太阳城集团

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直射太阳光谱反演环境大气中二氧化碳垂直柱浓度的方法.pdf

摘要
申请专利号:

CN201410050777.9

申请日:

2014.02.13

公开号:

CN103983599A

公开日:

2014.08.13

当前法律状态:

终止

有效性:

无权

法律详情: 未缴年费专利权终止IPC(主分类):G01N 21/3504申请日:20140213授权太阳城集团日:20160817终止日期:20170213|||授权|||实质审查的生效IPC(主分类):G01N 21/3504申请日:20140213|||公开
IPC分类号: G01N21/3504(2014.01)I; G01N21/359(2014.01)N 主分类号: G01N21/3504
申请人: 中国科学院合肥物质科学研究院
发明人: 孙友文; 谢品华; 徐晋; 刘诚; 刘文清; 刘建国; 周海金; 方武; 李昂
地址: 230031 安徽省合肥市中科院合肥分院安光所
优先权:
专利代理机构: 安徽合肥华信知识产权代理有限公司 34112 代理人: 余成俊
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法律状态
申请(专利)号:

太阳城集团CN201410050777.9

授权太阳城集团号:

|||||||||

法律状态太阳城集团日:

太阳城集团2018.03.06|||2016.08.17|||2014.09.10|||2014.08.13

法律状态类型:

太阳城集团专利权的终止|||授权|||实质审查的生效|||公开

摘要

本发明公开了一种基于直射太阳光谱高精度反演环境大气中二氧化碳垂直柱浓度的方法,先将获得的直射太阳光谱一阶泰勒展开为太阳归一化辐亮度、二氧化碳及其它干扰因素柱权重函数、低阶多项式的线性叠加,再利用大气辐射传输模型SCIATRAN对太阳光谱建模,将模拟计算值与直射太阳光谱进行非线性最小二乘法拟合,推导出二氧化碳的垂直柱浓度。在建模过程中,详细考虑与所记录直射太阳光谱相对应的观测物理参数、与光谱探测系统光谱分辨率相对应的仪器函数、先验二氧化碳廓线及先验干扰因素廓线、大气层高度及大气子层数,有效地修正红外波段气体吸收截面的温度、压强依赖特性,使用该方法可准确掌握环境大气中二氧化碳垂直柱浓度的波动规律。

权利要求书

权利要求书
1.  直射太阳光谱反演环境大气中二氧化碳垂直柱浓度的方法,其特征在于:包括以下步骤:
(1)、太阳光汇聚系统安装在太阳跟踪系统上,太阳入射光经过太阳光汇聚系统汇聚后由光信号传输系统传输至光谱探测系统,光谱探测系统实现光信号采集和模/数(A/D)转换,之后再送入光谱存储及解析系统,获得直射太阳光谱;
(2)、通过步骤(1)得到的直射太阳光谱除以干净的太阳参考光谱,取对数之后再进行低通滤波,获得去掉高频噪声后的太阳归一化光谱;
(3)、利用大气辐射传输模拟软件SCIATRAN对通过步骤(2)得到的去掉高频噪声后的太阳归一化光谱建模,获得太阳归一化辐亮度的模拟计算值、二氧化碳柱权重函数的模拟计算值及其它干扰因素柱权重函数的模拟计算值;
(4)、通过步骤(3)得到的各种模拟计算值(太阳归一化辐亮度、二氧化碳及其它干扰因素柱权重函数的模拟计算值)加上一个低阶多项式后与去掉高频噪声后的太阳归一化光谱进行非线性最小二乘法拟合,获得二氧化碳的廓线定标系数;
(5)、根据步骤(4)得到的二氧化碳廓线定标系数乘以步骤(3)中所使用的先验二氧化碳廓线,得到与所记录直射太阳光谱相对应的二氧化碳廓线真值;
(6)、根据步骤(5)得到的二氧化碳廓线真值沿整层大气积分后得到环境大气中二氧化碳的垂直柱浓度。

2.  根据权利要求1所述直射太阳光谱反演环境大气中二氧化碳垂直柱浓度的方法,其特征在于:所述直射太阳光谱包含二氧化碳的光谱吸收带,并且没有受到云层覆盖或严重的雾霾消光影响。

3.  根据权利要求1所述直射太阳光谱反演环境大气中二氧化碳垂直柱浓度的方法,其特征在于:所述步骤(1)中太阳光汇聚系统、太阳跟踪系统、光信号传输系统、光谱探测系统和光谱存储及解析系统分别由聚焦望远镜系统、赤道仪、光纤、光谱仪和计算机构成。

4.  根据权利要求1所述直射太阳光谱反演环境大气中二氧化碳垂直柱浓度的方法,其特征在于:所述步骤(2)中去掉高频噪声后的太阳归一化光谱可以在先验状态点一阶泰勒展开为太阳归一化辐亮度、二氧化碳及其它干扰因素柱权重函数、低阶多项式的线性叠加:去掉高频噪声后的太阳归一化光谱=太阳归一化辐亮度+二氧化碳及其它干扰因素柱权重函数+低阶多项式。

5.  根据权利要求1所述直射太阳光谱反演环境大气中二氧化碳垂直柱浓度的方法,其特征在于:所述步骤(3)中,利用大气辐射传输模拟软件SCIATRAN对通过步骤(2)得到的去掉高频噪声后的太阳归一化光谱建模时,输入参数包括与所记录直射太阳光谱相对应的观测物理参数、与光谱探测系统光谱分辨率相对应的仪器函数、先验二氧化碳廓线及先验干扰因素廓线、大气层高度及大气子层数。

说明书

说明书直射太阳光谱反演环境大气中二氧化碳垂直柱浓度的方法
技术领域
本发明涉及环境大气中气体垂直柱浓度的测量领域,具体为一种基于直射太阳光谱反演环境大气中二氧化碳垂直柱浓度的方法。
背景技术
二氧化碳作为最主要的人类温室气体,由于含量较多,对全球温室效应的贡献百分比最大,约为55%。尽管影响巨大,但人们对二氧化碳自然和人为源(或汇)的认知仍存在很大空白,部分原因在于人们很难评估具有高时空变化率的自然和人为二氧化碳大气源排放。目前,越来越多的国家监测环境大气中二氧化碳浓度的变化,作为减排方案制定的主要依据。
与在紫外可见波段具有较强吸收的SO2、NO2、HONO、苯系物、O3等气体不同,二氧化碳的强吸收波段主要集中在红外波段。在红外波段,气体吸收截面具有很强的温度、压强依赖特性,并且随波长变化而变化。常规差分光学吸收光谱技术进行气体浓度反演时假定气体吸收截面为一常量,因此常规差分光学吸收光谱技术对在紫外可见波段具有较强吸收的气体具有较高测量精度,而对主要吸收波段位于红外波段的气体的反演会引入较大误差。环境大气中二氧化碳垂直柱浓度的年均波动率小于2%,因此,有必要研究出一种基于直射太阳光谱高精度反演环境大气中二氧化碳垂直柱浓度的方法,以确保准确掌握温室气体二氧化碳的垂直柱浓度波动规律。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于直射太阳光谱反演环境大气中二氧化碳垂直柱浓度的方法,以解决现有技术观测方式相对复杂、测量光谱信噪比相对较低、无法修正气体吸收截面很强的温度、压强依赖特性而导致反演精度较低,无法准确分辨温室气体二氧化碳垂直柱浓度波动规律的问题。
为了达到上述目的,本发明所采用的技术方案为:
直射太阳光谱反演环境大气中二氧化碳垂直柱浓度的方法,其特征在于:包 括以下步骤:
(1)、太阳光汇聚系统安装在太阳跟踪系统上,太阳入射光经过太阳光汇聚系统汇聚后由光信号传输系统传输至光谱探测系统,光谱探测系统实现光信号采集和模/数(A/D)转换,之后再送入光谱存储及解析系统,获得直射太阳光谱;
(2)、通过步骤(1)得到的直射太阳光谱除以干净的太阳光谱,取对数之后再进行低通滤波,获得去掉高频噪声后的太阳归一化光谱;
(3)、利用大气辐射传输模拟软件SCIATRAN对通过步骤(2)得到的去掉高频噪声后的太阳归一化光谱建模,获得太阳归一化辐亮度的模拟计算值、二氧化碳柱权重函数的模拟计算值及其它干扰因素柱权重函数的模拟计算值;
(4)、通过步骤(3)得到的各种模拟计算值(太阳归一化辐亮度、二氧化碳及其它干扰因素柱权重函数的模拟计算值)加上一个低阶多项式后与去掉高频噪声后的太阳归一化光谱进行非线性最小二乘法拟合,获得二氧化碳的廓线定标系数;
(5)、根据步骤(4)得到的二氧化碳廓线定标系数乘以步骤(3)中所使用的先验二氧化碳廓线,得到与所记录直射太阳光谱相对应的二氧化碳廓线真值;
(6)、根据步骤(5)得到的二氧化碳廓线真值沿整层大气积分后得到环境大气中二氧化碳的垂直柱浓度。
所述直射太阳光谱包含二氧化碳的光谱吸收带,并且没有受到云层覆盖或严重的雾霾消光影响。
所述步骤(1)中太阳光汇聚系统、太阳跟踪系统、光信号传输系统、光谱探测系统和光谱存储及解析系统分别由聚焦望远镜系统、赤道仪、光纤、光谱仪和计算机构成。
所述步骤(2)中去掉高频噪声后的太阳归一化光谱可以在先验状态点一阶泰勒展开为太阳归一化辐亮度、二氧化碳及其它干扰因素柱权重函数、低阶多项式的线性叠加:去掉高频噪声后的太阳归一化光谱=太阳归一化辐亮度+二氧化碳及其它干扰因素柱权重函数+低阶多项式。
所述步骤(3)中,利用大气辐射传输模拟软件SCIATRAN对通过步骤(2)得到的去掉高频噪声后的太阳归一化光谱建模时,输入参数包括与所记录直射太阳光谱相对应的观测参数、与光谱探测系统光谱分辨率相对应的仪器函数、先验二氧 化碳廓线及先验干扰因素廓线、大气层高度及大气子层数。
本发明是一种基于直射太阳光谱反演环境大气中二氧化碳垂直柱浓度的方法。联合聚焦望远镜系统、赤道仪、光纤、光谱仪和计算机获得直射太阳光谱;直射太阳光谱除以干净的太阳光谱,之后再进行低通滤波,获得去掉高频噪声后的太阳归一化光谱;利用大气辐射传输模拟软件SCIATRAN对去掉高频噪声后的太阳归一化光谱建模,在建模过程中输入参数包括与所记录直射太阳光谱相对应的观测参数、与光谱探测系统光谱分辨率相对应的仪器函数、先验二氧化碳廓线及先验干扰因素廓线、大气层高度及大气子层数,可以修正气体吸收截面很强的温度、压强依赖特性;将SCIATRAN建模过程中计算得到的各种模拟计算值(太阳归一化辐亮度、二氧化碳及其它干扰因素柱权重函数的模拟计算值)加上一个低阶多项式后与去掉高频噪声后的太阳归一化光谱进行非线性最小二乘法拟合,可以修正薄云、气溶胶、地面反射率、灰霾等“宽带”吸收结构的影响,获得二氧化碳的廓线定标系数;二氧化碳廓线定标系数乘以SCIATRAN建模过程中使用的先验二氧化碳廓线,得到与所记录直射太阳光谱相对应的二氧化碳廓线真值;二氧化碳廓线真值沿整层大气积分后得到环境大气中二氧化碳的垂直柱浓度。
本发明直射太阳光谱与SCIATRAN建模光谱满足以下关系:
lnIλmeas(Vreal→,areal→)I0λ≈lnIλmod(Vreal→,areal→)I0λ=lnIλmod(V‾→)I0λ+Σi∂ln(Iλmod/I0λ)∂Vi|Vi‾(Vi-V‾i)+pλ(a→)]]>
I0λ为干净的太阳参考光谱,即大气顶层的太阳光谱,不包括任何气体的吸收和薄云、气溶胶的消光效应,仅记录太阳的固有夫琅禾费结构;为直射太阳光谱,为SCIATRAN建模光谱,为先验状态参量,为SCIATRAN在先验状态参量状态下的模拟计算值,为大气参数i的柱权重函数,包括二氧化碳和干扰因素(干扰气体、气溶胶、地面反照率和温度漂移等)的柱权重函数,为低阶多项式,用来表示云层覆盖、气溶胶、地面反射率、灰霾等具有宽带吸收结构的影响。
本发明利用大气辐射传输模拟软件SCIATRAN对去掉高频噪声后的太阳归一化光谱建模时,输入参数包括与所记录直射太阳光谱相对应的观测参数(光谱记录太阳城集团、记录地点经纬度、记录地点海拔高度、太阳天顶角、地面反照率、温度廓线、气压廓线、气溶胶廓线、云层模型)、与光谱探测系统光谱分辨率相对应的仪器函数、先验二氧化碳廓线及先验干扰因素廓线、大气层高度及大气子层数。
本发明与现有技术相比具有以下优点:
本发明涉及的直射太阳光谱反演环境大气中二氧化碳垂直柱浓度的方法利用直射太阳光谱来反演环境大气中的二氧化碳垂直柱浓度,相对于其它被动遥感方式(例如,机载、星载、地基天顶、地基散射测量)而言,具有以下优势:(1)观测方式简单,仪器装置容易实现,成本低(相对机载和星载仪器而言);(2)大气辐射传输模型SCIATRAN容易实现测量光谱的建模,不用考虑地面反射率影响,三个观测角度参数中的方位角始终为零,观测角与太阳天顶角始终相等,近地面观测高度固定,不随太阳城集团发生变化;(3)光信号强,较短积分太阳城集团就可以获得很强光信号,模拟光谱和测量光谱的信噪比都很高。先将直射太阳光谱一阶泰勒展开为太阳归一化辐亮度、二氧化碳及其它干扰因素柱权重函数、低阶多项式的线性叠加,再利用大气辐射传输模型SCIATRAN对太阳光谱建模,最后再将模拟计算值与直射太阳光谱进行最小二乘法拟合,推导出二氧化碳的垂直柱浓度。由于在建模过程中,详细考虑了与所记录直射太阳光谱相对应的观测参数、与光谱探测系统光谱分辨率相对应的仪器函数、先验二氧化碳廓线及先验干扰因素廓线、大气层高度及大气子层数,能非常有效地修正红外波段气体吸收截面的温度、压强依赖特性,二氧化碳垂直柱浓度的反演精度更高,使用本发明所述方法可以准确掌握环境大气中二氧化碳垂直柱浓度的波动规律。
附图说明
图1为本发明实现框图。
图2为应用本发明的实例光谱建模得到的各种模拟计算值,其中:
图2(a)为CH4柱权重函数的模拟计算值,图2(b)为H2O柱权重函数的模拟计算值,图2(c)为CO2柱权重函数的模拟计算值,图2(d)太阳归一化辐亮度常量的模拟计算值。
图3为应用本发明的实例将各种模拟计算值(太阳归一化辐亮度、二氧化碳及其它干扰因素柱权重函数的模拟计算值)加上一个低阶多项式后与去掉高频噪声后的太阳归一化光谱进行非线性最小二乘法拟合过程,其中:
图3(a)为太阳归一化光谱的拟合,图3(b)为二氧化碳柱权重函数的拟合,图3(c)为干扰气体H2O柱权重函数的拟合,图3(d)为干扰气体CH4柱权重函数的拟合,图3(e)为拟合残差。
具体实施方式
如图1~图3所示。本发明中,二氧化碳和干扰气体对直射太阳光谱的吸收满足式(1)所示关系:
lnI(λ)=ln(IλI0λ)=f(κλ,i(z),ni(z))---(1)]]>
式中Iλ为直射太阳光谱,I0λ为大气顶层太阳光谱,lnI'(λ)为太阳归一化光谱,κλ,i(z)为第i种气体的光谱吸收截面,ni(z)为分子数浓度。在紫外可见光谱范围,式(1)可以精确地近似为线性模型(即满足线性化朗伯比尔定律),然而在红外波段,这一近似不再成立,原因如下:
1)吸收截面具有很强的温度和压强依赖特性,换言之,其随高度z不同而发生变化且变化量不可忽略。不能假设吸收截面在整个斜柱路径S中为一常量,而需要计算沿整个路径的积分,即满足(2)式。
∫κλ(z)n(z)dz≠κλ‾S---(2)]]>
2)大气中的多次散射过程导致多种不同的光路径,紫外可见波段的多次散射吸收表示方法不再适用于红外波段,即满足(3)式。
I=I0Σkexp(-κkSk)≠I0exp(-ΣkκkSk)---(3)]]>
3)相同的红外波段,很多分子的振转光谱都存在很强的重叠吸收,而受限于光栅光谱仪的有限分辨率,无法精确分辨出不同分子间的单条吸收线。这一过程,在数学可以描述为测量光谱与仪器函数的卷积,而对于指数函数,这一过程不能互换,即满足(4)式。
<Iλ>=<I0λe-κλS>&NotEqual;I0λe-<κλ>S---(4)]]>
在没有任何假设条件的情况下,红外波段无法推导出lnI(λ)与垂直柱浓度V 之间的线性关系,因为在大气辐射传输方程中,V并不是一个独立的参数。太阳归一化的辐射量与吸收体的分子数浓度垂直廓线而不是垂直柱浓度有关,因为吸收系数表达式为:
αλ(z)=n(z)κλ(z)     (5)
事实上,同样的垂直柱浓度可以从不同的廓线计算而来,从而可能同时与不同的太阳归一化辐射量对应。然而,在忽略线性化误差的情况下,lnI'(λ)可以在附近对吸收系数进行一阶泰勒展开。
lnI(λ,αz(z))=lnI(λ,α&OverBar;λ(z))+&Integral;0z0δlnI(λ,αλ(z))δαλ(z)|α&OverBar;λ(z)δαλ(z)dz---(6)]]>
在z~z+△z内的薄层大气内,吸收截面可以近似为一常量,那么,吸收系数的变化等于分子数浓度的变化:
δαλ(z)=σλ,zδn(z)δn(z)=n(z)-n&OverBar;(z)---(7)]]>
这样,方程(6)变为:
lnI(λ,n(z))=lnI(λ,n&OverBar;(z))+&Integral;0z0wλ(z)δn(z)dz---(8)]]>
其中与高度有关的权重函数wλ(z)定义为归一化光谱的导数:
wλ(z)=δlnI(λ,n(z))δn(z)|n&OverBar;(z)---(9)]]>
为了引入垂直柱浓度V作为变量,假设实际廓线与先验廓线存在一比例因子,即:
n(z)=Cn&OverBar;(z)---(10)]]>
那么,同样的比率因子也适用于实际垂直柱浓度与先验垂直柱浓度,即因此:
n(z)=VV&OverBar;n&OverBar;(z)---(11)]]>
这样方程(8)可以表示为
lnI(λ,n(z))=lnI(λ,n&OverBar;(z))+&Integral;0z0wλ(z)(VV&OverBar;-1)n&OverBar;(z)dz---(12)]]>
引入柱权重函数,定义为:
W(λ)=&Integral;0z0wλ(z)n&OverBar;(z)dzV&OverBar;---(13)]]>
这样,太阳归一化辐射量的对数表示成了吸收体垂直柱浓度而非分子数浓度廓线的线性函数:
lnI(λ,V)=lnI(λ,V&OverBar;)+W(λ)(V-V&OverBar;)---(14)]]>
公式(14)仅为考虑单个吸收体的情况,忽略了同样能导致辐射衰减的其它大气过程。这些大气过程可以通过为每个需要考虑的参数引入权重函数来解决。尽管瑞利散射系数、气溶胶消光系数及表面反照率仅展现宽带光谱结构,但它们的权重函数也能影响吸收体的光谱结构。因为散射作用会增加气体吸收光程。假设散射系数和反照率权重函数的光谱相关性可以很好地近似为低阶多项式,那么,太阳归一化辐射量可以线性化为:
lnI(λ,V)=lnI(λ,V&OverBar;)+Σi=1IWi(λ)(Vi-V&OverBar;i)+Σj=1Nbjλj---(15)]]>
式中向量V中的子元素Vi表示在所选拟合波段内存在吸收的气体i的垂直柱浓度,包括二氧化碳的垂直柱浓度。
本发明中,为了能从太阳归一化光谱中分离出二氧化碳垂直柱浓度。前向模型需对关系式(15)离散化,因为直射太阳光谱为波长的离散函数,因此模拟的辐亮度可以表示为:
lnIλlmod(V,a)I0λl=lnIλlmod(V&OverBar;)I0λl+Σi=1I&PartialD;ln(Iλlmod/I0λl)&PartialD;Vi|V&OverBar;i(Vi-V&OverBar;i)+Pλl(a)---(16)]]>
其中λl为像素l的中心波长,a为多项式P各项系数组成的向量。这样,太阳归一化光谱相对于垂直柱浓度的导数表示先验气体浓度廓线波动而导致的测量光谱辐射量变化。因为光谱采集点数大于待反演的参数数目,这是一个典型的过约束问题,非线性最小二乘法是垂直柱浓度反演的理想方法。在最小二乘拟合过程中,用辐射传输模拟光谱对太阳归一化的测量光谱Imes进行拟合,使两者对所有光谱点的平方差最小,即使拟合残差RES(由元素RESl构成)最小。最小二乘法拟合过程可以表示为:
Σl=1m(lnIλlmes-lnIλlmod(V&OverBar;&OverBar;,a&OverBar;&OverBar;))2||RES||2&RightArrow;min---(17)]]>
其中模拟光谱计算值由(16)给出,和为拟合参数组成的向量,分别由二氧化碳和干扰气体的垂直柱浓度及多项式系数构成。
关系式(17)所示最小二乘法问题可以用下面的向量或矩阵概念来实现,前向模型可以表示为:
y=Ax+e     (18)
测量向量y维数大小为m,状态向量x维数大小为n,权重函数矩阵A维数大小为(m×n),e表示模型误差。那么,最大可能推理解p(x|y)可以通过改变x使达到最小值来获得,关系式(18)的解为:
x&OverBar;&OverBar;=CxATy,Cx=(ATA)-1---(19)]]>
其中Cx为解的协方差矩阵,垂直柱浓度反演误差可以用下面的公式来评估:
σVj&OverBar;&OverBar;=(Cx)jjχ2m-n---(20)]]>
其中(Cx)jj为协方差矩阵中第j条对角线元素,m为拟合窗口内的光谱点数,n为线性拟合参数总数。
太阳城集团本发明中,采用1590~1620nm的近红外直射太阳光谱来反演环境大气中的二氧化碳垂直柱浓度,利用大气辐射传输模拟软件SCIATRAN对去掉高频噪声后的太阳归一化光谱建模时,输入参数包括与所记录直射太阳光谱相对应的观测参数(光谱记录太阳城集团、记录地点经纬度、记录地点海拔高度、太阳天顶角、地面反照率、温度廓线、气压廓线、气溶胶廓线、云层模型)、与光谱探测系统光谱分辨率相对应的仪器函数、先验二氧化碳廓线及先验干扰气体(H2O和CH4)廓线、大气层高度(120km)及大气子层数(50层)。

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