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。

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。

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，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。

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，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。

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，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。

所述加快温室气体垂直柱浓度反演速度的方法，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。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

本发明涉及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等因素的影响；（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。本发明涉及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。

附图说明

图1为本发明实现框图。

图2为应用本发明的实例快速变化的H₂O吸收截面函数k（λ）至g空间单调递增k分 布的转换其中：

图2（a）为高分辨率水汽吸收截面；图2（b）为波长坐标变换至g空间后的分布。

图3为应用本发明的实例对气体吸收截面的波长坐标进行指数变换后，CO₂拟合窗口内 高分辨（细线）与卷积后（粗线）的辐亮度与权重函数，其中：

图3（a）为气体吸收截面的波长坐标进行指数变换前，由逐线积分方法计算得到的CO₂拟合窗口内高分辨（细线）与卷积后（粗线）的辐亮度与权重函数；图3（b）为气体吸收 截面的波长坐标进行指数变换后，由快速积分方法计算得到的CO₂拟合窗口内高分辨（细线） 与卷积后（粗线）的辐亮度与权重函数。

图4为应用本发明的实例高斯拟合1637.78nm汞灯峰得到的仪器函数。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明。

如图1～图4及表1所示。本发明中，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。总言之，本发明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。

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：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（A/D） 转换，之后再送入光谱存储及解析系统，获得直射太阳光谱。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，从而模型计算时间，提高垂 直柱浓度反演速度。

（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等 因素的影响：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，光信号强，较短积分时间就可以获得很强光信号，模拟光 谱和测量光谱的信噪比都很高。地面反射光强、分子散射光强、大气热辐射强度相对测量信 号强度而言可以忽略。在光谱建模过程中，忽略地面反照率、分子散射次数、大气热辐射过 程的影响对模型计算结果影响可以忽略，但能加快模型计算速度。另外，忽略温室气体反演 波段内较弱干扰气体的吸收干扰，也能加快模型计算速度。例如，在利用1590～1620nm直 射太阳光谱反演环境大气中CO₂垂直柱浓度时，可以忽略CO气体的吸收干扰。

（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：由于分子吸收具有很强的波长相关性，辐射传输方程的精确数值积分将非 常耗时。因此，为了处理气体反演中所需的大量前向模型数据，迫切需要一种快速但又不降 低求解精度的数据处理方法。图2所示进行吸收截面波长坐标指数变换的方法可以达到这一 目的，在一定前提条件下，模型计算值与仪器函数卷积后，获得的太阳归一化辐亮度和权重 函数与逐线积分方法获得的结果相同。

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（小于仪器分辨率）， 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：

$g\left(k\right)={\int }_0^{k}f\left(k^{\prime }\right){\mathrm{dk}}^{\prime }\in \left[\mathrm{0,1}\right]---\left(1\right)$

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分布的转换如图2所示，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：

$\left(\begin{array}{c}T\left(n\right)=\frac{1}{\mathrm{\Delta \lambda }}{\int }_{{\lambda }_1}^{{\lambda }_2}\exp (-{\int }_0^{z_0}n\left(z\right)k_{\lambda }\left(z\right)\mathrm{dz})\mathrm{d\lambda }\\ ={\int }_0^1\exp (-{\int }_0^{z_0}n\left(z\right)k_g\left(z\right)\mathrm{dz})\mathrm{dg}\\ \approx {\int }_0^1\exp (-\underset{i=1}{\overset{N_z}{\Sigma }}{k}_{g,i}{V}_i)\mathrm{dg}\end{array}\right)---\left(2\right)$

式中，V_i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k_g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。

$T\approx \underset{j=1}{\overset{M}{\Sigma }}{a}_j\exp (-\underset{i=1}{\overset{N_z}{\Sigma }}{k}_{j,i}{V}_i)---\left(3\right)$

区间j内的权重因子和吸收截面分别为a_j和k_j，k_j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。

（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：光谱仪实际的仪器 函数通常比较复杂，由于探测器对不同波段的非均匀响应展现出非均匀截断。通过采用简化 的高斯线型仪器函数代替光谱仪复杂的实际仪器函数，可以加快模型计算速度，且这种简化 对计算结果的影响可以忽略。这种简化的高斯仪器函数可以通过用高斯函数拟合温室气体反 演波段内的汞灯峰得到。例如，在利用1590～1620nm直射太阳光谱反演环境大气中CO₂垂 直柱浓度时，通过高斯拟合汞灯1637.78nm处的发射峰，并进行归一化处理后，可以得到反 演波段内的仪器函数，如附图4所示，这种近似对垂直柱浓度反演结果的影响小于0.1%。

（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：由于分子吸收具有波长连续性，辐射传输方程的精确计算将非常耗时。考虑到 记录光谱为波长的离散函数，通过以低于光谱分辨率1/5的步长对辐射传输方程进行离散化 处理，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，可以 减少待求解辐射方程组的数目而不影响模型计算精度，从而加快模型计算速度。例如，在利 用1590～1620nm直射太阳光谱反演环境大气中CO₂垂直柱浓度时，光谱分辨率为0.3nm，可 以使用0.03nm的步长对辐射传输方程进行离散化处理，可以将大气层分为50层，1～25km 的层间距为1km，25～75km的层间距为2.5km，75～120km的层间距为5km。

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：

本发明所述的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（将水汽分成几个等级是为了修正水汽的高波动性可能 导致的非线性效应）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。例如，在利用1590～1620nm直射太阳光谱反演环境大气中 CO₂垂直柱浓度时，地面高度固定不变，地面反照率的影响可以忽略。在修正因子的计算过 程中，假定地面高度为0，地面反照率取0.5，太阳天顶角设置为从5°～80°，间隔为2.5°，水 汽含量分为五个等级，分别为将美国标准大气水汽廓线乘以系数0.5、1、1.5、2、4，气溶胶 选择中纬度夏季的气溶胶模型。表1所示为采用太阳天顶角θ=30°，水汽含量取2倍标准大 气含量作为参考光谱时计算得到的其它场景下的修正系数表。从表中可以看出，实际的太阳 天顶角偏离参考值（这里为30°）越大，反演得到的CO₂柱浓度偏差越大，如果不加以修正， 测量偏差甚至可能超过5%。模型计算时，加入水汽含量不同，对CO₂反演结果也有一定影 响，但水汽含量精度主要影响反演残差大小。表格最后一栏为以1/cosθ近似大气质量因子时 的几何修正系数，差别主要来自吸收路径的不同。对于同样的水汽含量，如果都使用几何修 正参数来修正反演结果，误差小于1%。

表1为应用本发明的实例以太阳天顶角θ=30°，水汽含量为2倍标准大气含量作为参考光谱时计算 得到的其它场景下的修正系数表

注：表格最后一栏为以1/cosθ近似大气质量因子时的几何修正系数。

由于数据量较大，表1并没有给出所有场景下的修正因子，当考虑所有太阳天顶角、气 溶胶类型及CO₂建模浓度情况时，为了能囊括所有状态下的测量光谱，大约需要300个不同 的修正因子。另外，如果观测地点发生了改变，观察点海拔高度、经纬度都会发生改变，原 则上所有修正系数都需要重新计算，重新制表。但考虑到模型计算使用的是球型大气，如果 两个不同观测点海拔高度相同或者相近时，修正系数可以无差别使用。

本发明未详细公开的部分属于本领域的公知技术。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理 解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员 来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显 而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。