[发明专利]一种加快温室气体垂直柱浓度反演速度的方法

摘要

本发明公开了一种加快温室气体垂直柱浓度反演速度的方法。通过加快光谱建模速度和垂直柱浓度连续计算速度两种途径来加快温室气体垂直柱浓度的反演速度。在光谱建模过程中，通过忽略一些弱干扰因素的影响和离散化辐射传输方程来加快建模速度；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先模拟出所有可能场景的太阳归一化辐亮度和权重函数，统计出当所有光谱都采用一个特定场景的模拟值进行反演拟合时的修正因子，并制作成一个修正表，后续数据处理时，所有场景的测量光谱都可采用这一特定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。

主权项

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，其特征在于：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；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；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；在采用辐射传输模拟软件SCIATRAN对所述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；在采用辐射传输模拟软件SCIATRAN对所述直射太阳光谱建模时，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，能增大积分步长且不影响积分效果；在采用辐射传输模拟软件SCIATRAN对所述直射太阳光谱建模时，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；在采用辐射传输模拟软件SCIATRAN对所述直射太阳光谱建模时，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，同时按照一定规则，用离散的平行平面大气代替连续大气，对大气层进行分层，减少待求解辐射方程组的数目；温室气体垂直柱浓度的连续反演过程中，先模拟出所有可能场景的太阳归一化辐亮度和权重函数，统计出当所有光谱都采用一个特定场景的模拟值进行反演拟合时的修正因子，并制作成一个修正表，后续数据处理时，所有场景的测量光谱都可采用这一特定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；所述的加快温室气体垂直柱浓度反演速度的方法，在测量光谱建模过程中采用以下方法加快模型计算速度：(1)使用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；(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，同时按照一定规则，用离散的平行平面大气代替连续大气，对大气层进行分层，减少待求解辐射方程组的数目；所述的加快温室气体垂直柱浓度反演速度的方法，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：先模拟出所有可能场景的太阳归一化辐亮度和权重函数，统计出当所有光谱都采用一个特定场景的模拟值进行反演拟合时的修正因子，并制作成一个修正表，后续数据处理时，所有场景的测量光谱都可采用这一特定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，通过加快测量光谱建模速度和加快温室气体垂直柱浓度计算速度的方法能加快温室气体垂直柱浓度的反演速度；其中，吸收截面波长坐标指数变换的思想是，在足够小的波长间隔Δλ内，用间隔内的透过率加权和值代替平均透过率，如果Δλ足够小，以至于给定吸收体的吸收截面是唯一改变该波段范围内光学参数的物理量，这样，平均透过率仅与特定截面值发生的频率有关，而与吸收截面的精确波长相关度无关，因此，波长坐标可以等价地转换为概率坐标，相应的概率变量定义为：g(k)=∫0kf(k′)dk′∈[0,1]---(1)]]>式中f(k')dk'表示吸收截面位于k'～k'+dk'之间的波长间隔概率大小，反函数k(g)即相关‑k分布函数，是一个单调递增函数；快速变化的吸收截面函数k(λ)至g空间k分布的转换，变换之后仍能对平均透过率进行很好地数值评估，这里的“相关”指的是假定垂直不均匀大气中的变换能保持为一常量，然而，对于任何实际大气而言，这种假定仅是一种近似，因为气体吸收截面具有很强的温度、压强相关特性，但是，如果不同大气层的吸收截面具有很好的相关性，这种假定仍能适用，相关‑k变化仍具有很好的结果，这样Δλ间隔内的平均透过率可以表示为：T(n)=1Δλ∫λ1λ2exp(-∫0z0n(z)kλ(z)dz)dλ=∫01exp(-∫0z0n(z)kg(z)dz)dg≈∫01exp(-Σi=1Nzkg,iVi)dg---(2)]]>式中，Vi为第i层的柱浓度，如果将g坐标分为M个子间隔，且在每个区间内kg值的变化相对较小，那么，透过率可以表示为所有子间隔的加权之和；T≈Σj=1Majexp(-Σi=1Nzkj,iVi)---(3)]]>区间j内的权重因子和吸收截面分别为aj和kj，kj可以通过非线性最小二乘法拟合得到；通过采用对吸收截面波长坐标进行指数变换的方法，在g空间的辐射传输计算量要远小于在原始波长空间的计算量，如果波长间隔选择足够小，变换后的方法既能在计算时间上远远优于逐线积分方法，又能在计算精度上保持相同的水平。