一种基于气溶胶和水成物消光贡献的垂直能见度预测方法与流程

本发明涉及气象预报与大气环境监测领域，尤其涉及一种基于气溶胶和水成物消光贡献的垂直能见度预测方法。

背景技术：

1、大气能见度是表征大气透明程度的关键气象参数，其定量计算主要基于koschmieder定律所确立的大气消光系数与能见度之间的物理关系，目前大气能见度的获取主要依赖两类技术路径，一是仪器探测，即利用水平能见度仪或激光雷达等设备，通过发射探测信号并接收回波来反演大气消光系数廓线，进而推算水平或垂直方向的大气能见度，二是数值模式预报，即基于环境气象数值模式实现大范围、连续性的能见度预报，以弥补仪器探测在时空覆盖上的不连续性，在现有业务预报体系中，数值模式输出的目标产品主要以水平能见度为主，而垂直方向，即俯视方向的能见度定量计算与业务化预报仍属空白，然而在航空飞行安全评估、无人机起降调度、卫星遥感校正等应用场景中，不同高度层向下俯视的垂直能见度是保障飞行安全、优化航线规划和提升遥感数据质量的关键数据支撑，对垂直能见度的业务化预报需求日益迫切。

2、尽管仪器探测能够在局部场景和科研试验中获取垂直方向的能见度信息，但该类方法本质上属于诊断手段，无法实现对未来时刻垂直能见度的业务化预报，同时现有数值预报业务系统中的云微物理方案大多采用固定的云滴数浓度参数化方案，而非通过气溶胶和云的相互作用机制获得动态活化的气溶胶数浓度，导致在云雨天气条件下垂直消光系数的计算存在较大偏差，此外缺乏针对垂直方向消光贡献的精细化分层计算能力，未能有效耦合气溶胶与水成物的综合消光效应，难以在化学天气模式框架下实现任意高度层向下垂直能见度的实时预报，无法满足对立体能见度信息的业务化需求。

技术实现思路

1、本发明的目的是要提供一种基于气溶胶和水成物消光贡献的垂直能见度预测方法。

2、为达到上述目的，本发明是按照以下技术方案实施的：

3、本发明提供了一种基于气溶胶和水成物消光贡献的垂直能见度预测方法，包括：

4、获取目标区域化学天气数值预报模式输出的预报场，所述预报场包括各模式层的气溶胶分档质量浓度、云水含量、云冰含量、冰晶数浓度和模式层厚度；

5、基于气溶胶分档质量浓度进行气溶胶活化参数化，计算实时云滴数浓度；

6、基于气溶胶光学查算表读取各模式层中各气溶胶组分和各粒径档对应的质量消光系数，并与对应的气溶胶分档质量浓度加权累加，获得各模式层的气溶胶垂直消光系数；

7、根据各模式层的云滴数浓度、云水含量、冰晶数浓度和云冰含量分别对预设的云滴谱分布和冰晶谱分布进行积分，获得云滴有效半径和冰晶有效半径，计算各模式层的云水光学厚度和云冰光学厚度，并将二者之和除以对应模式层厚度，获得各模式层的水成物垂直消光系数；

8、将同一模式层的气溶胶垂直消光系数与水成物垂直消光系数相加，获得综合垂直消光系数，将垂直消光系数与模式层厚度的乘积作为层光学厚度；

9、根据目标高度向下逐层累积光学厚度，若累积光学厚度满足预设阈值，则将对应的累积路径长度作为目标高度处的垂直能见度，若累积至地面仍未满足，则将目标高度作为垂直能见度。

10、进一步地，所述气溶胶组分包括黑碳、有机碳、矿物尘、硫酸盐、硝酸盐、海盐和铵盐；

11、所述亲水性气溶胶组分包括硫酸盐、硝酸盐、铵盐和有机碳，除铵盐外的各气溶胶组分包括12个粒径档，所述粒径档的粒径范围为0.01μm至40.96μm。

12、进一步地，所述气溶胶活化参数化的方法，包括：

13、根据各模式层获取气溶胶分档质量浓度，获取各气溶胶组分的吸湿性参数，获取模式预报的过饱和度，基于所述气溶胶分档质量浓度、吸湿性参数和过饱和度计算各模式层可活化的气溶胶粒子数浓度，将可活化的气溶胶粒子数浓度作为云微物理方案的云滴数浓度，替代云微物理方案中预设的固定云滴数浓度。

14、进一步地，获得所述过饱和度的方法，包括：

15、将各气溶胶组分在各粒径档的分档质量浓度转换为分档数浓度，所述转换公式为：

16、；

17、其中为第种气溶胶组分第粒径档的数浓度，为第种气溶胶组分、第粒径档的分档质量浓度；

18、根据各气溶胶组分的分档质量浓度和密度计算各气溶胶组分在各粒径档中的体积分数，基于体积分数对各气溶胶组分的吸湿性参数进行加权求和，获得各粒径档的混合吸湿性参数，所述混合吸湿性参数的计算公式为：

19、；

20、其中为第粒径档的混合吸湿性参数，为第种气溶胶组分的吸湿性参数，为第种气溶胶组分在第粒径档中的体积分数；

21、根据各粒径档的几何平均半径和混合吸湿性参数计算临界过饱和度，所述临界过饱和度的计算公式为：

22、；

23、；

24、其中为第粒径档的临界过饱和度，为水滴表面张力，为水的摩尔质量，为通用气体常数，为模式层温度，为液态水密度；

25、根据各粒径档的临界过饱和度和有效垂直速度确定各模式层的最大过饱和度。

26、进一步地，获得所述有效垂直速度的方法，包括：

27、获取模式预报的格点垂直速度和湍流动能，并计算有效垂直速度，所述有效垂直速度的公式为：

28、；

29、其中为有效垂直速度，为格点垂直速度，为湍流动能，为经验系数，取值范围为0.5~1.5。

30、进一步地，获得所述云滴数浓度的方法，包括：

31、根据各模式层的最大过饱和度和各粒径档的临界过饱和度计算各粒径档的活化比例，并将各粒径档的分档数浓度与对应的活化比例相乘后累加，获得各模式层的云滴数浓度，所述云滴数浓度的计算公式为：

32、；

33、其中为云滴数浓度，为第粒径档中气溶胶组分的总数浓度，为最大过饱和度，为误差函数，为第粒径档的几何标准差，取值范围为1.4~1.8；

34、对所述云滴数浓度施加物理约束，所述云滴数浓度小于等于各粒径档总数浓度之和，且大于等于云微物理方案预设的云滴数浓度下限；

35、将物理约束后的云滴数浓度作为云微物理方案的云滴数浓度。

36、进一步地，获得所述质量消光系数的方法，包括：

37、基于气溶胶组分通过mie散射理论预先计算各粒径档、各相对湿度下的消光效率因子，并根据消光效率因子计算对应的质量消光系数，将气溶胶组分、粒径档、可见光波长和相对湿度作为索引，建立气溶胶光学查算表；

38、对于亲水性气溶胶组分通过köhler方程计算粒子在各相对湿度下吸湿增长后的粒径，并根据吸湿增长后的粒径计算对应的消光效率因子，所述质量消光系数的计算公式为：

39、；

40、其中为第种气溶胶组分第粒径档的质量消光系数，为第种气溶胶组分第粒径档的消光效率因子，基于mie散射理论预先计算，为第粒径档区间粒子有效半径的几何平均值，为第种气溶胶组分的密度。

41、进一步地，获得所述气溶胶垂直消光系数的方法，包括：

42、在模式积分的每一时间步长，根据模式预报的相对湿度从气溶胶光学查算表中读取各气溶胶组分、各粒径档的质量消光系数，将读取的质量消光系数与对应的气溶胶分档质量浓度相乘，并对各气溶胶组分和各粒径档累加，获得各模式层的气溶胶垂直消光系数。

43、进一步地，获得所述水成物垂直消光系数的方法，包括：

44、基于thompson云微物理方案获取预设的云滴谱分布和冰晶谱分布，所述云滴谱分布和冰晶谱分布为伽马分布；

45、根据物理约束后的云滴数浓度、云水含量、冰晶数浓度和云冰含量基于伽马分布谱假设通过谱矩量法反演云滴有效半径和冰晶有效半径，所述有效半径的计算公式为：

46、；

47、；

48、其中为云滴有效半径，为冰晶有效半径，为云水含量，为云冰含量，为云滴数浓度，为冰晶数浓度，为云滴伽马谱的形状参数，为冰晶伽马谱的形状参数，为伽马谱矩量比查找表参数；

49、根据云滴有效半径和冰晶有效半径分别计算云水光学厚度和云冰光学厚度，所述光学厚度的计算公式为：

50、；

51、；

52、其中为云水光学厚度，为云冰光学厚度，为云水含量，为云冰含量，、为不同可见光波长下云水的消光系数拟合参数，、为云冰的消光系数拟合参数，所述消光系数拟合参数基于mie散射理论拟合获得；

53、将同一模式层的云水光学厚度与云冰光学厚度之和除以模式层厚度，获得模式层的水成物垂直消光系数。

54、相对于现有技术，本发明的实施例至少具有如下优点或有益效果：

55、本发明通过koschmieder定律将消光系数沿目标高度向下逐层累积并判断垂直能见度，为航空飞行安全评估、无人机起降调度等场景提供了垂直方向的数据支撑，通过引入气溶胶活化参数化方法，根据气溶胶分档质量浓度、吸湿性参数和过饱和度实时计算云滴数浓度，替代传统云微物理方案中预设的固定值，使水成物消光系数随气溶胶场和气象场动态联动，减小云雨天气下垂直消光系数的计算偏差，通过气溶胶与水成物双支路消光贡献耦合计算框架，气溶胶支路通过预先建立的mie散射光学查算表结合köhler吸湿增长快速读取分档质量消光系数，水成物支路通过云滴和冰晶有效半径计算光学厚度，两条支路在同一模式层内合成综合垂直消光系数，兼顾计算效率与物理完整性。