一种基于云高仪的气溶胶垂直廓线反演方法及系统

本发明属于激光雷达主动遥感，具体涉及一种基于云高仪的气溶胶垂直廓线反演方法及系统。

背景技术：

1、获取准确的气溶胶垂直分布特征在全球辐射强迫估算、气候效应评估和大气污染传输等研究中都具有重要意义，能减小相关研究中的不确定性。然而，传统的大气探测激光雷达在观测气溶胶垂直分布特征时，会面临卫星重访周期长、地基站点密度低、近地观测盲区大等问题。使用云高仪这一新式激光雷达获取气溶胶的垂直分布特征，能够充分发挥云高仪成本低、环境适应性强、地基站点布设密集、垂直探测盲区小的优势，能为相关研究提供更密集和更充足的数据支持，对构建我国气溶胶垂直廓线数据库具有重要意义。

2、将云高仪数据用于反演气溶胶垂直廓线会面临许多问题。首先，云高仪发射的激光能量通常很弱，会受到暗电流等噪声的严重影响，导致回波信号的信噪比过低。其次，当云高仪中心波长在910nm左右时，探测到的回波信号会受到大气中水汽吸收作用的影响，极有可能给气溶胶垂直廓线的反演带来不可忽视的误差。除此之外，传统激光雷达反演气溶胶垂直廓线的方法需要探测到洁净高空的回波信号，但这超出了云高仪的探测范围，使得传统反演方法并不完全适用于云高仪。这些问题都给基于云高仪数据的气溶胶垂直廓线反演带来了困难。随着云高仪的广泛应用，适用于云高仪的气溶胶反演方法也在不断发展，可以通过数据校正提高信号质量，然后估算云高仪的校准常数进而实现气溶胶垂直廓线的反演。但是这些方法仍然存在着数据校正效率低、校准常数估算不准确、可用估算案例不足等问题，限制了反演方法的适用性和气溶胶垂直廓线反演结果的精确度。

技术实现思路

1、本发明针对现有技术的不足，提供一种基于云高仪的气溶胶垂直廓线反演方法，能够提高云高仪校准常数估算的精度，进而改善气溶胶垂直廓线的反演结果。

2、为了实现上述目的，本发明提供一种基于云高仪的气溶胶垂直廓线反演方法，包括以下步骤：

3、步骤1，利用hitran数据库的水汽分子吸收数据、微波辐射计和太阳光度计的观测数据对云高仪的距离校正信号进行数据校正，提高云高仪的数据质量；

4、步骤1.1，根据气溶胶米氏散射理论，利用太阳光度计的气溶胶光学厚度aod数据，估算气溶胶的激光雷达比；

5、步骤1.2，使用云高仪暗电流自动估算法确定月度暗电流信号；

6、步骤1.3，根据云高仪瞬时观测廓线和步骤1.2估算的月度暗电流信号廓线的均值差值，估计每条观测廓线的偏移信号；

7、步骤1.4，利用hitran数据库水汽分子吸收线的数据和微波辐射计的气象廓线观测数据计算总有效水汽吸收透射率，并建立有效水汽吸收透射率和综合水汽含量之间的模型；

8、步骤1.5，对云高仪观测的距离校正信号廓线进行背景校正和水汽校正，获取校正处理后的距离校正信号廓线；

9、步骤2，估算云高仪校准常数；

10、步骤2.1，针对校正后的距离校正信号，利用气溶胶和云检测算法区分每条信号廓线的云层和气溶胶层，确定云层层顶和云层层底的高度位置；

11、步骤2.2，从观测到云层的云高仪信号廓线中，筛选出适用于校准常数估算的水云云层所在的信号廓线；

12、步骤2.3，迭代估算云高仪校准常数；

13、步骤3，基于fernald算法和步骤2估算的云高仪逐日校准常数，利用云高仪每日观测的信号廓线反演气溶胶后向散射系数廓线和消光系数廓线。

14、而且，所述步骤1.4中收集hitran数据库水汽分子吸收线的数据和微波辐射计的气象廓线观测数据，在中心波长处根据高斯滤波加权计算总有效水汽吸收透射率，即：

15、

16、式中，ai为波长λi处的加权参数，服从高斯分布；n为云高仪发射光谱的区间总数目；tw(z,λi)为波长λi、高度z处的水汽吸收透射率，利用hitran数据库和微波辐射计提供的气象数据计算得到；tw,eff(z)表示高度z处的有效水汽吸收透射率。

17、建立有效水汽吸收透射率和综合水汽含量之间的统计模型为：

18、

19、式中，tw,eff(z)表示高度z处的有效水汽吸收透射率；iwv(z)表示高度z处的综合水汽含量，利用微波辐射计提供的气象数据计算得到。

20、而且，所述步骤1.5中云高仪探测到的距离校正信号可表示为：

21、

22、式中，rcs(z)表示在高度z处云高仪探测到的距离校正信号，p(z)表示在高度z处探测到的后向散射回波信号，cl为云高仪系统的校准常数，βa(z)、βm(z)分别是在云高仪发射波长处高度为z的气溶胶和大气分子的后向散射系数，ta(z)、tm(z)分别是在云高仪发射波长处高度为z的气溶胶和大气分子的透射率，tw,eff(z)表示高度z处的有效水汽吸收透射率，pd(z)则表示高度z处的暗电流信号，poff表示偏移信号。

23、背景校正指在云高仪观测的距离校正信号廓线中剔除暗电流信号和偏移信号，水汽校正指剔除有效水汽吸收透射率的影响，校正处理后的距离校正信号廓线rcs′(z)计算方式为：

24、

25、式中，rcs(z)是在高度z处云高仪探测到的距离校正信号，pd(z)则表示高度z处的暗电流信号，poff表示偏移信号，te,eff(z)表示高度z处的有效水汽吸收透射率。

26、而且，所述步骤2.1中利用vde算法识别云层和气溶胶层，具体操作如下：

27、将校正后的距离校正信号rcs′(z)按照升序进行重新排序，得到新的信号序列rs(i)和对应的原索引序列is(i)，离散信号数量i＝1,2,…n，令最大值和最小值分别为ma和mi，则新的数据序列y(i)计算方式如下：

28、y(i)＝pe(i)(ma-mi)+mi,(i＝1,2,…n)         (5)

29、式中，pe(i)为映射比例系数，计算公式如下：

30、pe(i)＝i/n,(i＝1,2,…n)                 (6)

31、如果rs(i)＝rs(i-1)，则有pe(i)＝pe(i-1)。

32、均衡化后的信号廓线pn(z)为：

33、pn(z)＝pn[is(i)]＝y(i),(i＝1,2,…n)          (7)

34、以(z1,ma)和(zn,mi)的连线为基线，探测到气溶胶或云层时，信号pn(z)将远离该基线，由此识别出气溶胶和云，z1是校正后的距离校正信号最大值对应的高度值，zn是校正后的距离校正信号最小值对应的高度值。经过vde算法识别出的结果云层和气溶胶层是混合在一起的，当粒子层满足下列三个条件时，可被识别为云层：一是层内峰值大于层顶、层底处距离校正信号的δ1倍；二是在层底大于δ2m时，f(z)＝dln[rcs′ceil(z)]/dz的最大值大于δ3或最小值小于δ4；三是层内的距离校正信号峰值大于δ5，δ1-δ5均为设定的阈值。

35、而且，所述步骤2.2中筛选条件包括：选取云底在δ6-δ7km之间的水云云层；剔除气溶胶污染过于严重的廓线；只保留水云信号峰值大于δ8，且是云顶、云底处信号的δ9倍以上的廓线；只保留仪器的脉冲能量和窗口透射率正常时的廓线，δ6-δ9均为设定的阈值。

36、而且，所述步骤2.3中对筛选出的每条水云廓线迭代计算云高仪校准常数cl，具体计算公式如下：

37、

38、式中，rcs′(z)表示校正后的距离校正信号，tbase表示云下大气总透射率，η表示水云的多重散射因子，s表示激光雷达比。

39、水云在高度z处的表观后向散射信号表示为：

40、

41、式中，β(z)是高度z处的后向散射系数，η是水云的多重散射因子，δ(z)是从地面到高度z处的光学厚度。

42、将步骤2.2筛选出的水云的参数输入hogan多重散射模型，水云参数包括消光系数α、平均液滴有效直径d和激光雷达比s，能够估算出水云的多重散射因子η，设定云下大气总透射率tbase的初始值，将校正后的云高仪观测的距离校正信号rcs′(z)、tbase和水云参数s、η代入到公式(8)中，求得校准常数cl，再将cl代入到公式(3)中，由于rcs(z)、tw,eff(z)、pd(z)和poff均为已知量，且βa(z)+βm(z)可由fernald算法的前向积分形式求解得到，因此可得的值，即为新的云下大气总透射率tbase，将本轮迭代计算求得的新的云下大气总透射率tbase和校正后的云高仪观测的距离校正信号rcs′(z)、水云参数s、η代入到公式(8)中，求得下一轮迭代计算的校准常数cl。重复上述步骤，直到前后两次迭代计算的校准常数cl相对差值小于δ10％，停止迭代，保留该条水云廓线的校准常数cl。若迭代次数超过δ11次还没满足迭代停止条件，则舍弃该条水云廓线的校准常数cl。检查每条水云廓线和左右各δ12条廓线的估算结果，若估算结果之间差异大于设定阈值则剔除该水云廓线。当一天之内计算的校准常数大于δ13个时，使用3σ原则剔除异常值，并估算当天的平均系统校准常数。对估算的云高仪校准常数进行时间插值、平滑处理，获取探测时间内的每日云高仪校准常数；δ10-δ13均为设定的阈值。

43、而且，所述步骤3中利用大气数据均值近似计算大气分子后向散射系数廓线βm(z)，将校正后的距离校正信号rcs′(z)、步骤2估算的校准常数cl和步骤1.1求得的气溶胶和大气分子的激光雷达比sa、sm代入fernald算法的前向积分形式求得βa(z)+βm(z)的值，计算公式如下：

44、

45、式中，sa、sm分别代表气溶胶和大气分子的激光雷达比。

46、由于βm(z)已知，因此能够得到βa(z)。将校准常数cl代入到公式(3)中，由于rcs(z)、tw,eff(z)、pd(z)和poff均为已知量，且βa(z)+βm(z)可由fernald算法的前向积分形式求解得到，因此可得的值，而云高仪在发射波长处的气溶胶和大气分子的透射率ta(z)、tm(z)由下式表示：

47、

48、

49、式中，αa(z)为气溶胶消光系数廓线，αm(z)为大气分子消光系数廓线。

50、由此可得αa(z)+αm(z)的值，其中大气分子的消光系数αm(z)可由气象数据计算得到，因此可以得到αa(z)。

51、本发明还提供一种基于云高仪的气溶胶垂直廓线反演系统，用于实现如上所述的一种基于云高仪的气溶胶垂直廓线反演方法。

52、而且，包括处理器和存储器，存储器用于存储程序指令，处理器用于调用存储器中的程序指令执行如上所述的一种基于云高仪的气溶胶垂直廓线反演方法。

53、或者，包括可读存储介质，所述可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序执行时，实现如上所述的一种基于云高仪的气溶胶垂直廓线反演方法。

54、与现有技术相比，本发明具有如下优点：

55、1)本发明解决了低信噪比、水汽吸收和校准常数估算不准这三个问题给云高仪数据带来的限制和影响，给出了完整的气溶胶反演步骤，提高了云高仪校准常数估算的精度，改善了气溶胶垂直廓线的反演结果，最终扩展了云高仪在反演气溶胶垂直结构这一领域中的应用能力。

56、2)本发明所提方法能够广泛应用于云高仪网络中，在气溶胶污染较为严重的地区具有良好的适用性，同时也能对云下气溶胶进行探测和反演。因此，该方法可用于气溶胶垂直廓线数据库的构建，也能为云-气溶胶相互作用等大气遥感相关研究提供新的数据来源支持。