激光雷達，任一個大氣能見度和相對濕度觀測站與任一個地面PM2.5觀測站之間至少相隔10公里距離，任一部激光雷達能夠靠近任一個地面PM2.5觀測站或任一個大氣能見度和相對濕度觀測站布置；其中，Q≥5，M≥3，N≥1，L≥1；

步驟2：收集最近2～3年剔除大風天、降雨天、降雪天、大霧天后處理區域內的個多功能地面PM2.5觀測站觀測到的PM2.5質量濃度、大氣能見度、相對濕度的觀測值，形成每個多功能地面PM2.5觀測站對應的歷史資料數據集，每個歷史資料數據集中PM2.5質量濃度與大氣能見度、相對濕度的觀測值按小時相對應；然后按不同季節和不同相對濕度等級，將每個多功能地面PM2.5觀測站對應的歷史資料數據集分為4×D個子集，其中，季節有4個分別為春、夏、秋和冬季，D表示相對濕度等級的數量，D∈[4,6]，D＝6時6個相對濕度等級分別為相對濕度大于或等于90％、大于或等于80％且小于90％、大于或等于70％且小于80％、大于或等于60％且小于70％、大于或等于50％且小于60％、小于50％，D＝5時5個相對濕度等級分別為相對濕度大于或等于90％、大于或等于80％且小于90％、大于或等于70％且小于80％、大于或等于60％且小于70％、小于60％，D＝4時4個相對濕度等級分別為相對濕度大于或等于90％、大于或等于80％且小于90％、大于或等于70％且小于80％、小于70％；接著確定PM2.5質量濃度與大氣能見度之間呈線性關系、乘冪關系、指數關系、對數關系四種對應關系時各自相關的擬合公式；之后根據每個子集中的PM2.5質量濃度和大氣能見度的觀測值及四種對應關系各自相關的擬合公式，計算得到針對每個子集的各種對應關系相關的擬合誤差；再以擬合誤差最小化原則，將針對每個子集的4個擬合誤差中值最小的擬合誤差相應的擬合公式作為該子集相應的由大氣能見度推算PM2.5質量濃度的最優推算公式；

步驟3：對處理區域進行網格化處理，在處理區域的水平方向上網格化的水平分辨率為100～500m，在處理區域的垂直方向上采用地形追隨坐標，在處理區域的垂直方向上從地面往上1000m高度內網格化的垂直分辨率為50m或100m，網格化處理得到多個三維網格；

步驟4：將當前計算所在的季節和時次對應定義為當前季節和當前時次，并設定當前時次不屬于大風天、降雨天、降雪天或大霧天；

步驟5：將當前待處理的大氣能見度和相對濕度觀測站定義為當前觀測站；

步驟6：從個多功能地面PM2.5觀測站中選出與當前觀測站距離最近的一個多功能地面PM2.5觀測站；然后從選出的多功能地面PM2.5觀測站對應的歷史資料數據集的4×D個子集相應的由大氣能見度推算PM2.5質量濃度的最優推算公式中，確定一個與當前季節及在當前時次下當前觀測站觀測到的相對濕度的觀測值所處的相對濕度等級所對應的子集相應的最優推算公式；再利用確定的最優推算公式，根據在當前時次下當前觀測站觀測到的大氣能見度的觀測值推算出在當前時次下當前觀測站處的PM2.5質量濃度的推算值；

步驟7：將下一個待處理的大氣能見度和相對濕度觀測站作為當前觀測站，然后返回步驟6繼續執行，直至N個大氣能見度和相對濕度觀測站均處理完畢，得到在當前時次下N個大氣能見度和相對濕度觀測站處的PM2.5質量濃度的推算值；

步驟8：收集在當前時次下M個地面PM2.5觀測站觀測到的PM2.5質量濃度的觀測值；然后將在當前時次下M個地面PM2.5觀測站觀測到的PM2.5質量濃度的觀測值和在當前時次下N個大氣能見度和相對濕度觀測站處的PM2.5質量濃度的推算值插值到在處理區域的垂直方向上最底層三維網格即從地面往上的第1層三維網格中的每個三維網格的地面平面即底面的中心位置上，得到在當前時次下在處理區域的垂直方向上最底層三維網格即從地面往上的第1層三維網格中的每個三維網格的地面平面即底面的中心位置處的PM2.5質量濃度值；

步驟9：計算在當前時次下處理區域內的每個三維網格內的PM2.5含量，將在當前時次下在處理區域的垂直方向上從地面往上的第k層三維網格中的第j個三維網格內的PM2.5含量記為PM_2.5g,k,j，PM_2.5g,k,j＝PM_2.5groud,1,j×F_k,j×V_k,j；其中，k和j均為正整數，1≤k≤K，K表示在處理區域的垂直方向上從地面往上的三維網格的總層數，Ver表示在處理區域的垂直方向上從地面往上1000m高度內網格化的垂直分辨率，1≤j≤J，J表示在處理區域的水平方向上一層三維網格中的三維網格的總個數，J＝Gx×Gy，Gx表示在處理區域的水平方向上一層三維網格中x方向的三維網格的總個數，Gy表示在處理區域的水平方向上一層三維網格中y方向的三維網格的總個數，PM_2.5groud,1,j表示在當前時次下在處理區域的垂直方向上從地面往上的第1層三維網格即最底層三維網格中的第j個三維網格的地面平面即底面的中心位置處的PM2.5質量濃度值，V_k,j表示在處理區域的垂直方向上從地面往上的第k層三維網格中的第j個三維網格的體積，F_k,j表示在當前時次下在處理區域的垂直方向上從地面往上的第k層三維網格中的第j個三維網格對應的消光比值，F_k,j根據在當前時次下L部激光雷達探測到的消光系數獲得；

所述的步驟9中的F_k,j的獲取過程為：

步驟9_1：在當前時次下每部激光雷達垂直向上探測在處理區域的垂直方向上從地面往上1000m高度內的所有消光系數；

步驟9_2：根據在當前時次下的天氣狀況、大氣污染狀況以及激光雷達回波特征，對在當前時次下每部激光雷達探測到的所有消光系數進行甄別，僅保留由PM2.5導致的消光系數，并定義為有效消光系數；

步驟9_3：將在當前時次下每部激光雷達開始探測到第1個有效消光系數時所處的高度定義為有效開始高度，將在當前時次下每部激光雷達開始探測到的第1個有效消光系數作為地面至有效開始高度內的有效消光系數；

步驟9_4：計算在當前時次下每部激光雷達在處理區域的垂直方向上從地面往上的第k層三維網格對應的高度區間內的消光比值，記為其中，E_k表示在當前時次下在處理區域的垂直方向上從地面往上的第k層三維網格對應的高度區間內該部激光雷達對應的所有有效消光系數的平均值，E₀表示在當前時次下地面上該部激光雷達對應的有效消光系數即數值上等于在當前時次下該部激光雷達開始探測到的第1個有效消光系數；

步驟9_5：將在當前時次下L部激光雷達在處理區域的垂直方向上從地面往上的第k層三維網格對應的高度區間內的消光比值插值到在處理區域的垂直方向上從地面往上的第k層三維網格中的每個三維網格的中心位置上，得到在當前時次下在處理區域的垂直方向上從地面往上的第k層三維網格中的每個三維網格對應的消光比值，即得到在當前時次下在處理區域的垂直方向上從地面往上的第k層三維網格中的第j個三維網格對應的消光比值F_k,j；

步驟10：計算在當前時次下處理區域內的PM2.5總含量，其值等于在當前時次下處理區域內的所有三維網格內的PM2.5含量的累加值。

2.根據權利要求1所述的一種區域邊界層PM2.5立體分布及總量推算的方法，其特征在于所述的步驟2中，大風天是指處理區域內的任一氣象站觀測到的陣風風力大于或等于6級的日子，降雨天是指處理區域內的任一氣象站觀測到的小時降雨量大于0.1毫米或者日降雨量大于1.0毫米的日子，降雪天是指處理區域內的任一氣象站觀測到的降雪天氣的日子，大霧天是指處理區域內的任一氣象站觀測到的大霧天氣的日子。