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專利名稱:一種提高溫室氣體濃度反演精度的方法

文章來源: 发布时间: 2019-12-02

專利名稱:一種提高溫室氣體濃度反演精度的方法 

申 请 号 

CN201410033541.4 

申 请 日 

2014.01.22 

公開(公告)號 

CN103760125B 

公開(公告)日 

2017.02.08 

申請(專利權)人 

168棋牌

发 明 人 

孫友文;謝品華;徐晉;劉誠;劉文清;劉建國;周海金;方武;李昂

專利類型 

發明專利

摘 要 

本發明公開了一種提高溫室氣體濃度反演精度的方法,采用以下途徑:(1)建立一定的紅外光譜篩選法則,去掉受雲層、氣溶膠等影響嚴重或者擬合效果很差的測量光譜,與現有技術相比,目標光譜更具選擇性;(2)利用精確的測量光譜觀測物理參數實現測量光譜的准確建模,提高了參考光譜精度;(3)溫室氣體濃度反演過程中,加入一條修正光譜參與擬合,用來修正太陽結構和系統結構,明顯優于現有技術的修正方法。因爲這種方法不僅能修正太陽的夫琅和費結構,還能修正系統的固有結構,再者由于修正光譜由同一個光譜儀擬合得到,不存在不同儀器的性能差引入的誤差。同樣的實驗裝置,使用本發明所述方法後能獲得更高的溫室氣體濃度反演精度。

主權項 

一種提高溫室氣體濃度反演精度的方法,其特征在于:所述反演精度的提高方法適用于被動紅外光譜反演溫室氣體的濃度,被動紅外光譜由地基、球載、船載、機載或星載光譜儀記錄的直射太陽光譜或散射光譜得到;包括以下途徑:(1)、建立紅外光譜篩選法則,和/或;(2)、利用精確的測量光譜觀測物理參數,具體爲光譜記錄時間、記錄地點經緯度、記錄地點海拔高度、太陽天頂角、地面反照率、溫度廓線、氣壓廓線、氣溶膠廓線、雲層模型、反演波段內氣體及幹擾氣體廓線、大氣層高度、儀器函數實現測量光譜的准確建模;和/或;(3)、溫室氣體濃度反演過程中,加入一條修正光譜參與擬合,用來修正太陽結構和系統結構;所述途徑(1)中的紅外光譜篩選法則通過判斷觀測場景、測量光強、擬合誤差、擬合參數、太陽天頂角的優劣來建立;對于預先保存的所有測量光譜,通過建立一定的紅外光譜篩選法則,來去掉受雲層、氣溶膠影響嚴重和擬合效果差的測量光譜,從而達到提高溫室氣體反演精度的目的,所述紅外光譜篩選法則建立的依據是一條測量光譜是否低于觀測場景阈值、測量光強阈值、擬合誤差阈值、擬合殘差阈值、太陽天頂角阈值、測量高度阈值,對于低于上述阈值的所有測量光譜都被剔除,在利用15901620nm星載後向散射光譜反演環境大氣中CO2濃度時建立的紅外光譜篩選法則如下:a)CO2擬合窗口內擬合殘差的均方根必須小于0.25%;b)用來轉化爲CO2體積混合比濃度的O2擬合窗口內的擬合殘差的均方根必須小于2%;c)CO2垂直柱濃度的擬合誤差必須小于2.5%;d)觀測場景沒有被雲層或其它不透明物體覆蓋,並且沒有受到嚴重的氣溶膠或霧霾汙染;e)所反演的O2垂直柱濃度必須大于先驗O2垂直柱濃度的90%;f)測量光譜的太陽天頂角必須小于75°g)地面像素必須爲前向掃描像素;h)觀測場景的地面高度必須小于3kmi)連續兩條測量光譜的光強不能發生突變,一旦測量光強降低到正常光強的1/3以下,將被剔除;在利用16301675nm星載後向散射光譜反演環境大氣中CH4浓度时建立的红外光谱筛 选法则如下:a)CH4擬合窗口內擬合殘差的均方根必須小于0.4%;b)用來轉化爲CH4體積混合比濃度的CO2擬合窗口內的擬合殘差的均方根必須小于2.5%;c)CH4垂直柱濃度的擬合誤差必須小于4%;d)觀測場景沒有被雲層或其它不透明物體覆蓋,並且沒有受到嚴重的氣溶膠或霧霾汙染;e)所反演的O2垂直柱濃度必須大于先驗O2垂直柱濃度的90%;f)測量光譜的太陽天頂角必須小于75°g)地面像素必須爲前向掃描像素;h)觀測場景的地面高度必須小于3kmi)連續兩條測量光譜的光強不能發生突變,一旦測量光強降低到正常光強的1/3以下,將被剔除;所述途徑(2)中精確的測量光譜觀測物理參數借助輻射傳輸模擬軟件SCIATRAN平台,通過研究測量光譜觀測物理參數的敏感性獲得;通過研究記錄光譜觀測物理參數的敏感性獲得每種觀測物理參數對光譜建模結果的敏感性,對于具有較高敏感性的觀測物理參數而言,在采用輻射傳輸模擬軟件SCIATRAN對測量光譜建模時,必須輸入精確的數值,對于敏感性可忽略的觀測物理參數而言,在采用輻射傳輸模擬軟件SCIATRAN對測量光譜建模時,輸入參數用以一常量代替,所述測量光譜觀測物理參數包括光譜記錄時間、記錄地點經緯度、記錄地點海拔高度、太陽天頂角、地面反照率、溫度廓線、氣壓廓線、氣溶膠廓線、雲層模型、反演波段內氣體及幹擾氣體廓線、大氣層高度、儀器函數,采用正演的方法研究所有觀測參數的敏感性,即選定一條參考光譜,將待研究觀測物理參數按一定規律偏離參考值,而其它所有觀測物理參數都保持不變,統計出待研究觀測物理參數相對于參考值的不同偏移量,輻射傳輸模擬軟件SCIATRAN模擬結果的相對變化量,在利用15901620nm直射太陽光譜反演環境大氣中CO2濃度時,選定的參考光譜觀測參數見表1,通過對太陽天頂角、光譜分辨率、水汽定標系數、地面反照率、CO2定標系數、地面高度、氣溶膠定標系數七個觀測參數的敏感性研究得出,氣溶膠對反演結果的影響最大,光譜分辨率漂移對擬合誤差的影響最大,而地面反照率對反演結果和擬合誤差的影響都可以忽略,再利用輻射傳輸模擬軟件SCIATRAN對測量光譜建模時,必須輸入精確的氣溶膠廓線參數和光譜分辨率,而地面反照率用一個常量代替;表1爲所選定的參考光譜觀測參數所述途徑(3)中的修正光譜在不考慮太陽結構和系統結構前提下,通過對多條測量光譜擬合殘差的比較統計出來;溫室氣體濃度反演過程中,加入一條修正光譜參與擬合,用來修正太陽結構和系統固有結構,在溫室氣體濃度的被動反演中,爲提高反演精度,必須要修正夫琅和費結構:先不考慮太陽的結構,不將測量光譜轉換爲太陽歸一化光譜,而是將測量光譜直接與模擬光譜和柱權重函數擬合,這樣,每條光譜的擬合殘差中必然包含一條相同的殘差結構,這些結構主要由太陽夫琅和費結構造成,也有部分來自于系統的固有結構,選擇光纖和望遠鏡鏡片引入的結構、光譜儀對溫室氣體高分辨吸收線不完全分辨引入的結構,通過對多條測量光譜擬合殘差的比較可以統計出這一固有的殘差結構,並將這條結構光譜作爲修正光譜,在以後的溫室氣體濃度反演過程中,與模擬光譜和柱權重函數一起作爲參考光譜,參與擬合,這種夫琅和費結構修正方法要優于現有技術的修正方法,因爲這種方法不僅能修正太陽的夫琅和費結構,還能修正系統的固有結構,再者由于修正光譜由同一個光譜儀擬合得到,不存在不同儀器的性能差引入的誤差,在利用15901620nm直射太陽光譜反演環境大氣中CO2濃度時,不考慮太陽結構情況下,由42條擬合殘差統計出的修正光譜。

IPC信息 

IPC主分類號 

G01N21/3504(2014.01)I 

IPC分類號 

G01N21/3504(2014.01)I G06F17/50(2006.01)I 

G 物理

 G01 測量;測試

  G01N 借助于測定材料的化學或物理性質來測試或分析材料

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