[发明专利]一种利用卫星分析大气Ring效应的方法及系统

说明书

本发明属于大气数据分析领域，公开了一种利用卫星分析大气Ring效应的方法及系统，利用量子力学和分子光谱学，基于替代数据进行大气N₂和O₂分子转动拉曼散射截面的高精度计算；并进行大气Ring光谱效应的计算；最终的DOAS反演结果采用大气质量因子公式得到高精度数据。本发明的核心就是面向高分五号卫星大气痕量气体差分吸收光谱仪数据，针对采用DOAS方法进行SO₂和NO₂反演过程所需要解决的Ring效应问题，得到大气Ring效应的高精度计算技术。

技术领域

本发明属于大气数据分析领域，尤其涉及一种利用卫星分析大气Ring效应的方法及系统。

背景技术

使用DOAS方法反演大气痕量气体的柱浓度，Ring效应是影响反演结果的一个重要因素。Ring效应是指受太阳表面大气中钾、钙等成分的消光效应影响，到达大气顶的太阳光谱中含有多条称为夫琅禾费线的暗线结构，而由于太阳光在地球大气中传输会引起非弹性散射，导致观测到的夫琅禾费线变短，这个结果可以近似地认为是对夫琅禾费线的填充。1962年Grainger和Ring发表论文阐述了这种效应，故称之为Ring效应。

Chance等使用的方法是分别计算N₂分子和O₂分子的转动拉曼散射截面，然后与太阳光谱卷积，经过差分计算，得到Ring光谱。卷积算法不需要辐射传输方程的复杂计算，相对快捷简便，因此使用较为广泛。目前，OMI传感器卫星使用的就是这种算法。

基于卷积算法的优点，可以进一步对其进行优化：①因为针对的是卫星遥感反演，所以不再使用经过模拟计算的太阳光谱，而是直接使用卫星传感器测量得到的太阳光谱；②简化转动拉曼散射截面的计算，使用近似的O₂转动拉曼散射截面作为计算的参量；③忽略大气压力展宽的作用。通过以上逐步的简化计算，得到了针对卫星遥感反演使用的Ring光谱差分截面。

DOAS算法Ring效应校正

根据DOAS反演气体浓度的原理，经过加入Ring效应校正的处理为：

其中P(λ)是低阶多项式，SCD(λ)和σi分别是第i种吸收气体柱密度和差分吸收截面,σRing是差分Ring伪吸收截面，SCDRing是差分Ring伪吸收浓度。在高光谱测量条件下，通过最小二乘方法拟合，就可以求出光程上的气体柱密度。

获得Ring光谱的目的是为了提高反演NO₂柱浓度的精度以及探讨这种计算方法与现有方法的比较。使用Kelly Chance的模型，需要注意的是入射光谱的选择，在其论文中，使用的是气球测量的太阳光谱，所以(Vountas et al.,1998)中指出的其光谱不包括地球中痕量气体的吸收线的说法是不准确的，但这个入射光谱的选择，并不能保证痕量气体吸收线的强度足够以引起高频的Ring效应；也就是说这样计算得到的Ring光谱，不能确认就是在整个光路中平均Ring伪吸收截面。(Vountaset al.,1997)定义的Ring光谱，τ_Ring＝ln(I⁺/I^-)＝ln(I⁺)-ln(I^-)，实际上就是由于转动拉曼散射产生的光学厚度。由于Ring效应的产生是由于来自于一个高频信号源的入射光谱，和类似于卷积效应的转动拉曼散射，Ring光谱不包含慢变的过程(慢变过程被减掉)，会有正值和负值，因此，这种Ring光谱即所谓的Ring差分光学厚度(Ring DOD)。

在(Wagner et al.,2009a)中给出公式