直射太陽(yáng)光譜反演環(huán)境大氣中二氧化碳垂直柱濃度的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種基于直射太陽(yáng)光譜高精度反演環(huán)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(yáng)光譜一階泰勒展開(kāi)為太陽(yáng)歸一化輻亮度、二氧化碳及其它干擾因素柱權(quán)重函數(shù)、低階多項(xiàng)式的線性疊加，再利用大氣輻射傳輸模型SCIATRAN對(duì)太陽(yáng)光譜建模，將模擬計(jì)算值與直射太陽(yáng)光譜進(jìn)行非線性最小二乘法擬合，推導(dǎo)出二氧化碳的垂直柱濃度。在建模過(guò)程中，詳細(xì)考慮與所記錄直射太陽(yáng)光譜相對(duì)應(yīng)的觀測(cè)物理參數(shù)、與光譜探測(cè)系統(tǒng)光譜分辨率相對(duì)應(yīng)的儀器函數(shù)、先驗(yàn)二氧化碳廓線及先驗(yàn)干擾因素廓線、大氣層高度及大氣子層數(shù)，有效地修正紅外波段氣體吸收截面的溫度、壓強(qiáng)依賴特性，使用該方法可準(zhǔn)確掌握環(huán)境大氣中二氧化碳垂直柱濃度的波動(dòng)規(guī)律。
【專利說(shuō)明】直射太陽(yáng)光譜反演環(huán)境大氣中二氧化碳垂直柱濃度的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及環(huán)境大氣中氣體垂直柱濃度的測(cè)量領(lǐng)域，具體為一種基于直射太陽(yáng)光譜反演環(huán)境大氣中二氧化碳垂直柱濃度的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]二氧化碳作為最主要的人類溫室氣體，由于含量較多，對(duì)全球溫室效應(yīng)的貢獻(xiàn)百分比最大，約為55%。盡管影響巨大，但人們對(duì)二氧化碳自然和人為源(或匯)的認(rèn)知仍存在很大空白，部分原因在于人們很難評(píng)估具有高時(shí)空變化率的自然和人為二氧化碳大氣源排放。目前，越來(lái)越多的國(guó)家監(jiān)測(cè)環(huán)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(jù)。
[0003]與在紫外可見(jiàn)波段具有較強(qiáng)吸收的S02、N02、H0N0、苯系物、O3等氣體不同，二氧化碳的強(qiáng)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(qiáng)的溫度、壓強(qiáng)依賴特性，并且隨波長(zhǎng)變化而變化。常規(guī)差分光學(xué)吸收光譜技術(shù)進(jìn)行氣體濃度反演時(shí)假定氣體吸收截面為一常量，因此常規(guī)差分光學(xué)吸收光譜技術(shù)對(duì)在紫外可見(jiàn)波段具有較強(qiáng)吸收的氣體具有較高測(cè)量精度，而對(duì)主要吸收波段位于紅外波段的氣體的反演會(huì)引入較大誤差。環(huán)境大氣中二氧化碳垂直柱濃度的年均波動(dòng)率小于2%，因此，有必要研究出一種基于直射太陽(yáng)光譜高精度反演環(huán)境大氣中二氧化碳垂直柱濃度的方法，以確保準(zhǔn)確掌握溫室氣體二氧化碳的垂直柱濃度波動(dòng)規(guī)律。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是提供一種基于直射太陽(yáng)光譜反演環(huán)境大氣中二氧化碳垂直柱濃度的方法，以解決現(xiàn)有技術(shù)觀測(cè)方式相對(duì)復(fù)雜、測(cè)量光譜信噪比相對(duì)較低、無(wú)法修正氣體吸收截面很強(qiáng)的溫度、壓強(qiáng)依賴特性而導(dǎo)致反演精度較低，無(wú)法準(zhǔn)確分辨溫室氣體二氧化碳垂直柱濃度波動(dòng)規(guī)律的問(wèn)題。
[0005]為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為:
[0006]直射太陽(yáng)光譜反演環(huán)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:
[0007](I)、太陽(yáng)光匯聚系統(tǒng)安裝在太陽(yáng)跟蹤系統(tǒng)上，太陽(yáng)入射光經(jīng)過(guò)太陽(yáng)光匯聚系統(tǒng)匯聚后由光信號(hào)傳輸系統(tǒng)傳輸至光譜探測(cè)系統(tǒng)，光譜探測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)光信號(hào)采集和模/數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換，之后再送入光譜存儲(chǔ)及解析系統(tǒng)，獲得直射太陽(yáng)光譜；
[0008](2)、通過(guò)步驟(I)得到的直射太陽(yáng)光譜除以干凈的太陽(yáng)光譜，取對(duì)數(shù)之后再進(jìn)行低通濾波，獲得去掉高頻噪聲后的太陽(yáng)歸一化光譜；
[0009](3)、利用大氣輻射傳輸模擬軟件SCIATRAN對(duì)通過(guò)步驟(2)得到的去掉高頻噪聲后的太陽(yáng)歸一化光譜建模，獲得太陽(yáng)歸一化輻亮度的模擬計(jì)算值、二氧化碳柱權(quán)重函數(shù)的模擬計(jì)算值及其它干擾因素柱權(quán)重函數(shù)的模擬計(jì)算值；
[0010](4)、通過(guò)步驟(3)得到的各種模擬計(jì)算值(太陽(yáng)歸一化輻亮度、二氧化碳及其它干擾因素柱權(quán)重函數(shù)的模擬計(jì)算值)加上一個(gè)低階多項(xiàng)式后與去掉高頻噪聲后的太陽(yáng)歸一化光譜進(jìn)行非線性最小二乘法擬合，獲得二氧化碳的廓線定標(biāo)系數(shù)；
[0011](5)、根據(jù)步驟(4)得到的二氧化碳廓線定標(biāo)系數(shù)乘以步驟(3)中所使用的先驗(yàn)二氧化碳廓線，得到與所記錄直射太陽(yáng)光譜相對(duì)應(yīng)的二氧化碳廓線真值；
[0012](6)、根據(jù)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(huán)境大氣中二氧化碳的垂直柱濃度。
[0013]所述直射太陽(yáng)光譜包含二氧化碳的光譜吸收帶，并且沒(méi)有受到云層覆蓋或嚴(yán)重的霧霾消光影響。
[0014]所述步驟(1)中太陽(yáng)光匯聚系統(tǒng)、太陽(yáng)跟蹤系統(tǒng)、光信號(hào)傳輸系統(tǒng)、光譜探測(cè)系統(tǒng)和光譜存儲(chǔ)及解析系統(tǒng)分別由聚焦望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)、赤道儀、光纖、光譜儀和計(jì)算機(jī)構(gòu)成。
[0015]所述步驟(2)中去掉高頻噪聲后的太陽(yáng)歸一化光譜可以在先驗(yàn)狀態(tài)點(diǎn)一階泰勒展開(kāi)為太陽(yáng)歸一化輻亮度、二氧化碳及其它干擾因素柱權(quán)重函數(shù)、低階多項(xiàng)式的線性疊加:去掉高頻噪聲后的太陽(yáng)歸一化光譜=太陽(yáng)歸一化輻亮度+二氧化碳及其它干擾因素柱權(quán)重函數(shù)+低階多項(xiàng)式。
[0016]所述步驟(3)中，利用大氣輻射傳輸模擬軟件SCIATRAN對(duì)通過(guò)步驟(2)得到的去掉高頻噪聲后的太陽(yáng)歸一化光譜建模時(shí)，輸入?yún)?shù)包括與所記錄直射太陽(yáng)光譜相對(duì)應(yīng)的觀測(cè)參數(shù)、與光譜探測(cè)系統(tǒng)光譜分辨率相對(duì)應(yīng)的儀器函數(shù)、先驗(yàn)二氧化碳廓線及先驗(yàn)干擾因素廓線、大氣層高度及大氣子層數(shù)。 [0017]本發(fā)明是一種基于直射太陽(yáng)光譜反演環(huán)境大氣中二氧化碳垂直柱濃度的方法。聯(lián)合聚焦望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)、赤道儀、光纖、光譜儀和計(jì)算機(jī)獲得直射太陽(yáng)光譜；直射太陽(yáng)光譜除以干凈的太陽(yáng)光譜，之后再進(jìn)行低通濾波，獲得去掉高頻噪聲后的太陽(yáng)歸一化光譜；利用大氣輻射傳輸模擬軟件SCIATRAN對(duì)去掉高頻噪聲后的太陽(yáng)歸一化光譜建模，在建模過(guò)程中輸入?yún)?shù)包括與所記錄直射太陽(yáng)光譜相對(duì)應(yīng)的觀測(cè)參數(shù)、與光譜探測(cè)系統(tǒng)光譜分辨率相對(duì)應(yīng)的儀器函數(shù)、先驗(yàn)二氧化碳廓線及先驗(yàn)干擾因素廓線、大氣層高度及大氣子層數(shù)，可以修正氣體吸收截面很強(qiáng)的溫度、壓強(qiáng)依賴特性；將SCIATRAN建模過(guò)程中計(jì)算得到的各種模擬計(jì)算值(太陽(yáng)歸一化輻亮度、二氧化碳及其它干擾因素柱權(quán)重函數(shù)的模擬計(jì)算值)加上一個(gè)低階多項(xiàng)式后與去掉高頻噪聲后的太陽(yáng)歸一化光譜進(jìn)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(jié)構(gòu)的影響，獲得二氧化碳的廓線定標(biāo)系數(shù)；二氧化碳廓線定標(biāo)系數(shù)乘以SCIATRAN建模過(guò)程中使用的先驗(yàn)二氧化碳廓線，得到與所記錄直射太陽(yáng)光譜相對(duì)應(yīng)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(huán)境大氣中二氧化碳的垂直柱濃度。
[0018]本發(fā)明直射太陽(yáng)光譜與SCIATRAN建模光譜滿足以下關(guān)系:
【權(quán)利要求】
1.直射太陽(yáng)光譜反演環(huán)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(yáng)光匯聚系統(tǒng)安裝在太陽(yáng)跟蹤系統(tǒng)上，太陽(yáng)入射光經(jīng)過(guò)太陽(yáng)光匯聚系統(tǒng)匯聚后由光信號(hào)傳輸系統(tǒng)傳輸至光譜探測(cè)系統(tǒng)，光譜探測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)光信號(hào)采集和模/數(shù)(Α/D)轉(zhuǎn)換，之后再送入光譜存儲(chǔ)及解析系統(tǒng)，獲得直射太陽(yáng)光譜； (2)、通過(guò)步驟(I)得到的直射太陽(yáng)光譜除以干凈的太陽(yáng)參考光譜，取對(duì)數(shù)之后再進(jìn)行低通濾波，獲得去掉高頻噪聲后的太陽(yáng)歸一化光譜； (3)、利用大氣輻射傳輸模擬軟件SCIATRAN對(duì)通過(guò)步驟(2)得到的去掉高頻噪聲后的太陽(yáng)歸一化光譜建模，獲得太陽(yáng)歸一化輻亮度的模擬計(jì)算值、二氧化碳柱權(quán)重函數(shù)的模擬計(jì)算值及其它干擾因素柱權(quán)重函數(shù)的模擬計(jì)算值； (4)、通過(guò)步驟(3)得到的各種模擬計(jì)算值(太陽(yáng)歸一化輻亮度、二氧化碳及其它干擾因素柱權(quán)重函數(shù)的模擬計(jì)算值)加上一個(gè)低階多項(xiàng)式后與去掉高頻噪聲后的太陽(yáng)歸一化光譜進(jìn)行非線性最小二乘法擬合，獲得二氧化碳的廓線定標(biāo)系數(shù)； (5)、根據(jù)步驟(4)得到的二氧化碳廓線定標(biāo)系數(shù)乘以步驟(3)中所使用的先驗(yàn)二氧化碳廓線，得到與所記錄直射太陽(yáng)光譜相對(duì)應(yīng)的二氧化碳廓線真值； (6)、根據(jù)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(huán)境大氣中二氧化碳的垂直柱濃度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述直射太陽(yáng)光譜反演環(huán)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(yáng)光譜包含二氧化碳的光譜吸收帶，并且沒(méi)有受到云層覆蓋或嚴(yán)重的霧霾消光影響。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述直射太陽(yáng)光譜反演環(huán)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(I)中太陽(yáng)光匯聚系統(tǒng)、太陽(yáng)跟蹤系統(tǒng)、光信號(hào)傳輸系統(tǒng)、光譜探測(cè)系統(tǒng)和光譜存儲(chǔ)及解析系統(tǒng)分別由聚焦望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)、赤道儀、光纖、光譜儀和計(jì)算機(jī)構(gòu)成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述直射太陽(yáng)光譜反演環(huán)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(yáng)歸一化光譜可以在先驗(yàn)狀態(tài)點(diǎn)一階泰勒展開(kāi)為太陽(yáng)歸一化輻亮度、二氧化碳及其它干擾因素柱權(quán)重函數(shù)、低階多項(xiàng)式的線性疊加:去掉高頻噪聲后的太陽(yáng)歸一化光譜=太陽(yáng)歸一化輻亮度+二氧化碳及其它干擾因素柱權(quán)重函數(shù)+低階多項(xiàng)式。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述直射太陽(yáng)光譜反演環(huán)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(duì)通過(guò)步驟(2)得到的去掉高頻噪聲后的太陽(yáng)歸一化光譜建模時(shí)，輸入?yún)?shù)包括與所記錄直射太陽(yáng)光譜相對(duì)應(yīng)的觀測(cè)物理參數(shù)、與光譜探測(cè)系統(tǒng)光譜分辨率相對(duì)應(yīng)的儀器函數(shù)、先驗(yàn)二氧化碳廓線及先驗(yàn)干擾因素廓線、大氣層高度及大氣子層數(shù)。
【文檔編號(hào)】G01N21/3504GK103983599SQ201410050777
【公開(kāi)日】2014年8月13日 申請(qǐng)日期:2014年2月13日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月13日
【發(fā)明者】孫友文, 謝品華, 徐晉, 劉誠(chéng), 劉文清, 劉建國(guó), 周海金, 方武, 李昂 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院