CN110389103B - 一种大气近地面二氧化氮浓度反演方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种大气近地面二氧化氮浓度反演方法，解决现有方法无法根据卫星传感器数据计算大气近地面二氧化氮柱浓度的问题。所述方法包含：基于大气辐射传输模型和卫星传感器，采用差分吸收光谱算法，将太阳光谱和对地观测辐射通量差分处理，得到差分吸收光谱；对大气辐射传输模型，计算得到大气转动拉曼散射截面；通过太阳光谱、大气转动拉曼散射截面得到Ring效应差分伪吸收截面；由差分吸收光谱，得到二氧化氮差分吸收截面，并利用Ring效应差分伪吸收截面，得到二氧化氮整层斜柱浓度；将二氧化氮整层斜柱浓度减去二氧化氮顶层至底层的斜柱浓度，得到二氧化氮近地面斜柱浓度。本发明实现了大气底层二氧化氮浓度准确快速计算。
Description
技术领域
本发明涉及卫星遥感反演领域，尤其涉及一种大气近地面二氧化氮浓度反演方法。
背景技术
现有的二氧化氮(NO2)浓度反演方法，包含使用化学传输模式进行NO2浓度反演，缺点是受时间和空间局限性影响，无法广泛应用；还包含基于卫星传感器数据，对二氧化氮浓度进行反演，其中SBUV(Solar Backscatter Ultraviolet)和TOMS(Total Ozone MappingSpectrometer)传感器，由于光谱分辨率低，无法完成对大气中痕量气体的探测；SAGE(Stratospheric Aerosol and Gas Experiment)等传感器采用临边或掩星的方式，无法实现对大气对流层成分的观测；基于OMI(Ozone Monitoring Instrument)传感器对大气NO2浓度计算，是针对大气整层NO2柱浓度，无法实现对大气近地面NO2柱浓度的反演计算。
发明内容
本发明提供一种大气近地面二氧化氮浓度反演方法，解决现有方法无法根据卫星传感器数据计算大气近地面二氧化氮柱浓度的问题。
本发明实施例指出一种大气近地面二氧化氮浓度反演方法，包含以下步骤：基于大气辐射传输模型和卫星传感器，采用差分吸收光谱算法，将大气层顶观测到的太阳光谱和对地观测辐射通量进行差分处理，得到差分吸收光谱；对所述大气辐射传输模型，计算得到大气转动拉曼散射截面；将所述太阳光谱、大气转动拉曼散射截面进行卷积，得到Ring光谱后，将所述Ring光谱除以所述太阳光谱，经过三次多项式差分后得到差分Ring光谱为Ring效应差分伪吸收截面；由所述差分吸收光谱，对所述大气辐射传输模型进行反演，得到二氧化氮差分吸收截面，并利用所述卫星传感器、所述Ring效应差分伪吸收截面，反演得到二氧化氮整层斜柱浓度；对所述大气辐射传输模型，计算得到二氧化氮顶层至底层的斜柱浓度，并将所述二氧化氮整层斜柱浓度减去所述二氧化氮顶层至底层的斜柱浓度，得到二氧化氮近地面斜柱浓度。
进一步地，所述方法还包含：对所述大气辐射传输模型，建立大气质量因子查找表，并根据所述二氧化氮近地面斜柱浓度查表得到二氧化氮近地面垂直柱浓度。
进一步地，所述卫星传感器为OMI传感器，，轨道扫描刈幅为2600km，空间分辨率为13km×24km，一天覆盖一次全球，有3个通道，波长覆盖范围270～500nm，光谱分辨率0.5nm。
优选地，所述大气辐射传输模型采用CMAQ模式模型。
优选地，所述对大气辐射传输模型，计算得到大气转动拉曼散射截面的步骤，进一步包含：利用所述大气辐射传输模型，分别通过氮气、氧气的波数计算得到氮气、氧气分子极化张量的各向异性常数；利用选择定律、阶跃，计算得到Placzek-Teller系数；由普朗克常数，光速，氮气、氧气分子转动惯量，氮气、氧气转动角动量量子数，氮气、氧气离心扭曲常量计算得到氮气、氧气分子转动能量；由所述氮气、氧气分子转动能量，氮气、氧气核自旋统计权重，所述氮气、氧气转动角动量量子数，计算得到氮气、氧气初始态占全部态的布局数比例；由所述氮气、氧气分子极化张量的各向异性常数，Placzek-Teller系数，氮气、氧气初始态占全部态的布局数比例，氮气、氧气核自旋角动量量子数，氮气、氧气转动角动量量子数，氮气、氧气波长，计算得到大气中的氮气、氧气分子的转动拉曼散射截面；由所述大气中的氮气、氧气分子的转动拉曼散射截面，计算得到所述大气转动拉曼散射截面为：
其中，σAIR为所述大气转动拉曼散射截面，
分别为氮气、氧气分子在大气中的体积分数，
分别为所述大气中的氮气、氧气分子的转动拉曼散射截面。
优选地，所述由差分吸收光谱，对所述大气辐射传输模型进行反演，得到二氧化氮差分吸收截面，并利用所述卫星传感器、所述Ring效应差分伪吸收截面，反演得到二氧化氮整层斜柱浓度的步骤，进一步包含：对所述差分吸收光谱的慢变部分进行低阶多项式拟合，得到慢变吸收截面；根据所述差分吸收光谱，得到大气差分吸收截面，然后减去所述慢变吸收截面，得到所述二氧化氮差分吸收截面；利用所述卫星传感器，由所述差分吸收光谱、二氧化氮差分吸收截面、Ring效应差分伪吸收截面计算二氧化氮整层斜柱浓度为：
其中，NNO2为所述二氧化氮整层斜柱浓度，σNO2为所述二氧化氮差分吸收截面，I(λ)、E(λ)分别为所述卫星传感器接收到的大气层顶辐亮度、太阳光辐亮度，μ0为太阳天顶角的余弦值，P3(λ)为所述差分吸收光谱的慢变部分，P'(λ)为所述Ring效应差分伪吸收截面。
进一步地，所述太阳光谱为太阳夫琅禾费光谱，所述对地观测辐射通量包含地表反射光和大气散射光的辐射通量。
优选地，所述差分吸收光谱算法的反演波段窗口选定为405-465nm。
进一步地，所述对大气辐射传输模型，建立大气质量因子查找表通过SCIATRAN软件，所述大气质量因子查找表的参数设置如下：波段范围为在近紫外和可见光波段范围内；大气环境为除了海洋、沙漠、冰雪覆盖的陆地和持久的云；地表反射率为2％～10％，在陆地上不考虑沙漠，冰雪的情况下，反射率设为5％；气溶胶类型设为中纬度一般类型；气体廓线设为北纬35度大气廓线；计算完全无云时采用伪球面模式，计算完全有云时采用平面平行模式；散射类型设为单次散射；波长设为反演中间波长430nm；大气高度设为100km。
本发明有益效果包括：本发明提出的大气近地面NO2柱浓度反演方法，通过OMI卫星数据和CMAQ大气模式，对大气中的痕量气体NO2实现浓度计算。由于卫星接收到的后向散射地球光谱来源复杂，痕量气体二氧化氮的吸收作用只是在卫星探测反射和散射信号中的弱信号，本发明有效减小了大气中其他污染气体的影响，降低了大气Ring效应影响，更科学更准确的计算得到大气近地面二氧化氮垂直柱浓度。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为一种大气近地面二氧化氮浓度反演方法流程实施例；
图2为一种包含二氧化氮垂直柱浓度反演的大气近地面二氧化氮浓度反演方法流程实施例。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
自从工业革命以来，大气的成分，尤其是对流层大气成分发生了很大的变化。在经历了人类的活动产生大气污染、污染影响人类的生活、人类发现污染、进行治理的几个阶段以后，这种大气成分的变化仍然在持续；这是由于大气的污染和大气环境治理保护同时在我们现在居住的地球上发生着。在各种各样的大气痕量气体成分中，氮氧化物NOx(NOx＝NO+NO2)，尤其是NO2，在最接近人类的大气对流层中，起着非常重要的作用。
NO2的光化学反应影响对流层O3的产生，而无论是NO2还是O3，都会对人体和动植物产生毒害作用；NO2和OH基反应生成硝酸，是酸雨的主要成份；在工业区，NO2还可以起到温室气体的作用，直接或间接地导致辐射强迫。氮氧化物的产生主要有两个来源，自然来源和人为来源，包括土壤排放，闪电产生，化石燃料燃烧，生物质的燃烧等，其中在污染地区主要来源于人为的排放。在平流层和对流层大气中，强氧化剂O3和OH基的光化学反应过程，二氧化氮起到关键作用。另外，氮氧化物和挥发性有机物一起还可以制造光化学烟雾。
由于人为的原因，氮氧化物的浓度在对流层的底部变化是非常大的。只有有限的地基监测点是难以对区域尺度的氮氧化物浓度变化作出了解的。所以很长时间以来，二氧化氮的全球分布只能应用全球化学模式推算。卫星遥感技术可同时获得区域大气污染分布情况，弥补地面站点监测在空间尺度上的不足。对城市群与区域尺度来说，遥感大气污染监测较常规方法更具客观性，便于对大气污染进行动态监测和预报，具有广阔的应用前景。当前大气污染遥感在国际上正得到快速发展，在发达国家和地区，卫星遥感已成为大气环境监测和大气质量预报的重要手段。在国内，结合环境保护的卫星遥感大气监测工作目前还处于起步阶段，必须加强大气环境遥感监测的研究和应用力度。鉴于卫星遥感能够提供区域大气污染的动态监测和预报，具有广阔的应用前景，其全球覆盖、快速、多光谱、大信息量等特点使其已成为全球环境变化监测中一种重要的技术手段。为此，很有必要开展大气痕量气体成分的卫星数据反演方法研究。
长时间以来，NO2的分布只能使用化学传输模式的方法来研究，地基和空基的实验因为其时间和空间的局限性，在研究中的地位和作用都不是最重要的。早期的卫星大气成分探测传感器，如1970年发射升空，搭载在Nimbus-4卫星上的后向散射紫外光谱仪(Backscatter Ultraviolet,BUV)，1978年10月的Nimbus-7卫星上的SBUV(SolarBackscatter Ultraviolet)和TOMS(Total Ozone Mapping Spectrometer)等，采用滤光镜分光，光谱分辨率低，无法完成对大气中痕量气体和温室气体的探测。此后使用的传感器SAGE(Stratospheric Aerosol and Gas Experiment)、SAGEⅡ、HALOE(HALogenOccultation Experiment)、MIPAS(Michelson Interferometer for PassiveAtmospheric Sounding)、GOMOS(Global Ozone Monitoring by Occultation of Stars)等，一般采用临边或掩星的方式，观测中高层大气中的痕量气体成分，无法实现对大气对流层成分的观测。
产生突破的重要一步是1995年4月搭载GOME(Global Ozone MonitoringExperiment)传感器的ERS-2(the Second European Remote Sensing Satellite)卫星的发射，使得人类第一次有了全球尺度的观测NO2分布的能力。搭载GOME的ERS-2卫星是一颗太阳同步卫星，穿越赤道的时间在降交点的当地时间10:30。GOME采用天底观测，摆扫方式，全球覆需要43轨，大约3天的时间。SCIAMACHY(Scanning Imaging AbsorptionSpectrometer for Atmospheric Chartography)于2002年3月1日搭载在Envisat上发射升空，Envisat卫星同样也是一颗太阳同步卫星，穿越赤道的时间在降交点的当地时间10:00。SCIAMACHY有八个近紫外-可见光-近红外的光谱通道，波长范围为220-2400nm，光谱分辨率为0.2–1.5nm。沿轨交替作天底测量和临边测量，从而反演柱总量和廓线浓度。紫外和可见光测量空间分辨率可达30×30平方公里，全球覆盖在赤道地区需要6天，在高纬地区更少一些。天底测量的NO2柱总量从2002年8月开始提供。荷兰和芬兰合作的传感器OMI(OzoneMonitoring Instrument)搭载在NASA的EOS/Aura卫星上，于2004年7月15日发射升空。与GOME和SCIAMACHY基本相同的是，OMI也是太阳同步轨道的使用天底测量方式，近紫外-可见光波段的高光谱传感器；不同的是OMI采用推扫方式。OMI分为紫外1，紫外2和可见光三个波段，波长范围从270nm到500nm；114度的视场角，最边缘像元的卫星天顶角大约57度；每行有60像元，每个像元对应地面垂直于轨道宽度从星下点的24公里到边缘的128公里，宽度总共大约2600公里；CCD的曝光时间2秒，对应地面沿轨长度大约13公里；穿越赤道的时间在当地时间13:40到13:50，一天就可以完成全球覆盖。
随着SCIAMACHY/ENVISAT，OMI/AURA和GOME2/Metop的相继发射升空，大大增加了人类对痕量气体观测的能力，提高了观测的质量。由这些传感器反演得到的NO2柱浓度，被用来进行从全球尺度到区域尺度的大气化学研究。反演获得的NO2柱浓度表明了NO2的时空分布，区域和季节变化，污染程度。一个典型的例子是通过对SCIAMACHY和GOME的数据的分析，表明在中国东部地区，1996-2004期间NO2柱浓度有明显的上升。应用星载传感器DOAS反演NO2柱浓度的算法研究在国外已经有十几年的历史了。但是这些研究都是针对的大气整层NO2柱浓度，对于大气近地面的NO2柱浓度反演研究还比较少，这方面研究更多的是基于地基实验研究，基于卫星遥感数据的研究还几乎没有。
本发明的创新点为：第一、本发明基于卫星观测数据、结合空气质量模式系统的近地面NO2浓度的反演算法，建立了近地面NO2浓度卫星反演算法；第二、本发明解决卫星、地基观测以及大气化学模式的一致性问题，实现多源数据融合：解决卫星算法、大气气象-化学模式、地基观测中的假设或模型不一致问题，实现卫星算法、大气气象-化学模式、地基观测非同源数据融合处理。
以下结合附图，详细说明本发明各实施例提供的技术方案。
图1为一种大气底层二氧化氮浓度反演方法流程实施例，本发明实施例提出二氧化氮浓度反演方法基于卫星传感器数据，对大气近地面NO2浓度进行计算，作为本发明实施例，一种大气近地面二氧化氮浓度反演方法，具体包含以下步骤：
步骤101，基于大气辐射传输模型和卫星传感器，采用差分吸收光谱算法，将大气层顶观测到的太阳光谱和对地观测辐射通量进行差分处理，得到差分吸收光谱。
在步骤101中，所述卫星传感器为OMI(Ozone Monitoring Instrument臭氧监测仪)传感器，所述OMI传感器由荷兰和芬兰与NASA合作制造，是继GOME和SCIAMACHY后的新一代大气成分探测传感器，其轨道扫描刈幅为2600km，空间分辨率为13km×24km，一天覆盖一次全球，有3个通道，波长覆盖范围270～500nm，光谱分辨率0.5nm。
在步骤101中，所述大气辐射传输模型采用CMAQ模式模型。
在步骤101中，由于分子瑞利散射和气溶胶米散射的作用，Beer-Lambert定律不能直接用于大气气体浓度的测量，气体吸收引起的光学厚度远小于散射引起的光学厚度，因此采用差分吸收光谱算法，将大气消光作用分解为两部分，随波长快速变化的部分，即快变部分，随波长缓慢变化的部分，即慢变部分，进一步地，对所述快变部分利用Beer-Lambert定律可以计算气体浓度，进而消除大气中的瑞利散射、米散射这些慢变部分。需要说明的是，所述太阳光谱为太阳夫琅禾费光谱，所述对地观测辐射通量包含地表反射光和大气散射光的辐射通量。
步骤102，对所述大气辐射传输模型，计算得到大气转动拉曼散射截面。
在步骤102中，对所述大气辐射传输模型，计算得到大气转动拉曼散射截面应用到量子力学和分子光谱学相关公式为现有技术，这里不做具体说明。步骤103，将所述太阳光谱、大气转动拉曼散射截面进行卷积，得到Ring光谱后，将所述Ring光谱除以所述太阳光谱，经过三次多项式差分后得到差分Ring光谱为Ring效应差分伪吸收截面。
在步骤103中，所述Ring光谱为：
其中，R(λ)为所述Ring光谱，F0(λ)为所述太阳光谱，σAIR(λ)为所述大气转动拉曼散射截面，
为卷积符号。
步骤104，由所述差分吸收光谱，对所述大气辐射传输模型进行反演，得到二氧化氮差分吸收截面，并利用所述卫星传感器、所述Ring效应差分伪吸收截面，反演得到二氧化氮整层斜柱浓度。
在步骤104中，参与计算的卫星传感器数据是OMI载荷数据，所述反演得到二氧化氮整层斜柱浓度的技术来源为差分吸收光谱技术DOAS。
需要说明的是，在近紫外-可见光-近红外波段，主要是利用大气中的痕量气体成分的吸收光谱特征，探测成分或是反演其浓度。本质上是利用被探测物质的物理性质进行特征(Footprint)提取，DOAS方法也是这一思路进一步的延伸。
步骤105，对所述大气辐射传输模型，计算得到二氧化氮顶层至底层的斜柱浓度，并将所述二氧化氮整层斜柱浓度减去所述二氧化氮顶层至底层的斜柱浓度，得到二氧化氮近地面斜柱浓度。
在步骤105中，根据大气辐射传输模型计算得到所述二氧化氮顶层至底层的斜柱浓度的方法为现有技术，这里不做过多说明。
本发明实施例提出的大气底层二氧化氮浓度计算方法，将卫星传感器数据、特别是OMI传感器数据与大气传输模型结合起来，通过反演得到大气底层的NO2浓度，该方法应用范围广、计算时间快、可操作性强、实用性强。
图2为一种包含二氧化氮垂直柱浓度反演的大气近地面二氧化氮浓度反演方法流程实施例，包含NO2垂直柱浓度反演、大气转动拉曼散射截面计算以及二氧化氮整层斜柱浓度计算，作为本发明实施例，一种大气近地面二氧化氮浓度反演方法，具体包含以下步骤：
步骤101，基于大气辐射传输模型和卫星传感器，采用差分吸收光谱算法，将大气层顶观测到的太阳光谱和对地观测辐射通量进行差分处理，得到差分吸收光谱。
步骤102A，利用所述大气辐射传输模型，分别通过氮气、氧气的波数计算得到氮气、氧气分子极化张量的各向异性常数：
其中，γO2(ν)、γN2(ν)分别为所述氮气、氧气分子极化张量的各向异性常数，
分别为所述氮气、氧气的波数。
步骤102B，利用选择定律、阶跃，计算得到Placzek-Teller系数。
在步骤102中，根据选择定律，跃迁△J＝0，±2，则Placzek-Teller系数的计算公式如下：
其中，bJ→J+2、bJ→J-2、bJ→J分别为跃迁△J＝2、-2、0时的所述Placzek-Teller系数，J为转动量子数。
步骤102C，由普朗克常数，光速，氮气、氧气分子转动惯量，氮气、氧气转动角动量量子数，氮气、氧气离心扭曲常量计算得到氮气、氧气分子转动能量。
在步骤102C中，分子转动能量的计算公式如下：
其中，Erot为分子转动能量，h是所述普朗克常数，c为所述光速，B为分子转动惯量，D为离心扭曲常量，J为转动量子数。
N2和O2分子计算所需的相关参数如下表：
表1氮气、氧气分子转动能量参数表
| 分子 | B(cm<sup>-1</sup>) | D(cm<sup>-1</sup>) |
| N<sub>2</sub> | 1.989574 | 5.76×10-6 |
| O<sub>2</sub> | 1.4377 | 5×10-6 |
在步骤102C中，所述普朗克常数，光速，氮气、氧气分子转动惯量，氮气、氧气转动角动量量子数，氮气、氧气离心扭曲常量均为已知参数，其数值这里不做说明。
步骤102D，由所述氮气、氧气分子转动能量，氮气、氧气核自旋统计权重，所述氮气、氧气转动角动量量子数，计算得到氮气、氧气初始态占全部态的布局数比例。
在步骤102D中，所述布局数比例的计算公式如下：
fN＝(gN/Z)(2J+1)exp(-Erot/kT) (8)
其中，为布局数比例，Erot是转动能量，gN是核自旋统计权重，Z为所有fN之和，J是转动量子数，氮气和氧气的gN值如下表所示，N为自旋角动量量子数。
表2核自旋统计权重表
| 分子 | g<sub>N</sub>(N为奇数) | g<sub>N</sub>(N为偶数) |
| N<sub>2</sub> | 6 | 3 |
| O<sub>2</sub> | 0 | 1 |
在步骤102D中，所述氮气、氧气分子转动能量，氮气、氧气核自旋统计权重，所述氮气、氧气转动角动量量子数均为已知参数，其数值这里不做说明。
步骤102E，由所述氮气、氧气分子极化张量的各向异性常数，Placzek-Teller系数，氮气、氧气初始态占全部态的布局数比例，氮气、氧气核自旋角动量量子数，氮气、氧气转动角动量量子数，氮气、氧气波长，计算得到大气中的氮气、氧气分子的转动拉曼散射截面。
在步骤102E中，根据量子力学和分子光谱学，N2和O2分子的转动拉曼散射截面公式如下
其中
为转动拉曼散射截面，N、N′为自旋角动量量子数，J、J′为转动角动量量子数，λ′为波长，fN为气体初始态占全部态的布局数比例，b为Placzek-Teller系数，γ为分子极化张量的各向异性常数。
步骤102F，由所述大气中的氮气、氧气分子的转动拉曼散射截面，计算得到所述大气转动拉曼散射截面为：
其中，σAIR为所述大气转动拉曼散射截面，
分别为氮气、氧气分子在大气中的体积分数，
分别为所述大气中的氮气、氧气分子的转动拉曼散射截面。
在步骤102F中，所述氮气、氧气分子在大气中的体积分数为本领域技术人员均知道的数值，这里不做特别说明。
步骤103，将所述太阳光谱、大气转动拉曼散射截面进行卷积，得到Ring光谱后，将所述Ring光谱除以所述太阳光谱，经过三次多项式差分后得到差分Ring光谱为Ring效应差分伪吸收截面。
步骤104A，对所述差分吸收光谱的慢变部分进行低阶多项式拟合，得到慢变吸收截面。
在步骤104A中，可采用三阶多项书对所述差分吸收光谱的慢变部分进行拟合。
步骤104B，根据所述差分吸收光谱，得到大气差分吸收截面，然后减去所述慢变吸收截面，得到所述二氧化氮差分吸收截面。
步骤104C，利用所述卫星传感器，由所述差分吸收光谱、二氧化氮差分吸收截面、Ring效应差分伪吸收截面计算二氧化氮整层斜柱浓度为：
其中，
为所述二氧化氮整层斜柱浓度，
为所述二氧化氮差分吸收截面，I(λ)、E(λ)分别为所述卫星传感器接收到的大气层顶辐亮度、太阳光辐亮度，μ0为太阳天顶角的余弦值，P3(λ)为所述差分吸收光谱的慢变部分，P'(λ)为所述Ring效应差分伪吸收截面。
步骤105，对所述大气辐射传输模型，计算得到二氧化氮顶层至底层的斜柱浓度，并将所述二氧化氮整层斜柱浓度减去所述二氧化氮顶层至底层的斜柱浓度，得到二氧化氮近地面斜柱浓度。
步骤106，对所述大气辐射传输模型，建立大气质量因子查找表，并根据所述二氧化氮近地面斜柱浓度查表得到二氧化氮近地面垂直柱浓度。
在步骤106中，对所述大气辐射传输模型，例如CMAQ模型，建立大气质量因子查找表，所述大气质量因子查找表通过SCIATRAN软件建立的针对大气底层的参数。
作为本发明实施例，所述大气质量因子查找表的参数设置如下：波段范围为在近紫外和可见光波段范围内；大气环境为除了海洋、沙漠、冰雪覆盖的陆地和持久的云；地表反射率为2％～10％，在陆地上不考虑沙漠，冰雪的情况下，反射率设为5％；气溶胶类型设为中纬度一般类型；气体廓线设为北纬35度大气廓线；计算完全无云时采用伪球面模式，计算完全有云时采用平面平行模式；散射类型设为单次散射；波长设为反演中间波长430nm；大气高度设为100km。
需要说明的是，所述大气质量因子查找表的参数可以是本发明实施例中的参数，也可以是其他参数，这里不做特别限定。
本发明实施例提供了一种大气底层二氧化氮浓度计算方法，不同于以往利用CMAQ空气质量模式计算痕量气体整层或平流层的垂直柱浓度，本发明利用CMAQ空气质量模式计算得到NO2大气顶层至底层的斜柱浓度，使得可以计算得到大气近地面NO2斜柱浓度；另外对于大气底层而不是对于大气整层的参数建立大气质量因子查找表，使最终反演大气近地面NO2浓度精度更高。
需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明。对于本领域技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。
Claims (8)
1.一种大气近地面二氧化氮浓度反演方法，其特征在于，包含以下步骤：
基于大气辐射传输模型和卫星传感器，采用差分吸收光谱算法，将大气层顶观测到的太阳光谱和对地观测辐射通量进行差分处理，得到差分吸收光谱；
对所述大气辐射传输模型，计算得到大气转动拉曼散射截面；
将所述太阳光谱、大气转动拉曼散射截面进行卷积，得到Ring光谱后，将所述Ring光谱除以所述太阳光谱，经过三次多项式差分后得到差分Ring光谱为Ring效应差分伪吸收截面；
由所述差分吸收光谱，对所述大气辐射传输模型进行反演，得到二氧化氮差分吸收截面，并利用所述卫星传感器、所述Ring效应差分伪吸收截面，反演得到二氧化氮整层斜柱浓度；
对所述大气辐射传输模型，计算得到二氧化氮顶层至底层的斜柱浓度，并将所述二氧化氮整层斜柱浓度减去所述二氧化氮顶层至底层的斜柱浓度，得到二氧化氮近地面斜柱浓度；
对所述大气辐射传输模型，建立大气质量因子查找表，并根据所述二氧化氮近地面斜柱浓度查表得到二氧化氮近地面垂直柱浓度。
2.如权利要求1所述的大气近地面二氧化氮浓度反演方法，其特征在于，所述卫星传感器为OMI传感器，轨道扫描刈幅为2600km，空间分辨率为13km×24km，一天覆盖一次全球，有3个通道，波长覆盖范围270～500nm，光谱分辨率0.5nm。
3.如权利要求1所述的大气近地面二氧化氮浓度反演方法，其特征在于，所述大气辐射传输模型采用CMAQ模式模型。
4.如权利要求1所述的大气近地面二氧化氮浓度反演方法，其特征在于，对所述大气辐射传输模型，计算得到大气转动拉曼散射截面的步骤，进一步包含：
利用所述大气辐射传输模型，分别通过氮气、氧气的波数计算得到氮气、氧气分子极化张量的各向异性常数；
利用选择定律、阶跃，计算得到Placzek-Teller系数；
由普朗克常数，光速，氮气、氧气分子转动惯量，氮气、氧气转动角动量量子数，氮气、氧气离心扭曲常量计算得到氮气、氧气分子转动能量；
由所述氮气、氧气分子转动能量，氮气、氧气核自旋统计权重，所述氮气、氧气转动角动量量子数，计算得到氮气、氧气初始态占全部态的布局数比例；
由所述氮气、氧气分子极化张量的各向异性常数，Placzek-Teller系数，氮气、氧气初始态占全部态的布局数比例，氮气、氧气核自旋角动量量子数，氮气、氧气转动角动量量子数，氮气、氧气波长，计算得到大气中的氮气、氧气分子的转动拉曼散射截面；
由所述大气中的氮气、氧气分子的转动拉曼散射截面，计算得到所述大气转动拉曼散射截面为：
其中，σAIR为所述大气转动拉曼散射截面，
分别为氮气、氧气分子在大气中的体积分数，
分别为所述大气中的氮气、氧气分子的转动拉曼散射截面。
5.如权利要求1所述的大气近地面二氧化氮浓度反演方法，其特征在于，由所述差分吸收光谱，对所述大气辐射传输模型进行反演，得到二氧化氮差分吸收截面，并利用所述卫星传感器、所述Ring效应差分伪吸收截面，反演得到二氧化氮整层斜柱浓度的步骤，进一步包含：
对所述差分吸收光谱的慢变部分进行低阶多项式拟合，得到慢变吸收截面；
根据所述差分吸收光谱，得到大气差分吸收截面，然后减去所述慢变吸收截面，得到所述二氧化氮差分吸收截面；
利用所述卫星传感器，由所述差分吸收光谱、二氧化氮差分吸收截面、Ring效应差分伪吸收截面计算二氧化氮整层斜柱浓度为：
其中，
为所述二氧化氮整层斜柱浓度，
为所述二氧化氮差分吸收截面，I(λ)、E(λ)分别为所述卫星传感器接收到的大气层顶辐亮度、太阳光辐亮度，μ0为太阳天顶角的余弦值，P3(λ)为所述差分吸收光谱的慢变部分，P'(λ)为所述Ring效应差分伪吸收截面。
6.如权利要求1所述的大气近地面二氧化氮浓度反演方法，其特征在于，所述太阳光谱为太阳夫琅禾费光谱，所述对地观测辐射通量包含地表反射光和大气散射光的辐射通量。
7.如权利要求1所述的大气近地面二氧化氮浓度反演方法，其特征在于，所述差分吸收光谱算法的反演波段窗口选定为405-465nm。
8.如权利要求1所述的大气近地面二氧化氮浓度反演方法，其特征在于，通过SCIATRAN软件，所述大气质量因子查找表的参数设置如下：波段范围为在近紫外和可见光波段范围内；大气环境为除了海洋、沙漠、冰雪覆盖的陆地和持久的云；地表反射率为2％～10％，在陆地上不考虑沙漠，冰雪的情况下，反射率设为5％；气溶胶类型设为中纬度一般类型；气体廓线设为北纬35度大气廓线；计算完全无云时采用伪球面模式，计算完全有云时采用平面平行模式；散射类型设为单次散射；波长设为反演中间波长430nm；大气高度设为100km。
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