1.一种针对均匀混合气溶胶吸湿增长因子的反演算法,其特征在于:包括以下步骤:
S1:选取资料:包括一时段内浊度计,黑碳仪和GRIMM180环境颗粒物监测仪的逐时观测资料,以及该时段同时次的环境气象监测数据(大气能见度,相对湿度RH和NO2质量浓度);
S2:资料处理:对大气消光系数进行组分分解,借助米散射理论,构建以均匀混合气溶胶吸湿增长因子为唯一变量的目标函数;
S3:据此反演了均匀混合气溶胶吸湿增长因子;
S4:进一步建立了成都地区秋冬季均匀混合气溶胶吸湿增长的本地化模型,并利用该模型模拟了气溶胶散射系数和吸收系数。
2.根据权利要求1所述的一种针对均匀混合气溶胶吸湿增长因子的反演算法,其特征在于:所述步骤S1中具体选取仪器为:AURORA-3000型浊度计、AE-31型黑碳检测仪、GRIMM180环境颗粒物监测仪、LUFFTWS600一体式气象站、NO2-NOx分析仪和GRIMM180大气颗粒物监测仪。
3.根据权利要求2所述的一种针对均匀混合气溶胶吸湿增长因子的反演算法,其特征在于:在所述步骤S2中,大气消光系数代表光线在大气中传播单位距离时的相对衰减率,当对比感阈值ε为0.05时,在550nm波长处的环境大气消光系数bext(RH)(Km-1)与大气能见度V(Km)的关系见式(1),将550nm波长处的环境条件下大气消光系数bext(RH)(Mm-1)分解如下:bext(RH)=bsp(RH)+bap+bsg+bag (2)
式(2)中,bsp(RH),bap,bsg和bag分别为550nm波长处的环境条件下气溶胶散射系数。
4.根据权利要求2或3所述的一种针对均匀混合气溶胶吸湿增长因子的反演算法,其特征在于:所述AURORA-3000型浊度计观测的是520nm波长处的干燥条件下气溶胶散射系数bsp,520(Mm-1),将bsp,520订正得到550nm波长处的干燥条件下气溶胶散射系数bsp(Mm-1),订正公式见式(3),式中α=1.36,代表了Angstrom波长指数。
5.根据权利要求2或3所述的一种针对均匀混合气溶胶吸湿增长因子的反演算法,其特征在于:所述AE-31型黑碳检测仪观测的是黑碳(BC)质量浓度。按订正公式,先利用黑碳质量浓度反演532nm波长处的吸收系数bap,532nm(Mm-1),其中[BC]为黑碳质量浓度(μg/m3),见式(4),再由532nm波长处的吸收系数bap,532nm(Mm-1)进一步得到550nm波长处的吸收系数bap(Mm-1),见式(5),bap,532nm=8.28·[BC]+2.23 (4)
bsg(Mm-1)为环境条件下550nm波长处的气体散射系数,对应550nm波长处的bsg取值为
13Mm-1;
-1)
bag(Mm 为环境条件下550nm波长处的气体吸收系数,仅考虑NO2的吸收,对应550nm波长处的bag(Mm-1)的计算见式(6),其中[NO2]为NO2质量浓度(10-9g/m3)。
bag=0.33·[NO2] (6)
6.根据权利要求5所述的一种针对均匀混合气溶胶吸湿增长因子的反演算法,其特征在于:所述步骤S2目标函数的构建具体步骤如下:均匀混合气溶胶吸湿增长因子的计算公式见式(7),气溶胶等效复折射率m(RH)以及水复折射率m(water)的计算公式分别见式(8)和式(9),根据米散射理论,环境条件下气溶胶散射系数bsp(RH)和吸收系数bap(RH)的计算公式分别见式(10)和式(11),m(RH)=nre(RH)+ni(RH) (8)
m(water)=nre(water)+ni(water) (9)
bsp(RH)=∫πr2Qsp[a(RH),m(RH)]n[r(RH)]dr(RH) (10)bap(RH)=∫πr2Qap[a(RH),m(RH)]n[r(RH)]dr(RH) (11)上述公式中,r(RH)和r(dry)分别为环境条件下和干燥条件下的气溶胶粒子半径;n[r(RH)]和n[r(dry)]分别为环境条件下和干燥条件下气溶胶的粒子谱分布;nre(RH)和ni(RH)分别为环境条件下气溶胶等效复折射率的实部和虚部,nre(water)和ni(water)分别为水复折射率的实部和虚部;a(RH)=2πr(RH)/λ为环境条件下气溶胶粒子的尺度参数,λ为入射光波长;Qsp[a(RH),m(RH)]和Qap[a(RH),m(RH)]分别为环境条件下气溶胶散射效率因子和吸收效率因子;
气溶胶等效复折射率与相对湿度RH和气溶胶吸湿增长因子Gf(RH)之间的函数关系,如式(12)所示,其中,干燥条件下(RH≤40%)气溶胶等效复折射率的实部nre(dry)和虚部ni(dry)是反演Gf(RH)的前提,基于式(3),式(4)和式(5)的资料处理结果,结合GRIMM180观测的气溶胶粒子数浓度谱,据此可以反演计算出干燥条件下气溶胶等效复折射率,由上可见,a(RH),m(RH),bsp(RH),bap(RH),n[r(RH)]和r(RH)均只为Gf(RH)的函数。通过对大气消光系数进行组分分解,并借助米散射理论,对气溶胶吸湿增长因子Gf(RH)的反演即转化为下述目标函数f最小值的优化问题,目标函数见式(13);
7.根据权利要求6所述的一种针对均匀混合气溶胶吸湿增长因子的反演算法,其特征在于:在所述步骤S3中,所述式(13)是一个非常复杂的非线性函数,为保证求解精度和计算效率之间寻求平衡,利用免疫进化算法优化目标函数式(14),将Gf(RH)表示为x,免疫进化算法中的子代个体生殖方式为:式中,xt+1为Gf(RH)子代个体,xt为Gf(RH)父代最优个体。
8.根据权利要求7所述的一种针对均匀混合气溶胶吸湿增长因子的反演算法,其特征在于:在所述步骤S3中,设群体规模为N,反演Gf(RH)的免疫进化算法计算步骤如下:(1)确定Gf(RH)反演问题的表达方式为;
(2)在Gf(RH)解空间内随机生初始群体,并计算目标函数,以确定Gf(RH)初始最优个体(3)根据式(14)进行进化操作,在Gf(RH)解空间内生成子代群体;
(4)计算Gf(RH)子代群体的目标函数,确定Gf(RH)子代最优个体 若
则选定最优个体为 否则,用父代最优个体 替代子代最优个体
(5)若 则迭代终止,取该代最优个体 作为Gf(RH)的反演值,其中ε为相
对误差允许上限;否则,反复执行步骤(3)和(4),直至迭代结束,选择第T代最优个体 作为Gf(RH)的反演值。
9.根据权利要求1-8任一所述的一种针对均匀混合气溶胶吸湿增长因子的反演算法,其特征在于:所述本地化模型为式(16)。