[发明专利]一种提高温室气体浓度反演精度的方法

摘要

本发明公开了一种提高温室气体浓度反演精度的方法，采用以下途径（1）建立一定的红外光谱筛选法则，去掉受云层、气溶胶等影响严重或者拟合效果很差的测量光谱，与现有技术相比，目标光谱更具选择性；（2）利用精确的测量光谱观测物理参数实现测量光谱的准确建模，提高了参考光谱精度；（3）温室气体浓度反演过程中，加入一条修正光谱参与拟合，用来修正太阳结构和系统结构，明显优于现有技术的修正方法。因为这种方法不仅能修正太阳的夫琅和费结构，还能修正系统的固有结构，再者由于修正光谱由同一个光谱仪拟合得到，不存在不同仪器的性能差引入的误差。同样的实验装置，使用本发明所述方法后能获得更高的温室气体浓度反演精度。

主权项

一种提高温室气体浓度反演精度的方法，其特征在于：所述反演精度的提高方法适用于被动红外光谱反演温室气体的浓度，被动红外光谱由地基、球载、船载、机载或星载光谱仪记录的直射太阳光谱或散射光谱得到；包括以下途径：(1)、建立红外光谱筛选法则，和/或；(2)、利用精确的测量光谱观测物理参数，具体为光谱记录时间、记录地点经纬度、记录地点海拔高度、太阳天顶角、地面反照率、温度廓线、气压廓线、气溶胶廓线、云层模型、反演波段内气体及干扰气体廓线、大气层高度、仪器函数实现测量光谱的准确建模；和/或；(3)、温室气体浓度反演过程中，加入一条修正光谱参与拟合，用来修正太阳结构和系统结构；所述途径(1)中的红外光谱筛选法则通过判断观测场景、测量光强、拟合误差、拟合参数、太阳天顶角的优劣来建立；对于预先保存的所有测量光谱，通过建立一定的红外光谱筛选法则，来去掉受云层、气溶胶影响严重和拟合效果差的测量光谱，从而达到提高温室气体反演精度的目的，所述红外光谱筛选法则建立的依据是一条测量光谱是否低于观测场景阈值、测量光强阈值、拟合误差阈值、拟合残差阈值、太阳天顶角阈值、测量高度阈值，对于低于上述阈值的所有测量光谱都被剔除，在利用1590～1620nm星载后向散射光谱反演环境大气中CO2浓度时建立的红外光谱筛选法则如下：a)CO2拟合窗口内拟合残差的均方根必须小于0.25％；b)用来转化为CO2体积混合比浓度的O2拟合窗口内的拟合残差的均方根必须小于2％；c)CO2垂直柱浓度的拟合误差必须小于2.5％；d)观测场景没有被云层或其它不透明物体覆盖，并且没有受到严重的气溶胶或雾霾污染；e)所反演的O2垂直柱浓度必须大于先验O2垂直柱浓度的90％；f)测量光谱的太阳天顶角必须小于75°；g)地面像素必须为前向扫描像素；h)观测场景的地面高度必须小于3km；i)连续两条测量光谱的光强不能发生突变，一旦测量光强降低到正常光强的1/3以下，将被剔除；在利用1630～1675nm星载后向散射光谱反演环境大气中CH4浓度时建立的红外光谱筛 选法则如下：a)CH4拟合窗口内拟合残差的均方根必须小于0.4％；b)用来转化为CH4体积混合比浓度的CO2拟合窗口内的拟合残差的均方根必须小于2.5％；c)CH4垂直柱浓度的拟合误差必须小于4％；d)观测场景没有被云层或其它不透明物体覆盖，并且没有受到严重的气溶胶或雾霾污染；e)所反演的O2垂直柱浓度必须大于先验O2垂直柱浓度的90％；f)测量光谱的太阳天顶角必须小于75°；g)地面像素必须为前向扫描像素；h)观测场景的地面高度必须小于3km；i)连续两条测量光谱的光强不能发生突变，一旦测量光强降低到正常光强的1/3以下，将被剔除；所述途径(2)中精确的测量光谱观测物理参数借助辐射传输模拟软件SCIATRAN平台，通过研究测量光谱观测物理参数的敏感性获得；通过研究记录光谱观测物理参数的敏感性获得每种观测物理参数对光谱建模结果的敏感性，对于具有较高敏感性的观测物理参数而言，在采用辐射传输模拟软件SCIATRAN对测量光谱建模时，必须输入精确的数值，对于敏感性可忽略的观测物理参数而言，在采用辐射传输模拟软件SCIATRAN对测量光谱建模时，输入参数用以一常量代替，所述测量光谱观测物理参数包括光谱记录时间、记录地点经纬度、记录地点海拔高度、太阳天顶角、地面反照率、温度廓线、气压廓线、气溶胶廓线、云层模型、反演波段内气体及干扰气体廓线、大气层高度、仪器函数，采用正演的方法研究所有观测参数的敏感性，即选定一条参考光谱，将待研究观测物理参数按一定规律偏离参考值，而其它所有观测物理参数都保持不变，统计出待研究观测物理参数相对于参考值的不同偏移量，辐射传输模拟软件SCIATRAN模拟结果的相对变化量，在利用1590～1620nm直射太阳光谱反演环境大气中CO2浓度时，选定的参考光谱观测参数见表1，通过对太阳天顶角、光谱分辨率、水汽定标系数、地面反照率、CO2定标系数、地面高度、气溶胶定标系数七个观测参数的敏感性研究得出，气溶胶对反演结果的影响最大，光谱分辨率漂移对拟合误差的影响最大，而地面反照率对反演结果和拟合误差的影响都可以忽略，再利用辐射传输模拟软件SCIATRAN对测量光谱建模时，必须输入精确的气溶胶廓线参数和光谱分辨率，而地面反照率用一个常量代替；表1为所选定的参考光谱观测参数所述途径(3)中的修正光谱在不考虑太阳结构和系统结构前提下，通过对多条测量光谱拟合残差的比较统计出来；温室气体浓度反演过程中，加入一条修正光谱参与拟合，用来修正太阳结构和系统固有结构，在温室气体浓度的被动反演中，为提高反演精度，必须要修正夫琅和费结构：先不考虑太阳的结构，不将测量光谱转换为太阳归一化光谱，而是将测量光谱直接与模拟光谱和柱权重函数拟合，这样，每条光谱的拟合残差中必然包含一条相同的残差结构，这些结构主要由太阳夫琅和费结构造成，也有部分来自于系统的固有结构，选择光纤和望远镜镜片引入的结构、光谱仪对温室气体高分辨吸收线不完全分辨引入的结构，通过对多条测量光谱拟合残差的比较可以统计出这一固有的残差结构，并将这条结构光谱作为修正光谱，在以后的温室气体浓度反演过程中，与模拟光谱和柱权重函数一起作为参考光谱，参与拟合，这种夫琅和费结构修正方法要优于现有技术的修正方法，因为这种方法不仅能修正太阳的夫琅和费结构，还能修正系统的固有结构，再者由于修正光谱由同一个光谱仪拟合得到，不存在不同仪器的性能差引入的误差，在利用1590～1620nm直射太阳光谱反演环境大气中CO2浓度时，不考虑太阳结构情况下，由42条拟合残差统计出的修正光谱。