[发明专利]一种整层大气气溶胶棕色碳成分的遥感识别和估计方法

权利要求书

1.一种整层大气气溶胶棕色碳成分的遥感识别和估计方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）获得气溶胶参数产品，根据公式（1）和（2）计算各波段的气溶胶光学厚度；

式中F为仪器测量的太阳辐照度，F₀为大气层顶太阳辐照度，λ为波长，m为大气质量数，通过太阳天顶角经验公式计算，d_s为日地距离校正因子，通过观测日期计算，τ_atm为大气总消光光学厚度；τ_aer为气溶胶光学厚度、τ_mol为大气分子散射光学厚度；τ_gas为吸收气体光学厚度；采用多源数据统计优化方法，通过辐射传输计算拟合各波段、各散射角度下辐亮度观测值，耦合测量误差和平滑约束，反演获得复折射指数、粒子谱分布、非球形度气溶胶微物理参数；

2）针对三种不同混合状态的气溶胶进行气溶胶光学吸收/散射特征复折射指数模拟：

i）颗粒物由均匀基质和一种或多种不溶性球形颗粒物组成，采用Maxwell-Garnett方法对混合气溶胶介质电场进行模拟近似，其介电函数由公式（3）计算；

式中ε_MG为Maxwell-Garnett方法获得的混合气溶胶平均介电函数，λ为波长，ε_m为均匀基质，ε_j为不溶性悬浮颗粒成分j的介电函数，f_j表示该成分的体积比例；

ii）颗粒物由随机非均匀的多种不溶性成分以相邻的拓扑关系构成，采用Bruggeman方法对电场进行模拟近似，各成分的介电函数满足如下关系：

式中ε_BR为Bruggeman方法获得的混合气溶胶平均介电函数，其他参数含义与式（3）相同；

根据上述混合气溶胶和各成分介电函数的数学关系，其复折射指数通过下式进一步转换得到：

式中，n(λ)和k(λ)分别为波长λ处的气溶胶复折射指数实部和虚部，ε_r(λ)和ε_i(λ)分别为气溶胶介电函数实部和虚部；

iii）颗粒物由各种成分以均匀内混合形式组成，采用Volume-Average方法进行模拟，各成分以其所占比例为权重进行线性混合，复折射指数关系满足：

式中，n_VA(λ)和k_VA(λ)分别为Volume-Average方法计算的混合气溶胶复折射指数实部和虚部，n_j(λ)和k_j(λ)分别为成分j在对应波长处的复折射指数实部和虚部；

3）对棕色碳成分遥感识别和估算：采用近红外波段复折射指数虚部值估计黑碳比例；采用耦合粒子体积谱分布和非球形度的方法估计沙尘比例，将混合气溶胶粒子体积谱分布分解为各成分体积谱分布的加权之和：

式中，r为粒子半径，单位：μm，dV(r)/dlnr为混合气溶胶，共n种成分的体积谱分布，V_total为气溶胶总体积浓度，单位：μm³/μm²，f_j为成分j的体积比例，r_m,j和σ_j分别为成分j的体积谱分布的均值半径和标准差；混合气溶胶的非球形度定义为非球形粒子占比，通过各成分的球形比例估算得到；

通过上述方法依次获得黑碳、沙尘成分所占比例后，根据混合气溶胶复折射指数虚部光谱数值，解算棕色碳成分比例；

将棕色碳成分的体积比例转化为柱质量浓度：

式中，MC_i为各成分的柱质量浓度，单位：g/m²，ρ_i、f_i分别为成分i的密度和体积比例，单位：g/m³，来源于文献，r_max和r_min分别表示整个粒径区段的最大和最小半径；

4）气溶胶光学吸收闭合计算验证和最优混合模型判识：气溶胶吸收光学厚度由气溶胶光学厚度和单次散射反照率计算：

式中，τ_abs(λ)、τ_scat(λ)、τ_total(λ)分别为波长λ处的气溶胶吸收光学厚度、散射光学厚度、总光学厚度，ω(λ)为对应波段的单次散射反照率；

气溶胶成分总光学吸收由三种吸收性成分含量及质量吸收系数计算：

式中，τ_abs-cal(λ)为根据成分含量计算的波长λ处总光学吸收，MAC_i(λ)为吸收性成分i在波段λ处的质量吸收系数，单位：m²/g，数值来源于文献；

对比三成分总光学吸收与气溶胶吸收光学厚度，利用光学吸收闭合计算对棕色碳成分的含量估计进行验证，并对最优内混合模型进行判识。