区域边界层PM25立体分布及总量推算的方法.pdf

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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202010696972.4 (22)申请日 2020.07.20 (71)申请人 宁波市气象台 地址 315012 浙江省宁波市海曙区气象路 118号 申请人 宁波市生态环境气象中心 (72)发明人 涂小萍姚日升缪群胡晓 陈磊 (74)专利代理机构 宁波奥圣专利代理事务所 (普通合伙) 33226 代理人 周珏 (51)Int.Cl. G01N 15/06(2006.01) G01S 17/95(2006.01) G06F 17/18(2006.01) (54)发明名称 一种区。

2、域边界层PM2.5立体分布及总量推算 的方法 (57)摘要 本发明公开了一种区域边界层PM2.5立体分 布及总量推算的方法， 其收集最近23年观测到 的PM2.5质量浓度、 大气能见度、 相对湿度， 按不 同观测站点、 不同季节和不同相对湿度等级进行 统计， 得出的最优推算公式更有针对性； 从线性 关系、 乘幂关系、 指数关系、 对数关系四种对应关 系中统计并挑选出最优的拟合公式作为最优推 算公式， 避免了人为指定对应关系而造成的片面 和不合理性； 将地面PM2.5观测站观测到的PM2.5 质量浓度和由大气能见度和相对湿度观测资料 得到的PM2.5质量浓度的推算结果进行融合分 析， 得到更精细。

3、的网格化的地面大气PM2.5质量 浓度； 利用激光雷达垂直观测的消光系数， 计算 三维网格内的PM2.5含量， 从而计算处理区域边 界层大气PM2.5总量， 推算结果可信， 可参考性 高。 权利要求书3页 说明书7页 附图1页 CN 112033870 A 2020.12.04 CN 112033870 A 1.一种区域边界层PM2.5立体分布及总量推算的方法， 其特征在于包括以下步骤： 步骤1： 设定处理区域的地面上分散布置有Q个具有观测风、 降雨、 降雪和雾的气象站， 设定处理区域的地面上分散布置有M个地面PM2.5观测站， 且M个地面PM2.5观测站中有个 地面PM2.5观测站同时具有观。

4、测大气能见度和相对湿度的功能， 并将这个地面PM2.5观测 站定义为多功能地面PM2.5观测站； 设定处理区域的地面上还分散布置有N个大气能见度和 相对湿度观测站和L部激光雷达， 任一个大气能见度和相对湿度观测站与任一个地面PM2.5 观测站之间至少相隔10公里距离， 任一部激光雷达能够靠近任一个地面PM2.5观测站或任 一个大气能见度和相对湿度观测站布置； 其中， Q5， M3，N1， L1； 步骤2： 收集最近23年剔除大风天、 降雨天、 降雪天、 大雾天后处理区域内的个多功 能地面PM2.5观测站观测到的PM2.5质量浓度、 大气能见度、 相对湿度的观测值， 形成每个多 功能地面PM2.。

5、5观测站对应的历史资料数据集， 每个历史资料数据集中PM2.5质量浓度与大 气能见度、 相对湿度的观测值按小时相对应； 然后按不同季节和不同相对湿度等级， 将每个 多功能地面PM2.5观测站对应的历史资料数据集分为4D个子集， 其中， 季节有4个分别为 春、 夏、 秋和冬季， D表示相对湿度等级的数量， D4,6， D6时6个相对湿度等级分别为相 对湿度大于或等于90、 大于或等于80且小于90、 大于或等于70且小于80、 大于或 等于60且小于70、 大于或等于50且小于60、 小于50， D5时5个相对湿度等级分 别为相对湿度大于或等于90、 大于或等于80且小于90、 大于或等于70且。

6、小于80、 大于或等于60且小于70、 小于60， D4时4个相对湿度等级分别为相对湿度大于或等 于90、 大于或等于80且小于90、 大于或等于70且小于80、 小于70； 接着确定 PM2.5质量浓度与大气能见度之间呈线性关系、 乘幂关系、 指数关系、 对数关系四种对应关 系时各自相关的拟合公式； 之后根据每个子集中的PM2.5质量浓度和大气能见度的观测值 及四种对应关系各自相关的拟合公式， 计算得到针对每个子集的各种对应关系相关的拟合 误差； 再以拟合误差最小化原则， 将针对每个子集的4个拟合误差中值最小的拟合误差相应 的拟合公式作为该子集相应的由大气能见度推算PM2.5质量浓度的最优推。

7、算公式； 步骤3： 对处理区域进行网格化处理， 在处理区域的水平方向上网格化的水平分辨率为 100500m， 在处理区域的垂直方向上采用地形追随坐标， 在处理区域的垂直方向上从地面 往上1000m高度内网格化的垂直分辨率为50m或100m， 网格化处理得到多个三维网格； 步骤4： 将当前计算所在的季节和时次对应定义为当前季节和当前时次， 并设定当前时 次不属于大风天、 降雨天、 降雪天或大雾天； 步骤5： 将当前待处理的大气能见度和相对湿度观测站定义为当前观测站； 步骤6： 从个多功能地面PM2.5观测站中选出与当前观测站距离最近的一个多功能地 面PM2.5观测站； 然后从选出的多功能地面PM。

8、2.5观测站对应的历史资料数据集的4D个子 集相应的由大气能见度推算PM2.5质量浓度的最优推算公式中， 确定一个与当前季节及在 当前时次下当前观测站观测到的相对湿度的观测值所处的相对湿度等级所对应的子集相 应的最优推算公式； 再利用确定的最优推算公式， 根据在当前时次下当前观测站观测到的 大气能见度的观测值推算出在当前时次下当前观测站处的PM2.5质量浓度的推算值； 步骤7： 将下一个待处理的大气能见度和相对湿度观测站作为当前观测站， 然后返回步 骤6继续执行， 直至N个大气能见度和相对湿度观测站均处理完毕， 得到在当前时次下N个大 权利要求书 1/3 页 2 CN 112033870 A 。

9、2 气能见度和相对湿度观测站处的PM2.5质量浓度的推算值； 步骤8： 收集在当前时次下M个地面PM2.5观测站观测到的PM2.5质量浓度的观测值； 然 后将在当前时次下M个地面PM2.5观测站观测到的PM2.5质量浓度的观测值和在当前时次下 N个大气能见度和相对湿度观测站处的PM2.5质量浓度的推算值插值到在处理区域的垂直 方向上最底层三维网格即从地面往上的第1层三维网格中的每个三维网格的地面平面即底 面的中心位置上， 得到在当前时次下在处理区域的垂直方向上最底层三维网格即从地面往 上的第1层三维网格中的每个三维网格的地面平面即底面的中心位置处的PM2.5质量浓度 值； 步骤9： 计算在当前。

10、时次下处理区域内的每个三维网格内的PM2.5含量， 将在当前时次 下在处理区域的垂直方向上从地面往上的第k层三维网格中的第j个三维网格内的PM2.5含 量记为PM2.5g,k,j， PM2.5g,k,jPM2.5groud,1,jFk,jVk,j； 其中， k和j均为正整数， 1kK， K表 示在处理区域的垂直方向上从地面往上的三维网格的总层数，Ver表示在处理区 域的垂直方向上从地面往上1000m高度内网格化的垂直分辨率， 1jJ， J表示在处理区域 的水平方向上一层三维网格中的三维网格的总个数， JGxGy， Gx表示在处理区域的水平 方向上一层三维网格中x方向的三维网格的总个数， Gy表。

11、示在处理区域的水平方向上一层 三维网格中y方向的三维网格的总个数， PM2.5groud,1,j表示在当前时次下在处理区域的垂直 方向上从地面往上的第1层三维网格即最底层三维网格中的第j个三维网格的地面平面即 底面的中心位置处的PM2.5质量浓度值， Vk,j表示在处理区域的垂直方向上从地面往上的第 k层三维网格中的第j个三维网格的体积， Fk,j表示在当前时次下在处理区域的垂直方向上 从地面往上的第k层三维网格中的第j个三维网格对应的消光比值， Fk,j根据在当前时次下L 部激光雷达探测到的消光系数获得； 步骤10： 计算在当前时次下处理区域内的PM2.5总含量， 其值等于在当前时次下处理区。

12、 域内的所有三维网格内的PM2.5含量的累加值。 2.根据权利要求1所述的一种区域边界层PM2.5立体分布及总量推算的方法， 其特征在 于所述的步骤9中的Fk,j的获取过程为： 步骤9_1： 在当前时次下每部激光雷达垂直向上探测在处理区域的垂直方向上从地面 往上1000m高度内的所有消光系数； 步骤9_2： 根据在当前时次下的天气状况、 大气污染状况以及激光雷达回波特征， 对在 当前时次下每部激光雷达探测到的所有消光系数进行甄别， 仅保留由PM2.5导致的消光系 数， 并定义为有效消光系数； 步骤9_3： 将在当前时次下每部激光雷达开始探测到第1个有效消光系数时所处的高度 定义为有效开始高度，。

13、 将在当前时次下每部激光雷达开始探测到的第1个有效消光系数作 为地面至有效开始高度内的有效消光系数； 步骤9_4： 计算在当前时次下每部激光雷达在处理区域的垂直方向上从地面往上的第k 层三维网格对应的高度区间内的消光比值， 记为其中， Ek表示在当前时次下在 处理区域的垂直方向上从地面往上的第k层三维网格对应的高度区间内该部激光雷达对应 的所有有效消光系数的平均值， E0表示在当前时次下地面上该部激光雷达对应的有效消光 权利要求书 2/3 页 3 CN 112033870 A 3 系数即数值上等于在当前时次下该部激光雷达开始探测到的第1个有效消光系数； 步骤9_5： 将在当前时次下L部激光雷达。

14、在处理区域的垂直方向上从地面往上的第k层 三维网格对应的高度区间内的消光比值插值到在处理区域的垂直方向上从地面往上的第k 层三维网格中的每个三维网格的中心位置上， 得到在当前时次下在处理区域的垂直方向上 从地面往上的第k层三维网格中的每个三维网格对应的消光比值， 即得到在当前时次下在 处理区域的垂直方向上从地面往上的第k层三维网格中的第j个三维网格对应的消光比值 Fk,j。 3.根据权利要求1或2所述的一种区域边界层PM2.5立体分布及总量推算的方法， 其特 征在于所述的步骤2中， 大风天是指处理区域内的任一气象站观测到的阵风风力大于或等 于6级的日子， 降雨天是指处理区域内的任一气象站观测到。

15、的小时降雨量大于0.1毫米或者 日降雨量大于1.0毫米的日子， 降雪天是指处理区域内的任一气象站观测到的降雪天气的 日子， 大雾天是指处理区域内的任一气象站观测到的大雾天气的日子。 权利要求书 3/3 页 4 CN 112033870 A 4 一种区域边界层PM2.5立体分布及总量推算的方法 技术领域 0001 本发明涉及一种大气污染物观测与处理技术， 尤其是涉及一种区域边界层PM2.5 立体分布及总量推算的方法。 背景技术 0002 自20世纪80年代改革开放以来， 中国大部分地区大气污染日益严重， 霾天气增多， 呈现出区域性、 持续性特征， 这与PM10和PM2.5质量浓度增长密切相关。 。

16、PM10是指空气动力 学直径10 m的细颗粒物， PM2.5是指空气动力学直径2.5 m的细颗粒物， PM10和PM2.5是 大气复合污染最重要的特征污染物之一。 秋冬季首要污染物主要为PM2.5， PM2.5的粒径小、 面积大、 活性强， 易附带有毒、 有害物质， 主要出现在大气边界层内， 且在大气中的停留时间 长、 输送距离远， 对人体健康和大气环境质量的影响较大。 中国2013年开始在74个重点城市 开始PM2.5的在线监测， 并在网上实时发布监测结果。 0003 PM10和PM2.5通过改变大气光学特性造成大气能见度的下降， 两种污染物中以 PM2.5对大气能见度的影响更大。 大气能见。

17、度与PM2.5质量浓度的关系很多情况下并不是线 性关系， 而是呈乘幂关系、 指数关系或对数关系， 并且存在季节、 地区差异， 另外大气能见度 与大气湿度也有着密切关系， 随着相对湿度和PM2.5质量浓度的增长， 大气能见度水平逐渐 降低， 因此需要通过一定时间的观测， 才能得出较为精确的关系。 但是， 目前对PM2.5质量浓 度与大气能见度、 相对湿度的关系研究基本上是针对单点观测资料进行统计分析， 以发现 更优的相关关系， 还没有将这种相关关系进行更进一步的应用。 发明内容 0004 本发明所要解决的技术问题是提供一种区域边界层PM2.5立体分布及总量推算的 方法， 其根据大气能见度和相对湿。

18、度观测资料进行PM2.5质量浓度的推算， 从而获得更精细 化的地面PM2.5质量浓度分布， 进而实现区域边界层大气PM2.5总含量的推算， 且推算结果 可信， 可参考性高。 0005 本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为： 一种区域边界层PM2.5立体分布 及总量推算的方法， 其特征在于包括以下步骤： 0006 步骤1： 设定处理区域的地面上分散布置有Q个具有观测风、 降雨、 降雪和雾的气象 站， 设定处理区域的地面上分散布置有M个地面PM2.5观测站， 且M个地面PM2.5观测站中有 个地面PM2.5观测站同时具有观测大气能见度和相对湿度的功能， 并将这个地面 PM2.5观测站定义为多功。

19、能地面PM2.5观测站； 设定处理区域的地面上还分散布置有N个大 气能见度和相对湿度观测站和L部激光雷达， 任一个大气能见度和相对湿度观测站与任一 个地面PM2.5观测站之间至少相隔10公里距离， 任一部激光雷达能够靠近任一个地面PM2.5 观测站或任一个大气能见度和相对湿度观测站布置； 其中， Q5， M3，N1， L 1； 说明书 1/7 页 5 CN 112033870 A 5 0007步骤2： 收集最近23年剔除大风天、 降雨天、 降雪天、 大雾天后处理区域内的个 多功能地面PM2.5观测站观测到的PM2.5质量浓度、 大气能见度、 相对湿度的观测值， 形成每 个多功能地面PM2.5观。

20、测站对应的历史资料数据集， 每个历史资料数据集中PM2.5质量浓度 与大气能见度、 相对湿度的观测值按小时相对应； 然后按不同季节和不同相对湿度等级， 将 每个多功能地面PM2.5观测站对应的历史资料数据集分为4D个子集， 其中， 季节有4个分 别为春、 夏、 秋和冬季， D表示相对湿度等级的数量， D4,6， D6时6个相对湿度等级分别 为相对湿度大于或等于90、 大于或等于80且小于90、 大于或等于70且小于80、 大 于或等于60且小于70、 大于或等于50且小于60、 小于50， D5时5个相对湿度等 级分别为相对湿度大于或等于90、 大于或等于80且小于90、 大于或等于70且小于。

21、 80、 大于或等于60且小于70、 小于60， D4时4个相对湿度等级分别为相对湿度大 于或等于90、 大于或等于80且小于90、 大于或等于70且小于80、 小于70； 接着 确定PM2.5质量浓度与大气能见度之间呈线性关系、 乘幂关系、 指数关系、 对数关系四种对 应关系时各自相关的拟合公式； 之后根据每个子集中的PM2.5质量浓度和大气能见度的观 测值及四种对应关系各自相关的拟合公式， 计算得到针对每个子集的各种对应关系相关的 拟合误差； 再以拟合误差最小化原则， 将针对每个子集的4个拟合误差中值最小的拟合误差 相应的拟合公式作为该子集相应的由大气能见度推算PM2.5质量浓度的最优推算。

22、公式； 0008 步骤3： 对处理区域进行网格化处理， 在处理区域的水平方向上网格化的水平分辨 率为100500m， 在处理区域的垂直方向上采用地形追随坐标， 在处理区域的垂直方向上从 地面往上1000m高度内网格化的垂直分辨率为50m或100m， 网格化处理得到多个三维网格； 0009 步骤4： 将当前计算所在的季节和时次对应定义为当前季节和当前时次， 并设定当 前时次不属于大风天、 降雨天、 降雪天或大雾天； 0010 步骤5： 将当前待处理的大气能见度和相对湿度观测站定义为当前观测站； 0011步骤6： 从个多功能地面PM2.5观测站中选出与当前观测站距离最近的一个多功 能地面PM2.5。

23、观测站； 然后从选出的多功能地面PM2.5观测站对应的历史资料数据集的4D 个子集相应的由大气能见度推算PM2.5质量浓度的最优推算公式中， 确定一个与当前季节 及在当前时次下当前观测站观测到的相对湿度的观测值所处的相对湿度等级所对应的子 集相应的最优推算公式； 再利用确定的最优推算公式， 根据在当前时次下当前观测站观测 到的大气能见度的观测值推算出在当前时次下当前观测站处的PM2.5质量浓度的推算值； 0012 步骤7： 将下一个待处理的大气能见度和相对湿度观测站作为当前观测站， 然后返 回步骤6继续执行， 直至N个大气能见度和相对湿度观测站均处理完毕， 得到在当前时次下N 个大气能见度和相。

24、对湿度观测站处的PM2.5质量浓度的推算值； 0013 步骤8： 收集在当前时次下M个地面PM2.5观测站观测到的PM2.5质量浓度的观测 值； 然后将在当前时次下M个地面PM2.5观测站观测到的PM2.5质量浓度的观测值和在当前 时次下N个大气能见度和相对湿度观测站处的PM2.5质量浓度的推算值插值到在处理区域 的垂直方向上最底层三维网格即从地面往上的第1层三维网格中的每个三维网格的地面平 面即底面的中心位置上， 得到在当前时次下在处理区域的垂直方向上最底层三维网格即从 地面往上的第1层三维网格中的每个三维网格的地面平面即底面的中心位置处的PM2.5质 量浓度值； 0014 步骤9： 计算在。

25、当前时次下处理区域内的每个三维网格内的PM2.5含量， 将在当前 说明书 2/7 页 6 CN 112033870 A 6 时次下在处理区域的垂直方向上从地面往上的第k层三维网格中的第j个三维网格内的 PM2.5含量记为PM2.5g,k,j， PM2.5g,k,jPM2.5groud,1,jFk,jVk,j； 其中， k和j均为正整数， 1k K， K表示在处理区域的垂直方向上从地面往上的三维网格的总层数，Ver表示 在处理区域的垂直方向上从地面往上1000m高度内网格化的垂直分辨率， 1jJ， J表示在 处理区域的水平方向上一层三维网格中的三维网格的总个数， JGxGy， Gx表示在处理区 。

26、域的水平方向上一层三维网格中x方向的三维网格的总个数， Gy表示在处理区域的水平方 向上一层三维网格中y方向的三维网格的总个数， PM2.5groud,1,j表示在当前时次下在处理区 域的垂直方向上从地面往上的第1层三维网格即最底层三维网格中的第j个三维网格的地 面平面即底面的中心位置处的PM2.5质量浓度值， Vk,j表示在处理区域的垂直方向上从地面 往上的第k层三维网格中的第j个三维网格的体积， Fk,j表示在当前时次下在处理区域的垂 直方向上从地面往上的第k层三维网格中的第j个三维网格对应的消光比值， Fk,j根据在当 前时次下L部激光雷达探测到的消光系数获得； 0015 步骤10： 计。

27、算在当前时次下处理区域内的PM2.5总含量， 其值等于在当前时次下处 理区域内的所有三维网格内的PM2.5含量的累加值。 0016 所述的步骤9中的Fk,j的获取过程为： 0017 步骤9_1： 在当前时次下每部激光雷达垂直向上探测在处理区域的垂直方向上从 地面往上1000m高度内的所有消光系数； 0018 步骤9_2： 根据在当前时次下的天气状况、 大气污染状况以及激光雷达回波特征， 对在当前时次下每部激光雷达探测到的所有消光系数进行甄别， 仅保留由PM2.5导致的消 光系数， 并定义为有效消光系数； 0019 步骤9_3： 将在当前时次下每部激光雷达开始探测到第1个有效消光系数时所处的 高。

28、度定义为有效开始高度， 将在当前时次下每部激光雷达开始探测到的第1个有效消光系 数作为地面至有效开始高度内的有效消光系数； 0020 步骤9_4： 计算在当前时次下每部激光雷达在处理区域的垂直方向上从地面往上 的第k层三维网格对应的高度区间内的消光比值， 记为其中， Ek表示在当前时 次下在处理区域的垂直方向上从地面往上的第k层三维网格对应的高度区间内该部激光雷 达对应的所有有效消光系数的平均值， E0表示在当前时次下地面上该部激光雷达对应的有 效消光系数即数值上等于在当前时次下该部激光雷达开始探测到的第1个有效消光系数； 0021 步骤9_5： 将在当前时次下L部激光雷达在处理区域的垂直方向。

29、上从地面往上的第 k层三维网格对应的高度区间内的消光比值插值到在处理区域的垂直方向上从地面往上的 第k层三维网格中的每个三维网格的中心位置上， 得到在当前时次下在处理区域的垂直方 向上从地面往上的第k层三维网格中的每个三维网格对应的消光比值， 即得到在当前时次 下在处理区域的垂直方向上从地面往上的第k层三维网格中的第j个三维网格对应的消光 比值Fk,j。 0022 所述的步骤2中， 大风天是指处理区域内的任一气象站观测到的阵风风力大于或 等于6级的日子， 降雨天是指处理区域内的任一气象站观测到的小时降雨量大于0.1毫米或 者日降雨量大于1.0毫米的日子， 降雪天是指处理区域内的任一气象站观测到。

30、的降雪天气 说明书 3/7 页 7 CN 112033870 A 7 的日子， 大雾天是指处理区域内的任一气象站观测到的大雾天气的日子。 0023 与现有技术相比， 本发明的优点在于： 0024 本发明方法收集最近23年观测到的PM2.5质量浓度、 大气能见度、 相对湿度， 按 不同观测站点、 不同季节和不同相对湿度等级进行统计， 这样得出的最优推算公式更有针 对性； 从线性关系、 乘幂关系、 指数关系、 对数关系四种对应关系中统计并挑选出最优的拟 合公式作为最优推算公式， 避免了人为指定对应关系而造成的片面和不合理性； 将地面 PM2.5观测站观测到的PM2.5质量浓度观测资料和由大气能见度。

31、观测资料和相对湿度观测 资料得到的PM2.5质量浓度的推算结果进行融合分析， 得到更精细的网格化的地面大气 PM2.5质量浓度； 利用米散射激光雷达垂直观测的消光系数， 计算出三维网格内的PM2.5含 量， 从而计算出处理区域边界层大气PM2.5总量， 技术方法可行， 推算结果可信， 可参考性 高。 附图说明 0025 图1为本发明方法的总体实现框图。 具体实施方式 0026 以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。 0027 中国气象部门的区域自动气象站已经达到乡镇级分辨率， 其中很多站点安装有能 见度仪， 相对于环境监测站， 能够进行大气能见度和相对湿度观测的站点分辨率更高， 因 此，。

32、 本发明用大气能见度和相对湿度观测来进行PM2.5质量浓度的推算， 弥补地面PM2.5质 量浓度监测站点偏少以及分布不均匀造成PM2.5质量浓度资料分辨率偏低的缺陷， 并通过 与PM2.5监测数据进行融合分析， 得到更加精细化的地面PM2.5质量浓度的分布信息。 0028 用于气溶胶粒子特征探测的激光雷达主要是以单波长或多波长(如Nd:YAG激光器 1064、 532、 355nm)米散射激光雷达为主， 地基、 机载、 星载等多种平台应用， 技术比较成熟。 米散射激光雷达可以用来探测大气气溶胶的光学特性， 主要有散射系数、 消光系数、 退偏振 比等， 其中最常用的是消光系数， 其与大气污染物(。

33、颗粒物或气溶胶浓度)呈负相关关系， 可 以反映出大气污染物浓度。 大部分情况下， 地基米散射激光雷达垂直向上探测， 有时为测量 交通干道上的颗粒物质量浓度， 激光雷达还可以被水平放置， 进行近似水平方向探测， 以获 取地面颗粒物的消光系数， 并使用地面颗粒物的消光系数和质量浓度之间关系模型， 进一 步获取地面颗粒物的质量浓度， 从而对交通排放的颗粒物进行了长时间连续立体监测。 因 此， 本发明方法利用了激光雷达来垂直向上探测区域边界层内的消光系数。 0029 本发明提出的一种区域边界层PM2.5立体分布及总量推算的方法， 其总体实现框 图如图1所示， 其包括以下步骤： 0030 步骤1： 设定。

34、处理区域的地面上分散布置有Q个具有观测风、 降雨、 降雪和雾的气象 站， 设定处理区域的地面上分散布置有M个地面PM2.5观测站， 且M个地面PM2.5观测站中有 个地面PM2.5观测站同时具有观测大气能见度和相对湿度的功能， 并将这个地面 PM2.5观测站定义为多功能地面PM2.5观测站； 设定处理区域的地面上还分散布置有N个大 气能见度和相对湿度观测站和L部激光雷达， 任一个大气能见度和相对湿度观测站与任一 个地面PM2.5观测站之间至少相隔10公里距离， 任一部激光雷达能够靠近任一个地面PM2.5 说明书 4/7 页 8 CN 112033870 A 8 观测站或任一个大气能见度和相对湿。

35、度观测站布置； 其中， 处理区域一般为一个城市区域 或一个省区域， Q5， M3，N1， L1。 0031步骤2： 收集最近23年剔除大风天、 降雨天、 降雪天、 大雾天后处理区域内的个 多功能地面PM2.5观测站观测到的PM2.5质量浓度、 大气能见度、 相对湿度的观测值， 形成每 个多功能地面PM2.5观测站对应的历史资料数据集， 每个历史资料数据集中PM2.5质量浓度 与大气能见度、 相对湿度的观测值按小时相对应； 然后按不同季节和不同相对湿度等级， 将 每个多功能地面PM2.5观测站对应的历史资料数据集分为4D个子集， 其中， 季节有4个分 别为春、 夏、 秋和冬季， D表示相对湿度等。

36、级的数量， D4,6， D6时6个相对湿度等级分别 为相对湿度大于或等于90、 大于或等于80且小于90、 大于或等于70且小于80、 大 于或等于60且小于70、 大于或等于50且小于60、 小于50， D5时5个相对湿度等 级分别为相对湿度大于或等于90、 大于或等于80且小于90、 大于或等于70且小于 80、 大于或等于60且小于70、 小于60， D4时4个相对湿度等级分别为相对湿度大 于或等于90、 大于或等于80且小于90、 大于或等于70且小于80、 小于70； 接着 确定PM2.5质量浓度与大气能见度之间呈线性关系、 乘幂关系、 指数关系、 对数关系四种对 应关系时各自相关的。

37、拟合公式； 之后根据每个子集中的PM2.5质量浓度和大气能见度的观 测值及四种对应关系各自相关的拟合公式， 计算得到针对每个子集的各种对应关系相关的 拟合误差； 再以拟合误差最小化原则， 将针对每个子集的4个拟合误差中值最小的拟合误差 相应的拟合公式作为该子集相应的由大气能见度推算PM2.5质量浓度的最优推算公式。 0032 在本实施例中， 步骤2中， 大风天是指处理区域内的任一气象站观测到的阵风风力 大于或等于6级的日子， 降雨天是处理区域内的任一气象站观测到的指小时降雨量大于0.1 毫米或者日降雨量大于1.0毫米的日子， 降雪天是指处理区域内的任一气象站观测到的降 雪天气的日子， 大雾天是。

38、指处理区域内的任一气象站观测到的大雾天气的日子。 0033 步骤3： 对处理区域进行网格化处理， 在处理区域的水平方向上网格化的水平分辨 率为100500m， 在处理区域的垂直方向上采用地形追随坐标(即取地面高度的坐标为0m)， 在处理区域的垂直方向上从地面往上1000m高度内网格化的垂直分辨率为50m或100m， 网格 化处理得到多个三维网格。 如： 若在处理区域的垂直方向上从地面往上1000m高度内网格化 的垂直分辨率为100m， 那么在处理区域的垂直方向上0100m为第1个三维网格、 100200m 为第2个三维网格， 依次类推， 9001000m为第10个三维网格。 0034 步骤4：。

39、 将当前计算所在的季节和时次对应定义为当前季节和当前时次， 并设定当 前时次不属于大风天、 降雨天、 降雪天或大雾天。 0035 步骤5： 将当前待处理的大气能见度和相对湿度观测站定义为当前观测站。 0036步骤6： 从个多功能地面PM2.5观测站中选出与当前观测站距离最近的一个多功 能地面PM2.5观测站； 然后从选出的多功能地面PM2.5观测站对应的历史资料数据集的4D 个子集相应的由大气能见度推算PM2.5质量浓度的最优推算公式中， 确定一个与当前季节 及在当前时次下当前观测站观测到的相对湿度的观测值所处的相对湿度等级所对应的子 集相应的最优推算公式； 再利用确定的最优推算公式， 根据在。

40、当前时次下当前观测站观测 到的大气能见度的观测值推算出在当前时次下当前观测站处的PM2.5质量浓度的推算值。 0037 步骤7： 将下一个待处理的大气能见度和相对湿度观测站作为当前观测站， 然后返 说明书 5/7 页 9 CN 112033870 A 9 回步骤6继续执行， 直至N个大气能见度和相对湿度观测站均处理完毕， 得到在当前时次下N 个大气能见度和相对湿度观测站处的PM2.5质量浓度的推算值。 0038 步骤8： 收集在当前时次下M个地面PM2.5观测站观测到的PM2.5质量浓度的观测 值； 然后将在当前时次下M个地面PM2.5观测站观测到的PM2.5质量浓度的观测值和在当前 时次下N。

41、个大气能见度和相对湿度观测站处的PM2.5质量浓度的推算值插值到在处理区域 的垂直方向上最底层三维网格即从地面往上的第1层三维网格中的每个三维网格的地面平 面即底面的中心位置上， 得到在当前时次下在处理区域的垂直方向上最底层三维网格即从 地面往上的第1层三维网格中的每个三维网格的地面平面即底面的中心位置处的PM2.5质 量浓度值。 0039 在此， 插值采用现有的任意一种成熟的插值方法。 0040 步骤9： 计算在当前时次下处理区域内的每个三维网格内的PM2.5含量， 将在当前 时次下在处理区域的垂直方向上从地面往上的第k层三维网格中的第j个三维网格内的 PM2.5含量记为PM2.5g,k,j。

42、， PM2.5g,k,jPM2.5groud,1,jFk,jVk,j； 其中， k和j均为正整数， 1k K， K表示在处理区域的垂直方向上从地面往上的三维网格的总层数，Ver表示 在处理区域的垂直方向上从地面往上1000m高度内网格化的垂直分辨率， 1jJ， J表示在 处理区域的水平方向上一层三维网格中的三维网格的总个数， JGxGy， Gx表示在处理区 域的水平方向上一层三维网格中x方向的三维网格的总个数， Gy表示在处理区域的水平方 向上一层三维网格中y方向的三维网格的总个数， PM2.5groud,1,j表示在当前时次下在处理区 域的垂直方向上从地面往上的第1层三维网格即最底层三维网格。

43、中的第j个三维网格的地 面平面即底面的中心位置处的PM2.5质量浓度值， Vk,j表示在处理区域的垂直方向上从地面 往上的第k层三维网格中的第j个三维网格的体积， Fk,j表示在当前时次下在处理区域的垂 直方向上从地面往上的第k层三维网格中的第j个三维网格对应的消光比值， Fk,j根据在当 前时次下L部激光雷达探测到的消光系数获得。 0041 在本实施例中， 步骤9中的Fk,j的获取过程为： 0042 步骤9_1： 在当前时次下每部激光雷达垂直向上探测在处理区域的垂直方向上从 地面往上1000m高度内的所有消光系数。 0043 步骤9_2： 根据在当前时次下的天气状况、 大气污染状况以及激光雷。

44、达回波特征， 对在当前时次下每部激光雷达探测到的所有消光系数进行甄别， 仅保留由PM2.5导致的消 光系数(剔除了代表低云、 雨雾粒子等的部分消光系数)， 并定义为有效消光系数。 0044 步骤9_3： 将在当前时次下每部激光雷达开始探测到第1个有效消光系数时所处的 高度定义为有效开始高度， 将在当前时次下每部激光雷达开始探测到的第1个有效消光系 数作为地面至有效开始高度内的有效消光系数。 0045 由于激光雷达探测的距离地面一定高度内没有探测结果或者探测结果不可用， 因 此定义激光雷达探测结果开始可以使用的高度为有效开始高度， 一般为几十米， 考虑到大 气贴地层中的湍流作用， 导致贴地层中的。

45、污染物混合均匀， 从而认为激光雷达有效开始高 度以下的探测结果不变， 因此取地面至有效开始高度的有效消光系数均为有效开始高度上 的有效消光系数的探测值。 0046 步骤9_4： 计算在当前时次下每部激光雷达在处理区域的垂直方向上从地面往上 说明书 6/7 页 10 CN 112033870 A 10 的第k层三维网格对应的高度区间内的消光比值， 记为其中， Ek表示在当前时 次下在处理区域的垂直方向上从地面往上的第k层三维网格对应的高度区间内该部激光雷 达对应的所有有效消光系数的平均值， E0表示在当前时次下地面上该部激光雷达对应的有 效消光系数即数值上等于在当前时次下该部激光雷达开始探测到的。

46、第1个有效消光系数。 0047 步骤9_5： 将在当前时次下L部激光雷达在处理区域的垂直方向上从地面往上的第 k层三维网格对应的高度区间内的消光比值插值到在处理区域的垂直方向上从地面往上的 第k层三维网格中的每个三维网格的中心位置上， 得到在当前时次下在处理区域的垂直方 向上从地面往上的第k层三维网格中的每个三维网格对应的消光比值， 即得到在当前时次 下在处理区域的垂直方向上从地面往上的第k层三维网格中的第j个三维网格对应的消光 比值Fk,j。 0048 步骤10： 计算在当前时次下处理区域内的PM2.5总含量， 其值等于在当前时次下处 理区域内的所有三维网格内的PM2.5含量的累加值。 说明书 7/7 页 11 CN 112033870 A 11 图1 说明书附图 1/1 页 12 CN 112033870 A 12 。