[發(fā)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?zhí)枺?/td>: 202110203672.2
• 申請日: 2021-02-23
• 公開（公告）號: CN113111565B
• 公開（公告）日: 2022-08-30
• 發(fā)明（設(shè)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(quán)）人: 中國人民解放軍國防科技大學(xué)
• 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(wù)所(普通合伙) 32249
• 代理人: 陳建和

本發(fā)明基于MIE散射方程構(gòu)建了氣溶膠消光系數(shù)的同化算子，屬于大氣污染數(shù)值模擬領(lǐng)域，具體內(nèi)容如下，步驟1：獲取氣象場驅(qū)動數(shù)據(jù)、激光雷達消光系數(shù)資料；步驟2：基于大氣化學(xué)模式(WRF?Chem)中氣溶膠方案(MOSAIC)的8種污染物種，假設(shè)其粒徑分布，計算各物種不同濕度對應(yīng)的濕粒徑，建立各物種、濕粒徑和消光效率因子之間的查找表；步驟3：利用MIE散射方程構(gòu)建可直接同化激光雷達消光系數(shù)的同化算子。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及方法屬于大氣氣溶膠的資料同化領(lǐng)域，主要應(yīng)用于激光雷達消光系數(shù)、大氣能見度資料的同化和大氣空氣質(zhì)量的預(yù)報研究。

背景技術(shù)

大氣氣溶膠資料同化是以空氣質(zhì)量模型預(yù)報結(jié)果作為背景場，以激光雷達或者衛(wèi)星探測的消光系數(shù)、大氣能見度作為觀測數(shù)據(jù)，通過求解三維變分目標泛函，得到更接近于真實和準確的氣溶膠質(zhì)量濃度的三維分析場。對于氣溶膠消光系數(shù)、大氣能見度等非模式變量的觀測數(shù)據(jù)，由于其反演成可直接被同化的模式變量會存在反演誤差，直接同化該資料在理論上更為準確，但其同化難點是建立模式變量與觀測數(shù)據(jù)之間的對應(yīng)關(guān)系，并且利用數(shù)值求解方法計算目標泛函的實現(xiàn)過程。

由于激光雷達的分布較少，主要針對的是垂直方向的消光系數(shù)觀測，所以以往針對激光雷達消光系數(shù)的同化較少。相比之下，大氣能見度觀測資料可由地面自動觀測站實時監(jiān)測，觀測數(shù)據(jù)較為充足，其數(shù)值與氣溶膠消光系數(shù)存在近似的線性關(guān)系，氣溶膠的消光系數(shù)可通過基于MIE理論的數(shù)值模型計算得到。1908年Gustav-Mie提出單分散系均質(zhì)球形粒子在輻射場中對平面散射波的精確解。MIE散射理論假定粒子為球形，由已知顆粒物群的光學(xué)特性及其數(shù)濃度粒徑譜分布，計算顆粒物群的消光和總散射系數(shù)，二者之差即氣溶膠的吸收系數(shù)。嚴格地來說，大氣氣溶膠并非均勻球形粒子，但實際應(yīng)用表明，采用MIE散射理論是可行的。氣溶膠消光系數(shù)的計算包括同種顆粒和多種顆粒的氣溶膠粒子2種理想模型：前者先計算根據(jù)MIE散射理論計算單個球形粒子的消光系數(shù)，然后根據(jù)單位體積內(nèi)含有的同種氣溶膠粒子的數(shù)量得到氣柱在單位路徑長度上具有的總消光系數(shù)，后者先假設(shè)氣溶膠粒子的譜分布(如Junge分布)，進而通過積分計算出消光系數(shù)。第二種模型顯然要比第一種模型更接實際大氣中氣溶膠的情況，本文即采用第二種模型，提前構(gòu)建氣溶膠譜分布。因此本發(fā)明基于MIE散射方程，構(gòu)建可以直接同化激光雷達消光系數(shù)的方法。本發(fā)明人團隊申請過一種基于IMPROVE方程的氣溶膠消光系數(shù)的三維變分同化方法。

Kikasǜ,Mirme A,Tamm E.Examining the relationship between aerosol sizedistribution and atmospheric visibility in an urban area[J].J Aerosol Sci,1998,29:S661-S662.

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明目的是，基于MIE散射方程構(gòu)造一種同化觀測算子，建立空氣污染模式變量和觀測變量之間的對應(yīng)關(guān)系，可以利用三維變分方法，直接同化觀測變量，在空氣質(zhì)量模式背景場的基礎(chǔ)上，利用激光雷達消光系數(shù)資料，生成更準確的氣溶膠(PM2.5/PM10的質(zhì)量濃度分布)初始場，使得氣溶膠質(zhì)量濃度三維分布的預(yù)報更為準確。

本發(fā)明的技術(shù)方案，一種基于MIE散射方程觀測算子的氣溶膠資料同化方法，步驟如下：

步驟1：獲取氣象場驅(qū)動數(shù)據(jù)和激光雷達消光系數(shù)資料(污染物排放源文件)，并利用大氣化學(xué)模式(WRF-Chem)制作氣溶膠質(zhì)量濃度分布初始場文件；

步驟2：基于大氣化學(xué)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(shè)其粒徑分布為對數(shù)雙峰譜分布，并利用網(wǎng)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(gòu)建可直接同化氣溶膠消光系數(shù)的同化算子；