[发明专利]一种加快温室气体垂直柱浓度反演速度的方法

说明书

技术领域

本发明涉及环境大气中气体垂直柱浓度的光谱反演领域，具体为一种加快温室气体垂直柱浓度反演速度的方法。

背景技术

温室气体导致的温室效应会产生一系列环境问题和经济问题，例如，导致全球气温持续升温、冰川融化、海平面上升、地球病虫害增多、气候反常、海洋风暴增多等等。目前，很多国家都实时在线监测环境大气中温室气体垂直柱浓度的波动，以确保排放的温室气体符合相关减排规定。

温室气体二氧化碳（CO₂）、甲烷（CH₄）、氧化亚氮（N₂O）等的强吸收波段主要集中在红外波段。红外波段位于振-转光谱的基频或泛频，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，导致红外波段的气体垂直浓度反演方法与其它波段的反演方法更繁琐，相对反演速度更慢。为了能利用红外波段吸收光谱迅速地反演环境大气中温室气体的垂直柱浓度，以确保准确掌握温室气体垂直柱浓度的波动规律，有必要研究出一种加快温室气体垂直柱浓度反演速度的方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种加快温室气体垂直柱浓度反演速度的方法，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、光谱建模条件较复杂、光谱建模速度偏慢、气体垂直柱浓度反演步骤较繁琐而导致反演速度较慢，无法快速分辨温室气体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：

一种加快温室气体垂直柱浓度反演速度的方法，所述反演速度的加快是指针对某一特定的数据处理系统，通过优化温室气体垂直柱浓度反演方法和过程来加快反演速度，而不是通过升级数据处理系统版本来加快反演速度。该方法通过加快光谱建模速度和垂直柱浓度连续计算速度两种方法来加快温室气体垂直柱浓度的反演速度；

第一步，在测量光谱建模过程中采用以下方法来加快模型计算速度，具体实施如下：

（1）使用直射太阳光谱来反演温室气体的垂直柱浓度：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）忽略地面反照率、分子散射次数、大气热辐射过程、较弱干扰气体的吸收干扰因素的影响；

（3）通过对吸收截面的波长坐标进行指数变换，用波长变换间隔内的透过率加权和值代替平均透过率；

（4）用简化的高斯线型仪器函数代替光谱仪复杂的实际仪器函数；

（5）通过对由测量光谱观测参数建立的辐射传输方程进行离散化，减少待求解辐射方程组的数目；

第二步，在温室气体垂直柱浓度连续反演过程中，采用查表方法加快温室气体垂直柱浓度的计算速度，具体实施如下：

采用查表方法不需要对每一条测量光谱进行在线辐射传输模拟，能在较短的观测时间内处理完庞大的观测数据，具体实施方法为：先根据不同太阳天顶角、地面高度、地面反照率、气溶胶类型及水汽浓度模拟出所有场景下的太阳归一化光谱常量和权重函数，统计出当所有光谱都采用一个场景的模拟值进行温室气体垂直柱浓度拟合时的修正因子，并制作成一个修正表，后续数据处理时，所有角度的测量光谱都可采用这一场景的模拟值进行拟合，只需将拟合结果乘以表格中相应的修正因子即可，而不再需要对所有场景的测量光谱建模，这一特定场景的模拟值称为参考光谱，可以通过大气辐射传输模型SCIATRAN计算得到，计算过程中仅考虑分子单次散射的影响。

所述加快温室气体垂直柱浓度反演速度的方法，利用地基光谱仪记录的直射太阳光谱而不是地基、机载或星载光谱仪记录的散射光谱来反演温室气体的垂直柱浓度。直射太阳光谱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）记录的测量光谱而言，观测方式简单，辐射传输模型SCIATRAN能快速的实现测量光谱建模，从而缩短模型计算时间，提高垂直柱浓度反演速度。

所述加快温室气体垂直柱浓度反演速度的方法，在采用辐射传输模拟软件SCIATRAN对直射太阳光谱建模时，忽略地面反照率、分子散射次数、大气热辐射过程、较弱干扰气体的吸收干扰等因素的影响，这些因素对温室气体垂直柱浓度反演结果影响很小但对光谱建模速度具有一定影响。