鬼佬大哥大
  • / 10
  • 下載費用:30 金幣  

直射太陽光譜反演環境大氣中二氧化碳垂直柱濃度的方法.pdf

摘要
申請專利號:

CN201410050777.9

申請日:

2014.02.13

公開號:

CN103983599A

公開日:

2014.08.13

當前法律狀態:

終止

有效性:

無權

法律詳情: 未繳年費專利權終止IPC(主分類):G01N 21/3504申請日:20140213授權公告日:20160817終止日期:20170213|||授權|||實質審查的生效IPC(主分類):G01N 21/3504申請日:20140213|||公開
IPC分類號: G01N21/3504(2014.01)I; G01N21/359(2014.01)N 主分類號: G01N21/3504
申請人: 中國科學院合肥物質科學研究院
發明人: 孫友文; 謝品華; 徐晉; 劉誠; 劉文清; 劉建國; 周海金; 方武; 李昂
地址: 230031 安徽省合肥市中科院合肥分院安光所
優先權:
專利代理機構: 安徽合肥華信知識產權代理有限公司 34112 代理人: 余成俊
PDF完整版下載: PDF下載
法律狀態
申請(專利)號:

CN201410050777.9

授權公告號:

|||||||||

法律狀態公告日:

2018.03.06|||2016.08.17|||2014.09.10|||2014.08.13

法律狀態類型:

專利權的終止|||授權|||實質審查的生效|||公開

摘要

本發明公開了一種基于直射太陽光譜高精度反演環境大氣中二氧化碳垂直柱濃度的方法,先將獲得的直射太陽光譜一階泰勒展開為太陽歸一化輻亮度、二氧化碳及其它干擾因素柱權重函數、低階多項式的線性疊加,再利用大氣輻射傳輸模型SCIATRAN對太陽光譜建模,將模擬計算值與直射太陽光譜進行非線性最小二乘法擬合,推導出二氧化碳的垂直柱濃度。在建模過程中,詳細考慮與所記錄直射太陽光譜相對應的觀測物理參數、與光譜探測系統光譜分辨率相對應的儀器函數、先驗二氧化碳廓線及先驗干擾因素廓線、大氣層高度及大氣子層數,有效地修正紅外波段氣體吸收截面的溫度、壓強依賴特性,使用該方法可準確掌握環境大氣中二氧化碳垂直柱濃度的波動規律。

權利要求書

權利要求書
1.  直射太陽光譜反演環境大氣中二氧化碳垂直柱濃度的方法,其特征在于:包括以下步驟:
(1)、太陽光匯聚系統安裝在太陽跟蹤系統上,太陽入射光經過太陽光匯聚系統匯聚后由光信號傳輸系統傳輸至光譜探測系統,光譜探測系統實現光信號采集和模/數(A/D)轉換,之后再送入光譜存儲及解析系統,獲得直射太陽光譜;
(2)、通過步驟(1)得到的直射太陽光譜除以干凈的太陽參考光譜,取對數之后再進行低通濾波,獲得去掉高頻噪聲后的太陽歸一化光譜;
(3)、利用大氣輻射傳輸模擬軟件SCIATRAN對通過步驟(2)得到的去掉高頻噪聲后的太陽歸一化光譜建模,獲得太陽歸一化輻亮度的模擬計算值、二氧化碳柱權重函數的模擬計算值及其它干擾因素柱權重函數的模擬計算值;
(4)、通過步驟(3)得到的各種模擬計算值(太陽歸一化輻亮度、二氧化碳及其它干擾因素柱權重函數的模擬計算值)加上一個低階多項式后與去掉高頻噪聲后的太陽歸一化光譜進行非線性最小二乘法擬合,獲得二氧化碳的廓線定標系數;
(5)、根據步驟(4)得到的二氧化碳廓線定標系數乘以步驟(3)中所使用的先驗二氧化碳廓線,得到與所記錄直射太陽光譜相對應的二氧化碳廓線真值;
(6)、根據步驟(5)得到的二氧化碳廓線真值沿整層大氣積分后得到環境大氣中二氧化碳的垂直柱濃度。

2.  根據權利要求1所述直射太陽光譜反演環境大氣中二氧化碳垂直柱濃度的方法,其特征在于:所述直射太陽光譜包含二氧化碳的光譜吸收帶,并且沒有受到云層覆蓋或嚴重的霧霾消光影響。

3.  根據權利要求1所述直射太陽光譜反演環境大氣中二氧化碳垂直柱濃度的方法,其特征在于:所述步驟(1)中太陽光匯聚系統、太陽跟蹤系統、光信號傳輸系統、光譜探測系統和光譜存儲及解析系統分別由聚焦望遠鏡系統、赤道儀、光纖、光譜儀和計算機構成。

4.  根據權利要求1所述直射太陽光譜反演環境大氣中二氧化碳垂直柱濃度的方法,其特征在于:所述步驟(2)中去掉高頻噪聲后的太陽歸一化光譜可以在先驗狀態點一階泰勒展開為太陽歸一化輻亮度、二氧化碳及其它干擾因素柱權重函數、低階多項式的線性疊加:去掉高頻噪聲后的太陽歸一化光譜=太陽歸一化輻亮度+二氧化碳及其它干擾因素柱權重函數+低階多項式。

5.  根據權利要求1所述直射太陽光譜反演環境大氣中二氧化碳垂直柱濃度的方法,其特征在于:所述步驟(3)中,利用大氣輻射傳輸模擬軟件SCIATRAN對通過步驟(2)得到的去掉高頻噪聲后的太陽歸一化光譜建模時,輸入參數包括與所記錄直射太陽光譜相對應的觀測物理參數、與光譜探測系統光譜分辨率相對應的儀器函數、先驗二氧化碳廓線及先驗干擾因素廓線、大氣層高度及大氣子層數。

說明書

說明書直射太陽光譜反演環境大氣中二氧化碳垂直柱濃度的方法
技術領域
本發明涉及環境大氣中氣體垂直柱濃度的測量領域,具體為一種基于直射太陽光譜反演環境大氣中二氧化碳垂直柱濃度的方法。
背景技術
二氧化碳作為最主要的人類溫室氣體,由于含量較多,對全球溫室效應的貢獻百分比最大,約為55%。盡管影響巨大,但人們對二氧化碳自然和人為源(或匯)的認知仍存在很大空白,部分原因在于人們很難評估具有高時空變化率的自然和人為二氧化碳大氣源排放。目前,越來越多的國家監測環境大氣中二氧化碳濃度的變化,作為減排方案制定的主要依據。
與在紫外可見波段具有較強吸收的SO2、NO2、HONO、苯系物、O3等氣體不同,二氧化碳的強吸收波段主要集中在紅外波段。在紅外波段,氣體吸收截面具有很強的溫度、壓強依賴特性,并且隨波長變化而變化。常規差分光學吸收光譜技術進行氣體濃度反演時假定氣體吸收截面為一常量,因此常規差分光學吸收光譜技術對在紫外可見波段具有較強吸收的氣體具有較高測量精度,而對主要吸收波段位于紅外波段的氣體的反演會引入較大誤差。環境大氣中二氧化碳垂直柱濃度的年均波動率小于2%,因此,有必要研究出一種基于直射太陽光譜高精度反演環境大氣中二氧化碳垂直柱濃度的方法,以確保準確掌握溫室氣體二氧化碳的垂直柱濃度波動規律。
發明內容
本發明的目的是提供一種基于直射太陽光譜反演環境大氣中二氧化碳垂直柱濃度的方法,以解決現有技術觀測方式相對復雜、測量光譜信噪比相對較低、無法修正氣體吸收截面很強的溫度、壓強依賴特性而導致反演精度較低,無法準確分辨溫室氣體二氧化碳垂直柱濃度波動規律的問題。
為了達到上述目的,本發明所采用的技術方案為:
直射太陽光譜反演環境大氣中二氧化碳垂直柱濃度的方法,其特征在于:包 括以下步驟:
(1)、太陽光匯聚系統安裝在太陽跟蹤系統上,太陽入射光經過太陽光匯聚系統匯聚后由光信號傳輸系統傳輸至光譜探測系統,光譜探測系統實現光信號采集和模/數(A/D)轉換,之后再送入光譜存儲及解析系統,獲得直射太陽光譜;
(2)、通過步驟(1)得到的直射太陽光譜除以干凈的太陽光譜,取對數之后再進行低通濾波,獲得去掉高頻噪聲后的太陽歸一化光譜;
(3)、利用大氣輻射傳輸模擬軟件SCIATRAN對通過步驟(2)得到的去掉高頻噪聲后的太陽歸一化光譜建模,獲得太陽歸一化輻亮度的模擬計算值、二氧化碳柱權重函數的模擬計算值及其它干擾因素柱權重函數的模擬計算值;
(4)、通過步驟(3)得到的各種模擬計算值(太陽歸一化輻亮度、二氧化碳及其它干擾因素柱權重函數的模擬計算值)加上一個低階多項式后與去掉高頻噪聲后的太陽歸一化光譜進行非線性最小二乘法擬合,獲得二氧化碳的廓線定標系數;
(5)、根據步驟(4)得到的二氧化碳廓線定標系數乘以步驟(3)中所使用的先驗二氧化碳廓線,得到與所記錄直射太陽光譜相對應的二氧化碳廓線真值;
(6)、根據步驟(5)得到的二氧化碳廓線真值沿整層大氣積分后得到環境大氣中二氧化碳的垂直柱濃度。
所述直射太陽光譜包含二氧化碳的光譜吸收帶,并且沒有受到云層覆蓋或嚴重的霧霾消光影響。
所述步驟(1)中太陽光匯聚系統、太陽跟蹤系統、光信號傳輸系統、光譜探測系統和光譜存儲及解析系統分別由聚焦望遠鏡系統、赤道儀、光纖、光譜儀和計算機構成。
所述步驟(2)中去掉高頻噪聲后的太陽歸一化光譜可以在先驗狀態點一階泰勒展開為太陽歸一化輻亮度、二氧化碳及其它干擾因素柱權重函數、低階多項式的線性疊加:去掉高頻噪聲后的太陽歸一化光譜=太陽歸一化輻亮度+二氧化碳及其它干擾因素柱權重函數+低階多項式。
所述步驟(3)中,利用大氣輻射傳輸模擬軟件SCIATRAN對通過步驟(2)得到的去掉高頻噪聲后的太陽歸一化光譜建模時,輸入參數包括與所記錄直射太陽光譜相對應的觀測參數、與光譜探測系統光譜分辨率相對應的儀器函數、先驗二氧 化碳廓線及先驗干擾因素廓線、大氣層高度及大氣子層數。
本發明是一種基于直射太陽光譜反演環境大氣中二氧化碳垂直柱濃度的方法。聯合聚焦望遠鏡系統、赤道儀、光纖、光譜儀和計算機獲得直射太陽光譜;直射太陽光譜除以干凈的太陽光譜,之后再進行低通濾波,獲得去掉高頻噪聲后的太陽歸一化光譜;利用大氣輻射傳輸模擬軟件SCIATRAN對去掉高頻噪聲后的太陽歸一化光譜建模,在建模過程中輸入參數包括與所記錄直射太陽光譜相對應的觀測參數、與光譜探測系統光譜分辨率相對應的儀器函數、先驗二氧化碳廓線及先驗干擾因素廓線、大氣層高度及大氣子層數,可以修正氣體吸收截面很強的溫度、壓強依賴特性;將SCIATRAN建模過程中計算得到的各種模擬計算值(太陽歸一化輻亮度、二氧化碳及其它干擾因素柱權重函數的模擬計算值)加上一個低階多項式后與去掉高頻噪聲后的太陽歸一化光譜進行非線性最小二乘法擬合,可以修正薄云、氣溶膠、地面反射率、灰霾等“寬帶”吸收結構的影響,獲得二氧化碳的廓線定標系數;二氧化碳廓線定標系數乘以SCIATRAN建模過程中使用的先驗二氧化碳廓線,得到與所記錄直射太陽光譜相對應的二氧化碳廓線真值;二氧化碳廓線真值沿整層大氣積分后得到環境大氣中二氧化碳的垂直柱濃度。
本發明直射太陽光譜與SCIATRAN建模光譜滿足以下關系:
lnIλmeas(Vreal→,areal→)I0λ≈lnIλmod(Vreal→,areal→)I0λ=lnIλmod(V‾→)I0λ+Σi∂ln(Iλmod/I0λ)∂Vi|Vi‾(Vi-V‾i)+pλ(a→)]]>
I0λ為干凈的太陽參考光譜,即大氣頂層的太陽光譜,不包括任何氣體的吸收和薄云、氣溶膠的消光效應,僅記錄太陽的固有夫瑯禾費結構;為直射太陽光譜,為SCIATRAN建模光譜,為先驗狀態參量,為SCIATRAN在先驗狀態參量狀態下的模擬計算值,為大氣參數i的柱權重函數,包括二氧化碳和干擾因素(干擾氣體、氣溶膠、地面反照率和溫度漂移等)的柱權重函數,為低階多項式,用來表示云層覆蓋、氣溶膠、地面反射率、灰霾等具有寬帶吸收結構的影響。
本發明利用大氣輻射傳輸模擬軟件SCIATRAN對去掉高頻噪聲后的太陽歸一化光譜建模時,輸入參數包括與所記錄直射太陽光譜相對應的觀測參數(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、云層模型)、與光譜探測系統光譜分辨率相對應的儀器函數、先驗二氧化碳廓線及先驗干擾因素廓線、大氣層高度及大氣子層數。
本發明與現有技術相比具有以下優點:
本發明涉及的直射太陽光譜反演環境大氣中二氧化碳垂直柱濃度的方法利用直射太陽光譜來反演環境大氣中的二氧化碳垂直柱濃度,相對于其它被動遙感方式(例如,機載、星載、地基天頂、地基散射測量)而言,具有以下優勢:(1)觀測方式簡單,儀器裝置容易實現,成本低(相對機載和星載儀器而言);(2)大氣輻射傳輸模型SCIATRAN容易實現測量光譜的建模,不用考慮地面反射率影響,三個觀測角度參數中的方位角始終為零,觀測角與太陽天頂角始終相等,近地面觀測高度固定,不隨時間發生變化;(3)光信號強,較短積分時間就可以獲得很強光信號,模擬光譜和測量光譜的信噪比都很高。先將直射太陽光譜一階泰勒展開為太陽歸一化輻亮度、二氧化碳及其它干擾因素柱權重函數、低階多項式的線性疊加,再利用大氣輻射傳輸模型SCIATRAN對太陽光譜建模,最后再將模擬計算值與直射太陽光譜進行最小二乘法擬合,推導出二氧化碳的垂直柱濃度。由于在建模過程中,詳細考慮了與所記錄直射太陽光譜相對應的觀測參數、與光譜探測系統光譜分辨率相對應的儀器函數、先驗二氧化碳廓線及先驗干擾因素廓線、大氣層高度及大氣子層數,能非常有效地修正紅外波段氣體吸收截面的溫度、壓強依賴特性,二氧化碳垂直柱濃度的反演精度更高,使用本發明所述方法可以準確掌握環境大氣中二氧化碳垂直柱濃度的波動規律。
附圖說明
圖1為本發明實現框圖。
圖2為應用本發明的實例光譜建模得到的各種模擬計算值,其中:
圖2(a)為CH4柱權重函數的模擬計算值,圖2(b)為H2O柱權重函數的模擬計算值,圖2(c)為CO2柱權重函數的模擬計算值,圖2(d)太陽歸一化輻亮度常量的模擬計算值。
圖3為應用本發明的實例將各種模擬計算值(太陽歸一化輻亮度、二氧化碳及其它干擾因素柱權重函數的模擬計算值)加上一個低階多項式后與去掉高頻噪聲后的太陽歸一化光譜進行非線性最小二乘法擬合過程,其中:
圖3(a)為太陽歸一化光譜的擬合,圖3(b)為二氧化碳柱權重函數的擬合,圖3(c)為干擾氣體H2O柱權重函數的擬合,圖3(d)為干擾氣體CH4柱權重函數的擬合,圖3(e)為擬合殘差。
具體實施方式
如圖1~圖3所示。本發明中,二氧化碳和干擾氣體對直射太陽光譜的吸收滿足式(1)所示關系:
lnI(λ)=ln(IλI0λ)=f(κλ,i(z),ni(z))---(1)]]>
式中Iλ為直射太陽光譜,I0λ為大氣頂層太陽光譜,lnI'(λ)為太陽歸一化光譜,κλ,i(z)為第i種氣體的光譜吸收截面,ni(z)為分子數濃度。在紫外可見光譜范圍,式(1)可以精確地近似為線性模型(即滿足線性化朗伯比爾定律),然而在紅外波段,這一近似不再成立,原因如下:
1)吸收截面具有很強的溫度和壓強依賴特性,換言之,其隨高度z不同而發生變化且變化量不可忽略。不能假設吸收截面在整個斜柱路徑S中為一常量,而需要計算沿整個路徑的積分,即滿足(2)式。
∫κλ(z)n(z)dz≠κλ‾S---(2)]]>
2)大氣中的多次散射過程導致多種不同的光路徑,紫外可見波段的多次散射吸收表示方法不再適用于紅外波段,即滿足(3)式。
I=I0Σkexp(-κkSk)≠I0exp(-ΣkκkSk)---(3)]]>
3)相同的紅外波段,很多分子的振轉光譜都存在很強的重疊吸收,而受限于光柵光譜儀的有限分辨率,無法精確分辨出不同分子間的單條吸收線。這一過程,在數學可以描述為測量光譜與儀器函數的卷積,而對于指數函數,這一過程不能互換,即滿足(4)式。
<Iλ>=<I0λe-κλS>&NotEqual;I0λe-<κλ>S---(4)]]>
在沒有任何假設條件的情況下,紅外波段無法推導出lnI(λ)與垂直柱濃度V 之間的線性關系,因為在大氣輻射傳輸方程中,V并不是一個獨立的參數。太陽歸一化的輻射量與吸收體的分子數濃度垂直廓線而不是垂直柱濃度有關,因為吸收系數表達式為:
αλ(z)=n(z)κλ(z)     (5)
事實上,同樣的垂直柱濃度可以從不同的廓線計算而來,從而可能同時與不同的太陽歸一化輻射量對應。然而,在忽略線性化誤差的情況下,lnI'(λ)可以在附近對吸收系數進行一階泰勒展開。
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內的薄層大氣內,吸收截面可以近似為一常量,那么,吸收系數的變化等于分子數濃度的變化:
δαλ(z)=σλ,zδn(z)δn(z)=n(z)-n&OverBar;(z)---(7)]]>
這樣,方程(6)變為:
lnI(λ,n(z))=lnI(λ,n&OverBar;(z))+&Integral;0z0wλ(z)δn(z)dz---(8)]]>
其中與高度有關的權重函數wλ(z)定義為歸一化光譜的導數:
wλ(z)=δlnI(λ,n(z))δn(z)|n&OverBar;(z)---(9)]]>
為了引入垂直柱濃度V作為變量,假設實際廓線與先驗廓線存在一比例因子,即:
n(z)=Cn&OverBar;(z)---(10)]]>
那么,同樣的比率因子也適用于實際垂直柱濃度與先驗垂直柱濃度,即因此:
n(z)=VV&OverBar;n&OverBar;(z)---(11)]]>
這樣方程(8)可以表示為
lnI(λ,n(z))=lnI(λ,n&OverBar;(z))+&Integral;0z0wλ(z)(VV&OverBar;-1)n&OverBar;(z)dz---(12)]]>
引入柱權重函數,定義為:
W(λ)=&Integral;0z0wλ(z)n&OverBar;(z)dzV&OverBar;---(13)]]>
這樣,太陽歸一化輻射量的對數表示成了吸收體垂直柱濃度而非分子數濃度廓線的線性函數:
lnI(λ,V)=lnI(λ,V&OverBar;)+W(λ)(V-V&OverBar;)---(14)]]>
公式(14)僅為考慮單個吸收體的情況,忽略了同樣能導致輻射衰減的其它大氣過程。這些大氣過程可以通過為每個需要考慮的參數引入權重函數來解決。盡管瑞利散射系數、氣溶膠消光系數及表面反照率僅展現寬帶光譜結構,但它們的權重函數也能影響吸收體的光譜結構。因為散射作用會增加氣體吸收光程。假設散射系數和反照率權重函數的光譜相關性可以很好地近似為低階多項式,那么,太陽歸一化輻射量可以線性化為:
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表示在所選擬合波段內存在吸收的氣體i的垂直柱濃度,包括二氧化碳的垂直柱濃度。
本發明中,為了能從太陽歸一化光譜中分離出二氧化碳垂直柱濃度。前向模型需對關系式(15)離散化,因為直射太陽光譜為波長的離散函數,因此模擬的輻亮度可以表示為:
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為像素l的中心波長,a為多項式P各項系數組成的向量。這樣,太陽歸一化光譜相對于垂直柱濃度的導數表示先驗氣體濃度廓線波動而導致的測量光譜輻射量變化。因為光譜采集點數大于待反演的參數數目,這是一個典型的過約束問題,非線性最小二乘法是垂直柱濃度反演的理想方法。在最小二乘擬合過程中,用輻射傳輸模擬光譜對太陽歸一化的測量光譜Imes進行擬合,使兩者對所有光譜點的平方差最小,即使擬合殘差RES(由元素RESl構成)最小。最小二乘法擬合過程可以表示為:
Σl=1m(lnIλlmes-lnIλlmod(V&OverBar;&OverBar;,a&OverBar;&OverBar;))2||RES||2&RightArrow;min---(17)]]>
其中模擬光譜計算值由(16)給出,和為擬合參數組成的向量,分別由二氧化碳和干擾氣體的垂直柱濃度及多項式系數構成。
關系式(17)所示最小二乘法問題可以用下面的向量或矩陣概念來實現,前向模型可以表示為:
y=Ax+e     (18)
測量向量y維數大小為m,狀態向量x維數大小為n,權重函數矩陣A維數大小為(m×n),e表示模型誤差。那么,最大可能推理解p(x|y)可以通過改變x使達到最小值來獲得,關系式(18)的解為:
x&OverBar;&OverBar;=CxATy,Cx=(ATA)-1---(19)]]>
其中Cx為解的協方差矩陣,垂直柱濃度反演誤差可以用下面的公式來評估:
σVj&OverBar;&OverBar;=(Cx)jjχ2m-n---(20)]]>
其中(Cx)jj為協方差矩陣中第j條對角線元素,m為擬合窗口內的光譜點數,n為線性擬合參數總數。
本發明中,采用1590~1620nm的近紅外直射太陽光譜來反演環境大氣中的二氧化碳垂直柱濃度,利用大氣輻射傳輸模擬軟件SCIATRAN對去掉高頻噪聲后的太陽歸一化光譜建模時,輸入參數包括與所記錄直射太陽光譜相對應的觀測參數(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、云層模型)、與光譜探測系統光譜分辨率相對應的儀器函數、先驗二氧化碳廓線及先驗干擾氣體(H2O和CH4)廓線、大氣層高度(120km)及大氣子層數(50層)。

關 鍵 詞:
直射 太陽 光譜 反演 環境 大氣 二氧化碳 垂直 濃度 方法
  專利查詢網所有資源均是用戶自行上傳分享,僅供網友學習交流,未經上傳用戶書面授權,請勿作他用。
關于本文
本文標題:直射太陽光譜反演環境大氣中二氧化碳垂直柱濃度的方法.pdf
鏈接地址:http://www.wwszu.club/p-6140830.html
關于我們 - 網站聲明 - 網站地圖 - 資源地圖 - 友情鏈接 - 網站客服客服 - 聯系我們

[email protected] 2017-2018 zhuanlichaxun.net網站版權所有
經營許可證編號:粵ICP備17046363號-1 
 


收起
展開
鬼佬大哥大