[發明專利]一種基于MIE散射方程觀測算子的氣溶膠資料同化方法

有效

• 申請號: 202110203672.2
• 申請日: 2021-02-23
• 公開（公告）號: CN113111565B
• 公開（公告）日: 2022-08-30
• 發明（設計）人: 臧增亮;劉斌;顏鵬;高麗娜;梁延飛;胡譯文;尤偉;董偉
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍國防科技大學
• 主分類號: G06F30/25
• 分類號: G06F30/25
• 代理公司: 南京瑞弘專利商標事務所(普通合伙) 32249
• 代理人: 陳建和

1.一種基于MIE散射方程觀測算子的氣溶膠資料同化方法，其特征是，步驟如下：

步驟1：獲取氣象場驅動數據和激光雷達消光系數資料，并利用大氣化學模式(WRF-Chem)制作氣溶膠質量濃度分布初始場文件；

步驟2：基于大氣化學模式WRF-Chem中氣溶膠方案MOSAIC的8種污染物種的粒徑分布，8種污染物種分別為黑碳/元素碳(BC/EC)、有機碳(OC)、硫酸鹽(SO4)、硝酸鹽(NO3)、銨鹽(NH4)、氯化物(CL)、鈉鹽(NA)和其它未分類無機物(OIN)，假設其粒徑分布為體積對數雙峰譜分布，并利用網格點濕度計算氣溶膠物種濕粒徑，建立各物種、濕粒徑和消光效率因子Q_ext之間的查找表；

步驟3：利用MIE散射方程構建可直接同化氣溶膠消光系數的同化算子；

由上式看出：消光系數Ext是各物種復折射指數m、消光效率、Q_ext粒子半徑r和dr粒徑范圍內粒子數量之間的函數關系；

步驟4：依據三維變分理論和MIE散射方程，編寫求解三維變分目標泛函的計算機程序，稱為同化系統。

2.根據權利要求1所述一種基于MIE散射方程觀測算子的氣溶膠資料同化方法，其特征在于，步驟1中：為了減少激光雷達消光系數異常值對于同化效果的影響，對數據進行了背景噪聲扣除、距離平方校正、信號去噪、幾何因子校正、極值控制和剔除盲區數據。

3.根據權利要求1所述一種基于MIE散射方程觀測算子的氣溶膠資料同化方法，其特征在于，所述步驟2包括：

2.1)利用氣溶膠初始場分布網格點氣象數據計算該格點處濕度，并通過濕度和氣溶膠物種粒徑的濕增長查找表，查找得到氣溶膠濕增長之后的粒徑，之后利用該粒徑查找各物種不同粒徑對應下的消光效率系數；

吸濕增長能夠讓氣溶膠顆粒物的體積增大，從而導致粒子數譜分布發生整體移動，改變氣溶膠粒子的消光系數；氣溶膠粒子吸濕增長后的氣溶膠粒徑與水汽飽和比的單參數-寇拉方程用下式表示：

式中：D_dry為干粒子直徑，A為常量，σ為液-氣之間表面張力，M_water為水的摩爾質量，R為普適氣體常數，T表示溫度，取常溫，ρ_water為水的密度，表示濕度增長因子，D(RH)為隨RH變化的濕粒子直徑。

氣溶膠粒子吸濕增長后的復折射指數由干氣溶膠復折射指數和液態水的復折射指數體積加權平均計算得到：

式中：m_dry為干氣溶膠復折射指數；m_water為液態水的復折射指數。D氣溶膠粒子粒子直徑；

2.2)查找表構建中RH(相對濕度)取值范圍為0-100％(1％為間隔步長)，對應計算各氣溶膠物種干粒徑0.01-20μm(0.01μm間隔步長)的濕增長半徑，區分BC和其余7種模式輸出變量的復折射指數m，取值范圍為1.3-1.9(0.01間隔步長)。

4.根據權利要求1所述一種基于MIE散射方程觀測算子的氣溶膠資料同化方法，其特征在于，所述步驟3包括：

3.1)基于大氣化學模式(WRF-Chem)中氣溶膠方案(MOSAIC)的8種污染物種，假設其各自粒徑譜分布特征，微分各物種粒徑并通過MIE散射方程計算各自消光系數。

假設污染物種粒子的尺度參數為x＝2πa/λ，復折射率為m＝m₁+i*m₂，則散射光垂直于散射面和平行于散射面的兩個分量的振幅函數中的核心參數為：

消光效率Q_ext表示粒子消光截面與其幾何截面之比，計算方程如下：

MIE散射消光系數Ext的計算為：

假設氣溶膠體積譜分布為雙峰型，各物種由細粒徑(PM_2.5)和粗粒徑(PM_2.5-10)兩部分組成。氣溶膠粒子的雙峰體積譜分布用公式(7)描述：

式中：V₁、V₂、D_g1、D_g2、σ_g1、σ_g2分別為各氣溶膠物種粗細粒徑段總體積、幾何平均粒徑和幾何標準偏差，D為干氣溶膠粒子的粒徑。