[发明专利]用于确定地理空间中的气体流量的方法

说明书

本方法用于根据先验流量、气体浓度值的物理观测值，使用表示气体行为，尤其表示气体的运动的数字模型，来确定地理空间中出现和消失的气体流量，所述方法包括迭代计算和朝着使成本函数最小化的解的方向对流量的连续确定值进行收敛，其特征在于，对应于大气反演模型的所述模型在时间片段(5)上进行操作，所述时间片段(5)是一个接一个地连续排列并且具有能够修正每一个片段(5)的不准确的计算起点的重叠部(6)。因为计算涉及参数的增量，尤其涉及浓度值的增量，所以核对所述片段结果并不困难。本方法应用于气体(例如二氧化碳，即，温室气体)源的定位。

技术领域

本发明涉及一种用于通过定位或绘图来确定地理空间中的气体流量的方法。气体流量为被考虑的气体在这个空间的各个区域中出现或消失的量。

背景技术

这些方法可用于检测特别是由人类的活动涉及的燃烧所产生的某些气体(例如甲烷或二氧化碳)的发源地。还存在例如由植物(如果植物吸收了这些气体)造成的对应于这些气体的消失的负流量。

所述确定能够通过使用数值模型来实现，数值模型根据下列各项来表达在地理空间被离散化的区域中的气体浓度：这些区域中产生的正流量或负流量，特别地由风造成的气体运输，以及影响气体并等同于仍在原地产生或破坏气体的附加流量的化合或分解的化学反应。然而，在二氧化碳(高稳定性气体)的情况下，几乎不存在这些化学反应。数值模型的结果是与观测值相关的，观测值是在地理空间的特定位置处(或甚至在这个空间之外)以及在特定时间气体浓度的测量值。如果由模型推导出的气体浓度对应于其置信区间中的观测值并且如果这些流量对应于其置信区间中的先验流量，则在该模型中引入的气体流量被看作是最佳的。换言之，在给定每条信息的精确性条件下，如果这些流量在与观测浓度的一致性和与先验流量的一致性之间是最佳折衷的，则这些流量是最佳的。从数学的角度上讲，最佳流量和其不确定性由贝叶斯定理表达。

在实践中，存在三种类型的方法用于确定最佳流量：

分析法，其中通过使用代数公式来直接使用模型；

通过系综的方法，其依赖于模拟的统计系综；和

变分法，其依赖于对所谓的成本函数进行最小化，成本函数表示观测值和浓度估计值之间的总体差异与被确定的流量和先验流量之间的总体差异的总和。

W.Peter等人于2009年1月1日在地球物理学研究杂志(Journal of GeophysicalResearch)vol.110,D24304第1-18页中发表的文章《从大气微量气体观测值估计CO₂地表通量的系综数据同化系统》(An ensemble data assimilation system to estimateCO₂surface fluxes from atmospheric trace gas observations)(XP055079774)中记载了通过系综的方法，其中在时间片段的系综上执行模型化计算，每个计算在缺少在先系综的最早时间片段但具有刚刚位于在先系综之后的新的时间片段的系综上执行。因此，计算是在重叠的系综上执行，这些系综朝着研究持续时间的结束进行连续地移动。因此，每个时间片段被进行计算的次数就是这个时间片段所属的系综的个数，这能够使朝着浓度的正确评估进行收敛。然而，时间片段没有任何重叠的部分。计算必须是在每个时间系综上连续地执行，并且因此，计算次数或多或少是与时间片段系综的个数成比例，在实践中计算次数是非常多的。

发明内容

本发明的方法是第三类方法(变分法)的改进。本发明的方法将是针对单一气体进行描述，但该方法也可应用于多种气体。

变分法是能够最佳地实现高空间和时间分辨率以及根据将要得到的大量数据进行的流量估计。地理空间能够覆盖整个地球，并且持续时间能够持续数十年，但这这种情况下计算次数也变得巨大。