耦合吸收性气溶胶模型的大气矢量辐射传输模拟方法与流程

本发明涉及大气辐射传输模拟技术领域，尤其涉及一种耦合吸收性气溶胶模型的大气矢量辐射传输模拟方法。

背景技术：

随着经济的发展，我国大气环境问题日趋严重。日益频发的灰霾等高浓度气溶胶污染天气，造成区域空气质量的恶化，直接危害国民身体健康，同时造成大气能见度下降，阻碍交通出行。当前我国环境监测与研究手段主要基于地面分散的环境监测站点，大气环境的及时、准确、大范围、动态监测和评估能力薄弱。随着我国大气污染形势的日益严峻，利用卫星遥感进行大气污染监测已成为不可或缺的技术手段。

目前，通常利用多角度偏振卫星遥感技术进行灰霾等高浓度气溶胶天气下的气溶胶特性及其时空分布的动态监测应用。例如，国内高分五号卫星搭载的大气气溶胶多角度偏振探测仪，具有观测角度多、偏振信息丰富等特点，对于典型灰霾天气下细颗粒物中的高浓度吸收性气溶胶具有较高的识别能力，是目前国内最重要的多角度偏振卫星遥感载荷。

矢量辐射传输模型定量描述辐射在地表-大气耦合介质中的传输过程，是气溶胶卫星遥感反演的核心技术。气溶胶卫星遥感反演的精度直接受制于地气耦合系统的矢量辐射传输过程模拟的准确性。目前通用的气溶胶卫星遥感反演模型，主要基于耦合国外气溶胶特性的辐射传输模型来构建。由于中国区域高浓度气溶胶的特殊性，目前国外卫星遥感通用的辐射传输模型，无法有效应用于中国区域的灰霾等高浓度气溶胶条件下的卫星遥感反演。这导致气溶胶遥感反演精度不高，不能有效地服务于高分五号卫星多角度偏振探测仪的气溶胶监测应用。

目前通用的气溶胶卫星遥感反演模型，主要基于耦合国外气溶胶特性的辐射传输模型来构建，如6sv、modtran等模型。但是由于这些模型中的气溶胶特性参数都是基于国外观测获得，与国内灰霾等天气下的高浓度吸收性气溶胶理化光学特性具有较大的差异，无法准确模拟国内灰霾天气下的大气矢量辐射传输过程，制约气溶胶遥感反演精度。

在国外通用的大气矢量辐射传输模型中，真实场景中的气溶胶具有复杂微观形态，被假设为标准球形形态和椭球体形态，如图1所示，可以有效解决晴空和沙尘高浓度天气下的多角度偏振反射特性模拟需求。但是，针对灰霾天气下的高浓度吸收性气溶胶，这些模型模拟获得的光学特性与真实场景仍然具有较大差异，无法满足多角度偏振反射特性模拟的精度要求。

技术实现要素：

针对目前通用的气溶胶卫星遥感反演模型精度低的现状，本发明提供一种耦合吸收性气溶胶模型的大气矢量辐射传输模拟方法，基于中国区域灰霾等高浓度气溶胶特性，在不同大气条件下，考虑了气溶胶的多成份混合比例、复杂微观形态和吸湿增长效应，改善了灰霾和沙尘高浓度气溶胶条件下的矢量辐射传输模拟精度。

为达到上述目的，本发明提供了一种耦合吸收性气溶胶模型的大气矢量辐射传输模拟方法，包括：

将大气条件按照气溶胶光学厚度及气溶胶粒子半径谱分布划分为晴空条件、灰霾高浓度气溶胶条件以及沙尘高浓度气溶胶条件；

基于每种大气条件下黑碳、棕碳、沙尘、有机物和无机盐的体积等效粒子半径谱分布，获得每种大气条件下黑碳、棕碳、沙尘、有机物和无机盐按照各种比例混合形成混合气溶胶的体积等效粒子半径谱分布；

根据混合气溶胶包含的微观形态和吸湿增长特性，按照不同成份的不同混合比例和对应的体积等效粒子半径，建立高浓度吸收性气溶胶的微观三维模型和单次散射模型；

基于大气廓线上各个高度层的混合气溶胶体积等效粒子半径谱分布，计算获得混合气溶胶的光学散射特性，用于改进矢量辐射传输模型的气溶胶输入；利用倍加累加方法，解算获得整层大气的矢量辐射特性。

进一步地，将大气条件按照气溶胶光学厚度及粒子半径划分包括：

实际的气溶胶可以用双峰正态谱分布来表达气溶胶粒子半径的分布情况，分别为粒子半径小于0.6μm的细粒子和粒子半径大于等于0.6μm的粗粒子。

气溶胶光学厚度小于0.4为晴空条件；气溶胶光学厚度大于等于0.4且气溶胶粒子半径双峰正态谱分布中细粒子峰值大于粗粒子峰值为灰霾高浓度气溶胶条件；气溶胶光学厚度大于等于0.4且气溶胶粒子半径双峰正态谱分布中细粒子峰值小于等于粗粒子峰值为沙尘高浓度气溶胶条件。

进一步地，每种成份的体积等效粒子半径谱分布描述为：

n(ri)为该成份的体积等效粒子半径谱分布，ri为该成份的体积等效粒子半径，σi为该成份的标准差，ri.m为该成份的粒子半径极大值。

进一步地，混合气溶胶的体积等效粒子半径谱分布由不同成份的体积等效粒子共同叠加组成：

n(rmix)为混合气溶胶的体积等效粒子半径谱分布，fi为第i种成份在混合气溶胶中的混合比例，ri为其中第i种成份的等效粒子半径，n(ri)为第i种成份的个数，n为该混合气溶胶粒子的成分数量。

进一步地，其特征在于根据混合气溶胶包含的微观形态和混合方式，结合吸湿增长特性，按照不同成份的不同混合比例和对应的体积等效粒子半径，建立高浓度吸收性气溶胶的微观三维模型和单次散射模型，包括：

黑碳的体积等效粒子半径为rbc，在三维微观形态上设为团簇体，单个黑碳粒子由许多个小粒子聚集而成；其中，小粒子半径a假设为0.02μm，小粒子个数ns由等效粒子半径和小粒子半径计算获得：

即混合气溶胶中单个黑碳粒子的三维形态为ns个半径为a的小球聚集成；

沙尘的体积等效粒子半径为rdust，沙尘的三维微观形态设为椭球体，长宽比为2，短轴lw对称，长轴为短轴的2倍，满足

棕碳、有机物和无机盐的三维微观形态设为球体，其体积等效粒子半径分别为rbrc，rorg和rinorg；

在高湿度大气条件下，吸湿增长造成有机物和无机盐的体积等效粒子半径随着老化过程而逐渐增大：

为有机物或无机盐吸湿后的体积等效粒子半径，frh≥1为有机物或无机盐的吸湿增长因子，ri为有机物或无机盐吸湿前的体积等效粒子半径；

根据混合气溶胶包含的微观形态和吸湿增长特性，按照不同成份的不同混合比例和对应的体积等效粒子半径，建立高浓度吸收性气溶胶的微观三维模型；

面向离散偶极方法，构建混合气溶胶的单次散射模型，对构建出来的气溶胶的微观三维模型进行离散化处理，获得相应的偶极子群；利用离散偶极法，计算获得具有某种成份某个体积等效粒子半径的散射截面csca(ri)、吸收截面cabs(ri)和散射矩阵p(θ,ri)，θ为散射角度。

进一步地，模拟各种混合气溶胶等效粒子半径谱分布，获得各种混合气溶胶的光学散射特性，用于表征某一层大气的气溶胶特性，作为矢量辐射传输模拟的气溶胶输入，包括：

根据谱分布的比例积分获得该层的混合气溶胶的光学散射特性；

<csca>、<cabs>和<p(θ)>分别为某一层大气的气溶胶散射截面、吸收截面和散射矩阵，由混合气溶胶不同成份的体积等效粒子半径谱分布和混合比例积分得到。在某个体积等效粒子半径下，csca(ri)、cabs(ri)和p(θ,ri)分别为第i种成份的散射截面、吸收截面和散射矩阵，n(ri)为第i种成份的个数,fi(ri)为第i种成份的混合比例；

该层大气的单次散射反照率为：

将大气廓线上每个高度层的单次散射反照率和散射矩阵，作为矢量辐射传输模型的气溶胶输入；利用倍加累加方法，解算获得整层大气的矢量辐射传输特性。

本发明的上述技术方案具有如下有益的技术效果：

本发明提出了的耦合吸收性气溶胶的大气矢量辐射传输模拟方法，综合不同成份和不同粒子半径的气溶胶微观理化参数和光学特性，针对高浓度吸收性气溶胶，按照各种比例混合形成混合气溶胶的体积等效粒子半径谱分布，考虑各种气溶胶成份的微观形态和吸湿增长，计算各种比例混合气溶胶的光学散射特性。在大气廓线上每个高度层按照不同成份的混合比例和体积等效粒子半径谱分布获得气溶胶的光学散射特性，用于改进矢量辐射传输模型的气溶胶输入；利用倍加累加方法，解算获得整层大气的矢量辐射传输特性。本发明利用多个小粒子团簇聚合、椭球和球形等形态表征不同成份的微观形态和混合状态，建立含水类气溶胶粒子中水的体积占比与湿度之间的相关性表征高浓度吸收性气溶胶粒子的吸湿增长规律。本发明的基于不同时空条件下的气溶胶粒子的微物理特性，综合不同高度层的不同成份粒子半径谱分布的气溶胶微观理化参数和光学散射特性，改进矢量辐射传输模型的气溶胶输入。最终获得的大气矢量辐射传输模型优化了灰霾和沙尘高浓度气溶胶的天气情况，适用性好，对大气辐射传输模拟的准确率高。通过耦合吸收性气溶胶模型，在不同大气条件下，考虑了气溶胶的多成份混合比例、复杂微观形态和吸湿增长效应，改善了灰霾和沙尘高浓度气溶胶条件下的矢量辐射传输模拟精度。

附图说明

图1为现有大气矢量辐射传输模型中的气溶胶模型示意图；

图2为耦合高浓度吸收性气溶胶的大气矢量辐射传输模拟方法流程示意图；

图3(a)为气溶胶不同成份的微物理模型；图3(b)为吸湿变化规律示意图；

图4为倍加累加法的基本原理示意图；

图5(a)为灰霾高浓度气溶胶天气遥感原始图像；图5(b)为采用本发明大气矢量辐射传输模拟方法结果示意图；图5(c)为采用常规模型获得的结果示意图；

图6(a)为基于gf-5/dpc载荷细粒子气溶胶光学厚度aod反演结果；图6(b)为细粒子aod结果；

图7(a)为传统辐射传输模型细颗粒物反演结果与地面站点的精度验证结果；图7(b)为本发明辐射传输模型，细颗粒物反演结果与地面站点的精度验证结果。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

提出了一种耦合高浓度吸收性气溶胶的大气矢量辐射传输模拟方法，综合不同成份和不同粒子半径的气溶胶微观理化参数和光学特性，针对高浓度吸收性气溶胶，按照各种比例混合形成混合气溶胶的体积等效粒子半径谱分布，考虑各种气溶胶成份的微观形态和吸湿增长，计算各种比例混合气溶胶的光学散射特性。在大气廓线上每个高度层按照不同成份的混合比例和体积等效粒子半径谱分布获得气溶胶的光学散射特性，用于改进矢量辐射传输模型的气溶胶输入；利用倍加累加方法，解算获得整层大气的矢量辐射传输特性。结合图2，具体步骤如下：

(1)将大气条件按照气溶胶光学厚度及粒子半径谱分布来划分为晴空条件、灰霾高浓度气溶胶条件以及沙尘高浓度气溶胶条件；

(2)实际的气溶胶可以用双峰正态谱分布来表达气溶胶粒子半径的分布情况，分别为粒子半径小于0.6μm的细粒子和粒子半径大于等于0.6μm的粗粒子。

将大气条件分成气溶胶光学厚度小于0.4的晴空条件、气溶胶光学厚度大于等于0.4且气溶胶粒子半径双峰正态谱分布中细粒子峰值大于粗粒子峰值为灰霾高浓度气溶胶条件，气溶胶光学厚度大于等于0.4且气溶胶粒子半径双峰正态谱分布中细粒子峰值小于等于粗粒子峰值为沙尘高浓度气溶胶条件。在大气矢量辐射传输模拟中，首先需要依据气溶胶光学厚度和粒子半径谱分布进行区分。

(3)面向所述大气条件，从气溶胶粒子谱分布出发，获得黑碳、棕碳、沙尘、有机物、无机盐的体积等效粒子半径谱分布。

由于粒子形态不是标准球形，需要假设其为体积等效粒子半径，其谱分布假设为对数正态分布。每种成份的体积等效粒子半径谱分布描述为：

n(ri)为该成份的体积等效粒子半径谱分布，ri为该成份的体积等效粒子半径，σi为该成份的标准差，ri.m为该成份的粒子半径极大值。

(4)获得每种大气条件下黑碳、棕碳、沙尘、有机物和无机盐按照各种比例混合形成混合气溶胶等效粒子半径谱分布。

混合气溶胶的体积等效粒子半径谱分布由不同成份的体积等效粒子共同叠加组成：

n(rmix)是混合气溶胶的体积等效粒子半径谱分布，fi是各个成份在混合气溶胶中的混合比例，ri为其中第i种成份的等效粒子半径，n为该混合气溶胶粒子的成分数量。

混合气溶胶需要考虑混合比例谱分布，即不同粒子半径条件下单个混合气溶胶粒子中各种不同成份之间的混合比例数组，按照5种成分的占比进行排列组合和数值的归一化。例如，黑碳与有机物、无机盐共同组成的粒子中，[0.2,0,0,0.5,0.3]代表这个混合比例谱分布的参与成份中黑碳占比20％，有机物占比50％，无机盐占比30％，其和为100％。根据实际观测和模型模拟，混合气溶胶可以由表1中的30种类型组成，然后再进行归一化。

表1混合气溶胶类型

(5)根据混合气溶胶包含的微观形态和混合方式，结合吸湿增长特性，按照不同成份的不同混合比例和对应的体积等效粒子半径，建立高浓度吸收性气溶胶的微观三维模型和单次散射模型，如图3所示。

黑碳的体积等效粒子半径为rbc，在三维微观形态上设为团簇体，单个黑碳粒子由许多个小粒子聚集而成。其中，小粒子半径a假设为0.02μm，小粒子个数ns由等效粒子半径和小粒子半径计算获得：

即混合气溶胶中单个黑碳粒子的三维形态为ns个半径为a的小球聚集成；

沙尘的体积等效粒子半径为rdust，沙尘的三维微观形态设为椭球体，长宽比为2，短轴lw对称，长轴为短轴的2倍，满足

棕碳、有机物和无机盐的三维微观形态设为球体，其体积等效粒子半径分别为rbrc，rorg和rinorg；

例如黑碳、有机物和无机盐混合的粒子，粒子半径为1μm，混合比例为[0.2,0,0,0.5,0.3]，则在模型构建中黑碳为体积等效粒子半径为0.58μm的团簇体，有机物为体积等效粒子半径为0.79μm的球体，无机盐为体积等效粒子半径为0.67μm的球体。

在高湿度大气条件下，吸湿增长造成有机物和无机盐的体积等效粒子半径随着老化过程而逐渐增大：

为有机物或无机盐吸湿后的体积等效粒子半径，frh≥1为有机物或无机盐的吸湿增长因子，ri为有机物(rorg)或无机盐(rinorg)吸湿前的体积等效粒子半径；

根据混合气溶胶包含的微观形态和吸湿增长特性，按照不同成份的不同混合比例和对应的体积等效粒子半径，建立高浓度吸收性气溶胶的微观三维模型。

面向离散偶极方法，构建混合气溶胶的单次散射模型。对构建出来的气溶胶的微观三维模型进行离散化处理，获得相应的偶极子群。利用离散偶极法，计算获得具有某种成份某个体积等效粒子半径的散射截面(csca(ri))、吸收截面(cabs(ri))和散射矩阵(p(θ,ri))，θ为散射角度。

(6)模拟各种混合气溶胶等效粒子半径谱分布，获得各种混合气溶胶的光学散射特性，用于表征某一层大气的气溶胶特性，作为矢量辐射传输模拟的气溶胶输入，包括：

根据谱分布的比例积分获得该层的混合气溶胶的光学散射特性；

<csca>、<cabs>和<p(θ)>分别为某一层大气的气溶胶散射截面、吸收截面和散射矩阵，由混合气溶胶不同成份的体积等效粒子半径谱分布和混合比例积分得到。在某个体积等效粒子半径下，csca(ri)、cabs(ri)和p(θ,ri)分别为第i种成份的散射截面、吸收截面和散射矩阵，n(ri)为第i种成份的个数,fi(ri)为第i种成份的混合比例。

该层大气的单次散射反照率为：

将大气廓线上每个高度层的单次散射反照率和散射矩阵，作为矢量辐射传输模型的气溶胶输入；模拟不同高度层的气溶胶粒子群的光学特性，假设地表贡献不变，利用倍加累加方法，不断的将相邻的大气层进行合并，分别模拟分析晴空、灰霾高浓度和沙尘高浓度条件下的辐射传输特性。进一步考虑大气气体分子的吸收和散射特性，以及地表下垫面的反射特性，可以得到不同区域下耦合高浓度吸收性气溶胶的大气矢量辐射传输模型。利用倍加累加方法，解算获得整层大气的矢量辐射传输特性。

如果将大气层分为水平分布的若干层，利用累加法可以用来计算相邻两层联合之后总的反射率和透过率。如图4所示，当光线从上方射入时，r1，t1代表上面一层的反射率和总的透过率(包括直接透射和来自漫反射的透射)，当光线从下方射入时，反射率和总的透过率用来表示。理论上，光束在相邻两层之间会经历无限次的散射。考虑到两层之间的多次散射，组合后的反射率和透过率可以写为：

r12＝r1+t1^*r2t1+t1^*r2r1^*r2t1+t1^*r2r1^*r2r1^*r2t1+...＝r1+t1^*r2(1+r1^*r2+(r1^*r2)²+...)t1＝r1+t1^*r2(1-r1^*r2)^-1t1

t12＝t2t1+t2r1^*r2t2+t2r1^*r2r1^*r2t2+...＝t2(1+r1^*r2+(r1^*r2)²+...)t1＝t2(1-r1^*r2)^-1t1

由上述公式可知，如果我们将大气层分割为平行的若干层，那么不断的对相邻两层进行累加，可以得到整层大气的反射率与透过率，实际上就解算了辐射传输方程。理论上上下两层的光学厚度可以不同，但在数值计算中，我们常常将大气层分为光学厚度相同的若干薄层，这时候累加法(adding)就被称作为倍加法(doubling)。

基于长时间序列聚类获得高浓度气溶胶类型的理化光学特性，综合不同成份和不同粒子半径的气溶胶粒子的微观理化参数和光学特性，利用混合气溶胶粒子半径谱分布积分，获得高浓度吸收性气溶胶的光学散射特征。针对多角度偏振探测仪的观测方式及气溶胶卫星遥感应用，面向不同大气条件下的气溶胶的光学散射特性，假设地表贡献不变，利用倍加累加方法，不断的将相邻的大气层进行合并，解算获得整层大气的矢量辐射特性。

如图5所示采用本发明大气矢量辐射传输模拟方法结果对比示意图。在遥感应用中，如高浓度吸收性气溶胶天气下中国典型区域的气溶胶遥感反演方面，本发明提供的模拟方法具有良好的应用效果。

如图6(a)为基于gf-5/dpc载荷细粒子气溶胶光学厚度aod反演结果；图6(b)为细粒子aod结果；图7(a)为传统辐射传输模型细颗粒物反演结果与地面站点的精度验证结果；图7(b)为本发明辐射传输模型，细颗粒物反演结果与地面站点的精度验证结果；面向高分五号多角度偏振探测仪，开展细粒子气溶胶光学厚度反演研究，相对传统模型，项目提出的模型在验证的r2由0.79增加到0.85，斜率由0.79增加到0.97，有效提高了高分五号多角度偏振探测仪载荷的适用性。

在实际应用中，该方法可以用于光学星载遥感器的正向矢量辐射传输模拟，获得不同大气条件、不同地表下垫面和不同观测条件下的多角度(偏振)辐射亮度。该方法重点改进了灰霾和沙尘高浓度气溶胶主导的重污染天气下的矢量辐射传输模拟精度和适用性，通过生成精确的查找表，支撑大气参数遥感反演和遥感图像大气校正等应用。

综上所述，本发明涉及一种耦合吸收性气溶胶模型的大气矢量辐射传输模拟方法，将大气条件按照气溶胶光学厚度及气溶胶粒子半径谱分布划分为晴空条件、灰霾高浓度气溶胶条件以及沙尘高浓度气溶胶条件；基于每种大气条件下黑碳、棕碳、沙尘、有机物和无机盐的体积等效粒子半径谱分布，按照各种比例混合形成混合气溶胶的体积等效粒子半径谱分布；考虑各种气溶胶成份的微观形态和吸湿增长，计算各种比例混合气溶胶的光学散射特性；在大气廓线上每个高度层按照不同成份的混合比例和体积等效粒子半径谱分布获得气溶胶的光学散射特性，用于改进矢量辐射传输模型的气溶胶输入；利用倍加累加方法，解算获得整层大气的矢量辐射传输特性。该方法，通过耦合吸收性气溶胶模型，在不同大气条件下，考虑了气溶胶的多成份混合比例、复杂微观形态和吸湿增长效应，改善了灰霾和沙尘高浓度气溶胶条件下的矢量辐射传输模拟精度。

应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。