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原文传递基于三维变分技术的气溶胶光学特性资料同化方法和装置

专利名称：	基于三维变分技术的气溶胶光学特性资料同化方法和装置
摘要：	本申请涉及一种基于三维变分技术的气溶胶光学特性资料同化方法和装置。所述方法包括：采用体积加权方式，求解气溶胶中气溶胶颗粒物对应粒径范围的平均复折射指数；根据气溶胶颗粒物的尺度参数以及平均复折射指数，采用多项式拟合方式计算气溶胶的消光效率计算值；根据消光效率和气溶胶颗粒物的粒子浓度，计算消光系数计算值和气溶胶光学厚度计算值；将气溶胶逐时质量浓度、卫星反演的光学厚度、激光雷达探测的消光系数廓线、消光效率计算值、消光系数计算值和气溶胶光学厚度计算值进行组合之后，利用目标泛函，输出气溶胶质量浓度资料、光学厚度资料和消光系数资料，并且进行插值生成气溶胶分析场。采用本方法能够准确生成不同光学特性的资料。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	湖南;43
申请人：	中国人民解放军国防科技大学
发明人：	尤伟;汪代春;李毅;臧增亮;潘晓滨
专利状态：	有效
申请日期：	2021-12-01T00:00:00+0800
发布日期：	2022-03-01T00:00:00+0800
申请号：	CN202111456289.4
公开号：	CN114112995A
代理机构：	长沙国科天河知识产权代理有限公司
代理人：	彭小兰
分类号：	G01N21/41;G01S17/88;G;G01;G01N;G01S;G01N21;G01S17;G01N21/41;G01S17/88
申请人地址：	410073 湖南省长沙市开福区德雅路109号
主权项：	1.一种基于三维变分技术的气溶胶光学特性资料同化方法，其特征在于，所述方法包括：采用体积加权方式，求解气溶胶中气溶胶颗粒物对应粒径范围的平均复折射指数；根据所述气溶胶颗粒物的尺度参数以及所述平均复折射指数，采用多项式拟合方式计算气溶胶的消光效率计算值；根据所述消光效率和气溶胶中气溶胶颗粒物的粒子浓度，计算消光系数计算值和气溶胶光学厚度计算值；根据大气化学模式历史资料估计待分析区域的背景误差协方差矩阵，基于待分析区域的气溶胶逐时质量浓度、卫星反演的光学厚度以及激光雷达探测的消光系数廓线，得到待分析区域的观测误差协方差矩阵，基于三维变分技术理论构建目标泛函；将所述气溶胶逐时质量浓度、卫星反演的光学厚度、激光雷达探测的消光系数廓线、消光效率计算值、消光系数计算值和气溶胶光学厚度计算值进行组合之后，结合背景误差协方差矩阵和观测误差协方差矩阵，分别输入至所述目标泛函，输出气溶胶质量浓度资料、光学厚度资料和消光系数资料，并且进行插值生成预设大气化学模式的气溶胶分析场。 2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述采用体积加权方式，求解气溶胶中气溶胶颗粒物对应粒径范围的平均复折射指数，包括：根据气溶胶总体积和气溶胶浓度，得到粒子平均体积；将气溶胶颗粒物等效为球形，根据球形体积计算公式和所述粒子平均体积，得到平均湿半径；根据不同物质的气溶胶颗粒物的复折射指数，采用体积加权方式得到气溶胶中气溶胶颗粒物对应粒径范围的平均复折射指数。 3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，根据所述气溶胶颗粒物的尺度参数以及所述平均复折射指数，采用多项式拟合方式计算气溶胶的消光效率计算值，包括：根据所述平均湿半径和入射波长，得到气溶胶颗粒物的尺度参数；预先通过设置样本，采用拟合多项式的展开系数以及双线性插值，计算所述平均复折射指数对应的展开项系数；根据所述展开项系数和所述尺度参数，构建消光效率计算公式为：其中，Qext表示消光效率计算值，s表示平均湿半径的归一化对数值，Ti(s)为第i阶切比雪夫多项式，Ai为展开项系数，M表示粒径范围总数，i表示粒径段。 4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，根据所述消光效率和气溶胶中气溶胶颗粒物的粒子浓度，计算消光系数计算值和气溶胶光学厚度计算值，包括：根据所述消光效率和气溶胶中气溶胶颗粒物的粒子浓度，计算消光系数计算值和气溶胶光学厚度计算值为： AOD＝∑bext 其中，ri表示平均湿半径，Ni表示粒径i的粒子数浓度，λ表示入射波长，mi表示粒径i的平均复折射指数，4bins表示预设大气化学模式下的粒子浓度模式，AOD表示气溶胶光学厚度计算值，bext表示消光系数计算值。 5.根据权利要求1只4任一项所述的方法，其特征在于，基于三维变分技术理论构建的目标泛函，包括：基于三维变分技术理论构建的目标泛函为：其中，J(x)表示优化目标，x表示控制变量，xb是控制变量的背景值，B和R分别表示背景误差协方差矩阵和观测误差协方差矩阵，h(x)表示观测因子，y表示观测向量。 6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，将所述气溶胶逐时质量浓度、卫星反演的光学厚度、激光雷达探测的消光系数廓线、消光效率计算值、消光系数计算值和气溶胶光学厚度计算值进行组合之后，结合背景误差协方差矩阵和观测误差协方差矩阵，分别输入至所述目标泛函，输出气溶胶质量浓度资料、光学厚度资料和消光系数资料，并且进行插值生成预设大气化学模式的气溶胶分析场，包括：将所述气溶胶逐时质量浓度、预先构建的线性观测算子、背景误差协方差矩阵和观测误差协方差矩阵输入所述目标泛函，得到气溶胶质量浓度资料；将所述激光雷达探测的消光系数廓线、所述消光效率计算值、所述消光系数计算值、背景误差协方差矩阵和观测误差协方差矩阵输入所述目标泛函，得到气溶胶消光系数资料；将所述卫星反演的光学厚度、所述气溶胶光学厚度计算值、所述消光效率计算值、所述消光系数计算值、背景误差协方差矩阵和观测误差协方差矩阵输入所述目标泛函，得到气溶胶光学厚度资料；将所述气溶胶质量浓度资料、光学厚度资料和消光系数资料插值到预设大气化学模式的三维网格点上，得到气溶胶分析场。 7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述控制变量是基于大气化学模式WRF-Chem中的多物种多粒径段气溶胶方案MOSAIC 4bins设计的，控制变量总数为20个，分别为：黑碳、有机碳、硫酸盐和硝酸盐以及铵盐的合并物种、氯化物和钠盐的合并物种、未分类的其他无机盐在4个粒径段内的质量浓度。 8.一种基于三维变分技术的气溶胶光学特性资料同化装置，其特征在于，所述装置包括：观测量计算模块，用于采用体积加权方式，求解气溶胶中气溶胶颗粒物对应粒径范围的平均复折射指数；根据所述气溶胶颗粒物的尺度参数以及所述平均复折射指数，采用多项式拟合方式计算气溶胶的消光效率计算值；根据所述消光效率和气溶胶中气溶胶颗粒物的粒子浓度，计算消光系数计算值和气溶胶光学厚度计算值；数据采集模块，用于根据大气化学模式历史资料估计待分析区域的背景误差协方差矩阵，基于待分析区域的气溶胶逐时质量浓度、卫星反演的光学厚度以及激光雷达探测的消光系数廓线，得到待分析区域的观测误差协方差矩阵，基于三维变分技术理论构建目标泛函；同化模块，用于将所述气溶胶逐时质量浓度、卫星反演的光学厚度、激光雷达探测的消光系数廓线、消光效率计算值、消光系数计算值和气溶胶光学厚度计算值进行组合之后，结合背景误差协方差矩阵和观测误差协方差矩阵，分别输入至所述目标泛函，输出气溶胶质量浓度资料、光学厚度资料和消光系数资料，并且进行插值生成预设大气化学模式的气溶胶分析场。 9.一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1至7中任一项所述方法的步骤。 10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至7中任一项所述的方法的步骤。
所属类别：	发明专利