[發明專利]利用激光雷達比和退偏比反演氣溶膠組分的方法

有效

• 申請號: 202110375211.3
• 申請日: 2021-04-07
• 公開（公告）號: CN113189563B
• 公開（公告）日: 2022-02-08
• 發明（設計）人: 楊婷;王自發;王海波
• 申請（專利權）人: 中國科學院大氣物理研究所
• 主分類號: G01S7/48
• 分類號: G01S7/48;G01N15/00
• 代理公司: 上海漢聲知識產權代理有限公司 31236
• 代理人: 胡晶

本發明公開了一種利用激光雷達比和退偏比反演氣溶膠組分的方法，包括：S1，根據退偏比區分出沙塵、球形氣溶膠以及沙塵與球形氣溶膠的混合物；S2，計算所述沙塵與球形氣溶膠的混合物中的沙塵的混合比；S3，根據激光雷達比區分出球形氣溶膠中的煙灰與水溶性氣溶膠。本發明只需要通過一帶偏振通道的波長即可實現對氣溶膠組分的鑒定，檢測成本低，精確度高。

技術領域

本發明涉及大氣環境監測技術領域，特別涉及一種利用激光雷達比和退偏比反演氣溶膠組分的方法。

背景技術

激光雷達比(S)為消光系數與后向散射系數之比，計算公式為：S_i＝σ_i/β_i (1)其中i表示不同的氣溶膠組分；σ_i代表不同組分的消光系數；β_i代表不同組分的后向散射系數。它是氣溶膠組分得以區分的一個重要參數。對于不同類型的氣溶膠，其激光雷達比有很大差異。以往研究結果表明，來自亞洲或撒哈拉沙漠沙塵粒子的激光雷達比值約為50sr(Burton et al.，2012；Murayama et al.，2004)。純沙塵粒子激光雷達比的變化主要歸因于源區的差異。對于吸收性氣溶膠較強的氣溶膠粒子，如黑碳(BC)，觀測到的激光雷達比值往往較大，集中于70～80sr(Burton et al.，2012；Mueller et al.，2007)。在區域認為排放導致的污染情況下，霾粒子的激光雷達比通常集中在45～60sr(Mueller et al.，2007；Tesche et al.，2007；Xie et al.，2008)。此數值與沙塵粒子的激光雷達比值較為接近，因此若想將沙塵與水溶性氣溶膠粒子準確分離，仍需要借助其他激光雷達參數。

退偏比(δ)是激光雷達信號的垂直偏振分量與水平偏振分量之比，計算公式為：δ＝P_r/P_l(2)其中P_r和P_l分別為信號的垂直分量和水平分量。在NIES米散激光雷達系統中，532nm信號處有一45°偏振方向的偏振片，可將水平和垂直信號進行分離。退偏比是能直接反映氣溶膠粒子形狀的參數。退偏比越大，說明粒子形狀越不規則。根據Sakai et al.(2010)等人的實驗室研究結果，以粗模態為主的沙塵粒子在532nm信號處的退偏比為0.39±0.04。這與外場探測到的沙塵粒子特性一致，來自亞洲或撒哈拉沙漠的沙塵粒子退偏比約為0.3～0.35(Burton et al.，2012；Groβ et al.，2011；Xie et al.，2008)。而城市氣溶膠和生物質燃燒產生的吸收性氣溶膠尺寸較小，退偏比也較小，通常小于0.1～0.2(Burtonet al.，2012；Mamouri and Ansmann，2014；Sakai et al.，2010；Xie et al.，2008)。因此當退偏比處于0.2～0.35之間時，我們認為這是沙塵和其他物種的混合物。

Mie散射理論是針對均勻球形粒子的散射問題所提出的，它是由麥克斯韋方程組推導出來的均質球形粒子在電磁場中對平面波散射的精確解。一般把粒子直徑與入射光波長相當的微粒子所造成的散射稱為米散射。當給定不同氣溶膠類型的粒徑譜分布、復折射指數時，可根據Mie散射理論計算出不同氣溶膠組分的消光系數、后向散射系數，從而得到不同類型氣溶膠的激光雷達比值。

對于單個的球形粒子，其后向散射效率因子Q_b、消光效率因子Q_e都由米散射理論給出了表達式：

其中r為粒子半徑，λ為激光波長；a_n、b_n為復系數，與粒子的半徑和負折射指數有關。因此，只需給定粒子半徑與復折射指數，即可計算出單個粒子的消光、后向散射效率因子。