CN113009510A - 一种天基主动探测气体通量的方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种天基主动探测气体通量的方法及装置，该方法包括：向待探测区域发射第一探测激光及第二探测激光，以及接收第一探测激光及第二探测激光的回波信号；根据回波信号反演得到大气风场廓线信息及气体浓度廓线信息；根据大气风场廓线信息、气体浓度廓线信息以及预设的大气边界层通量计算方法，直接得到待探测区域的大气边界层气体通量信息。本发明实施例不仅弥补了当前天基通量主动探测的空白，而且可以进行大气三维运动的高时空分辨率测量，减少现有方法中基于假设和估计的问题，实现对全球多尺度、高质量、长序列气体通量的直接观测，同时还具有高探测精度、高空间分辨率和高灵敏度的特点。

Description

一种天基主动探测气体通量的方法及装置
技术领域
本发明涉及大气边界层通量探测技术领域，具体而言，涉及一种天基主动探测气体通量的方法及装置。
背景技术
基于动量、能量和物质的通量是地球系统不同组成部分之间的重要联系，通量观测对于理解各圈层能量与物质交换、揭示碳循环过程具有重要意义。基于湍流理论的发展，计算地表气体通量的方法也在不断改进。
近年来伴随着激光雷达探测系统的发展，多普勒激光雷达系统和差分吸收激光雷达系统也被有效地应用于测量气体浓度和平均风速，因此可以应用于直接探测大气边界层气体通量。
现有的地面探测系统，由于通量观测地面站点稀疏，难以满足温室或其他气体监测需求；现有天基探测系统，多是针对柱浓度状态量的被动探测，且被动探测依赖光照，无法实现夜间观测，导致无法研究昼夜、季节的变化规律，针对极区将缺失极夜过程全部数据，且探测精度、空间分辨率不理想。
无论是站点观测还是现有卫星观测，当前只能获得点浓度或整层大气的柱浓度，尚无直接通量探测手段。
发明内容
本发明解决的是当前大气边界层气体缺乏天基通量主动直接探测方式，仅通过柱浓度测量同化反演气体通量反演存在较大误差、时空分辨率低的问题。
本发明提供的天基主动探测气体通量的方法，为降低不确定性，可以同时进行大气运动和气体浓度的高时空分辨率廓线信息测量，减少现有基于柱浓度同化反演方法的模型假设和误差，从而实现对全球多尺度、高质量、长序列气体通量的直接观测。
为解决上述问题，本发明提供一种天基主动探测气体通量的方法，应用于天基探测平台，所述方法包括：向待探测区域发射第一探测激光及第二探测激光，以及接收所述第一探测激光及所述第二探测激光的回波信号；所述第一探测激光对应波长为气体强吸收波长，所述第二探测激光对应波长为气体弱吸收波长；根据所述回波信号反演得到大气风场廓线信息及气体浓度廓线信息；根据所述大气风场廓线信息、所述气体浓度廓线信息以及预设的大气边界层通量计算方法，直接得到所述待探测区域的大气边界层气体通量信息。
可选地，所述向待探测区域发射第一探测激光及第二探测激光，包括：控制所述天基探测平台的天线交替发射第一波长及第二波长的单频脉冲激光。
可选地，所述根据所述回波信号反演得到大气风场廓线信息及气体浓度廓线信息，包括：计算所述第一探测激光与所述第二探测激光对应的回波信号的回波强度，以及根据差分吸收原理反演得到气体浓度廓线信息。
可选地，所述根据所述回波信号反演得到大气风场廓线信息及气体浓度廓线信息，包括：获取所述第二探测激光对应的回波信号的多普勒频移；根据所述第二探测激光的波长及所述多普勒频移，确定大气风速在所述第二探测激光的视向方向上的速度分量；根据多个所述速度分量及所述第二探测激光的方位角、天底角，计算得到大气风场廓线信息。
可选地，所述根据所述大气风场廓线信息、所述气体浓度廓线信息以及预设的大气边界层通量计算方法，直接得到所述待探测区域的大气边界层气体通量信息，包括：根据所述大气风场廓线信息计算莫宁-奥布霍夫稳定性参数；根据所述莫宁-奥布霍夫稳定性参数，结合所述大气风场廓线信息，确定不同稳定度大气边界条件下的摩擦速度；根据所述不同稳定度大气边界条件下的摩擦速度，结合所述大气风场廓线信息，确定不同稳定度大气边界条件下的普适函数；将所述大气风场廓线信息中至少三个高程的速度信息、所述气体浓度廓线信息中至少两个高程的气体浓度信息、所述不同稳定度大气边界条件下的普适函数输入大气边界层通量计算公式，得到所述待探测区域的大气边界层气体通量信息。
可选地，所述根据所述大气风场廓线信息计算莫宁-奥布霍夫稳定性参数，包括：根据所述大气风场廓线信息对应的曲率确定大气稳定度；根据莫宁-奥布霍夫相似理论，计算在所述大气稳定度条件下的摩擦速度；根据所述摩擦速度、莫宁-奥布霍夫稳定性参数与普适函数的关系，计算莫宁-奥布霍夫稳定性参数。
可选地，在中性大气条件下，摩擦速度的计算公式如下：
Figure BDA0002929188990000031
在稳定大气条件下，摩擦速度的计算公式如下：
Figure BDA0002929188990000032
在不稳定大气条件下，摩擦速度的计算公式如下：
Figure BDA0002929188990000033
Figure BDA0002929188990000034
x＝(1-16ζ)1/4
其中，ζ为莫宁-奥布霍夫稳定性参数，u*为摩擦速度，k为卡门常数，
Figure BDA0002929188990000035
为平均水平风速，z0为地面粗糙度，z为高度，d0为零平面位移。
可选地，所述根据所述摩擦速度、莫宁-奥布霍夫稳定性参数与普适函数的关系，计算莫宁-奥布霍夫稳定性参数，包括：
在中性大气条件或稳定大气条件下，莫宁-奥布霍夫稳定性参数ζ与速度普适函数φm的关系如下：
φm＝1+5ζ (4)
根据公式(4)计算得到
Figure BDA0002929188990000036
将ζ1及所述大气风场廓线信息对应的水平风速(z1，
Figure BDA0002929188990000037
)代入公式(2)计算得到
Figure BDA0002929188990000038
将u*(1)及所述大气风场廓线信息对应的水平风速(z1，z2，
Figure BDA0002929188990000039
)代入公式(4)计算得到
Figure BDA0002929188990000041
将
Figure BDA0002929188990000042
代入公式(4)得到
Figure BDA0002929188990000043
循环执行上述计算过程直到满足数值收敛条件
Figure BDA0002929188990000044
得到最终的无量纲莫宁-奥布霍夫稳定性参数ζi；
在不稳定大气条件下，莫宁-奥布霍夫稳定性参数ζ与普适函数φm的关系如下：
φm＝(1-16ζ)-1/4 (5)
根据公式(5)计算得到
Figure BDA0002929188990000045
将ζ1及所述大气风场廓线信息对应的水平风速(z1，
Figure BDA0002929188990000046
)代入公式(3)计算得到
Figure BDA0002929188990000047
将u*(1)及所述大气风场廓线信息对应的水平风速(z1，z2，
Figure BDA0002929188990000048
)代入公式(5)计算得到
Figure BDA0002929188990000049
将
Figure BDA00029291889900000410
(2)代入公式(5)得到
Figure BDA00029291889900000411
循环执行上述计算过程直到满足数值收敛条件
Figure BDA00029291889900000412
得到最终的无量纲莫宁-奥布霍夫稳定性参数ζi。
可选地，所述大气边界层普适函数计算公式如下：
当-5<ζ<0时：
φm＝(1-16ζ)-1/4
Figure BDA00029291889900000413
当0≤ζ<1时：
Figure BDA00029291889900000414
可选地，所述大气边界层通量计算公式如下：
Figure BDA00029291889900000415
Figure BDA0002929188990000051
其中，φm为速度普适函数，
Figure BDA0002929188990000052
为浓度普适函数，(z1，z2，
Figure BDA0002929188990000053
)为高程z1及z2对应的平均水平风速
Figure BDA0002929188990000054
Fm为动量通量，Fc为气体浓度通量，ρd为干空气密度。
本发明提供一种天基主动探测气体通量的装置，应用于天基探测平台，所述装置包括：探测模块，用于向待探测区域发射第一探测激光及第二探测激光，以及接收所述第一探测激光及所述第二探测激光的回波信号；所述第一探测激光对应波长为气体强吸收波长，所述第二探测激光对应波长为气体弱吸收波长；反演模块，用于根据所述回波信号反演得到大气风场廓线信息及气体浓度廓线信息；通量计算模块，用于根据所述大气风场廓线信息、所述气体浓度廓线信息以及预设的大气边界层通量计算方法，直接得到所述待探测区域的大气边界层气体通量信息。
本发明实施例基于激光主动探测方式，可以同时、同地直接获得大气风场廓线信息与气体浓度廓线信息，再结合大气边界层湍流输运理论发展了一套完整的天基气体通量计算方法，来分析反演出大气边界层气体通量信息，从而实现快速有效的天基大气层边界层气体通量的直接探测。不仅弥补了当前天基通量主动探测的空白，而且可以进行大气三维运动的高时空分辨率测量，减少现有方法中基于假设和估计的问题，实现对全球多尺度、高质量、长序列气体通量的直接观测，同时还具有高探测精度、高空间分辨率和高灵敏度的特点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例中一种天基主动探测气体通量的方法的示意性流程图；
图2为本发明实施例的天基通量测量原理示意图；
图3为本发明实施例中一种天基主动探测气体通量的装置的结构示意图。
附图标记说明：
301-探测模块；302-反演模块；303-通量计算模块。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
从大气到地球表面的通量，以及从地球表面到大气，都必须通过大气边界层，并对大气边界层的状态有相当大的影响。由于接近地球表面，大气边界层中的平均垂直运动通常很小，湍流通量成为大气边界层中的主导通量。此外，近地边界层是生物圈、水圈和大气圈之间相互作用的主要层次和地-气间能量、水汽、二氧化碳及其它物质通量输送的通道，也是人类活动的主要空间，因此近地边界层大气与其下垫面(水体、土壤、植被等)之间的动量、能量和物质交换，即近地边界层垂直湍流通量的观测与分析成为当今大气学研究热点。
在过去的几十年里，人们付出了相当大的努力来探测大气边界层中湍流通量的垂直分布。基于湍流理论的发展，计算地表通量的方法也在不断改进。到目前为止，大多数大气边界层的湍流通量实验研究都是基于地面原位试验间接测量进行的(几百米的高塔测量、表面能量平衡测量、短时间飞行实验、系留气球短时间实验、等高气球、无线电探空仪数据评估)。目前通量间接测量的主要方法有涡度相关法和通量梯度法，并广泛应用于原位测量系统中，且反演精度性能相当，但是却依赖于方法模式和精度。
近十年来伴随着激光雷达探测系统的发展，多普勒激光雷达系统和差分吸收激光雷达系统也被有效地应用于测量气体浓度和平均风速，因此可以应用于直接探测大气边界层气体通量。考虑到目前通量观测地面站点稀疏，难以满足温室或其他气体监测需求，只有用天基卫星俯瞰，才能绘制温室或其他气体分布的全景图。近年来新型发展研究的天基温室或其他气体探测系统，目标多是针对柱浓度状态量的被动探测，而天基气体通量遥感主动观测尚属空白。利用差分吸收原理，主、被动方式均可实现温室或其他气体浓度探测。且被动探测依赖光照，无法实现夜间观测，从而无法研究昼夜、季节的变化规律；针对极区将缺失极夜过程全部数据。相对于被动探测来说，主动探测在探测精度、空间分辨率等方面更具优势。
面向全球碳循环重大科学问题和碳减排监测需求，针对当前天基气体通量主动遥感探测空白，本发明基于大气边界层湍流输运理论和激光主动探测方式，开发了一套完整的天基主动探测大气边界层气体通量交换方法，从而可以实现快速有效的天基大气层边界层气体通量的直接探测。本发明不仅弥补了当前天基通量主动探测的空白，而且可以进行大气三维运动的高时空分辨率测量，减少现有方法中基于假设和估计的问题，实现对全球多尺度、高质量、长序列气体通量的直接观测，同时还具有高探测精度、高空间分辨率和高灵敏度的特点。
图1是本发明的一个实施例中一种天基主动探测气体通量的方法的示意性流程图，该方法可以应用于天基探测平台，包括：
S102，向待探测区域发射第一探测激光及第二探测激光，以及接收第一探测激光及第二探测激光的回波信号。该第一探测激光对应波长为气体强吸收波长，该第二探测激光对应波长为气体弱吸收波长。
本实施例通过激光雷达系统的主动探测，同时、同地直接获得大气风场廓线信息与气体浓度廓线信息。具体地，控制天基探测平台的天线交替发射第一波长及第二波长的单频脉冲激光。
参见图2所示的天基通量测量原理示意图，天基平台(例如卫星)采用双视角收发共天线的探测方式。每个天线均以固定频率交替发射λon和λoff两个波长的单频脉冲激光，回波信号中包含了多普勒频率信息和强度差异信息。
每个天线交替发射λon和λoff两个波长的单频脉冲激光，每个脉冲激光携带者频率信息和强度信息。由于大气颗粒物的运动使得回波信号的频率发生多普勒频移；由于被测温室气体的吸收差异，使得λon和λoff两个波长的激光大气衰减有所不同，通过处理和运算，将回波信号的多普勒信息和强度信息解算出来，反演获得径向风速和温室气体浓度；进一步采集处理不同距离处的回波信息，并利用脉冲测距原理，就能获得径向风速廓线和温室气体廓线；而沿轨前后两个视场的径向风速廓线就反演出水平风场信息。
S104，根据回波信号反演得到大气风场廓线信息及气体浓度廓线信息。
利用大气风场反演方法以及大气浓度场反演方法，即可解算出大气风场廓线信息以及气体浓度廓线信息。采用相干技术通过探测多普勒频移反演大气风场，并利用差分吸收原理反演气体浓度场，在此基础上可以创新性地实现对于大气边界层气体通量场的直接主动探测。
基于差分吸收原理，选取气体强吸收波长on信号，以及气体弱吸收波长off信号，on信号波长激光和off信号波长激光交替发射，利用强、弱信号波长激光的回波强度差探测大气边界层中的气体浓度廓线。具体地，通过计算第一探测激光与第二探测激光对应的回波信号的回波强度，然后根据差分吸收原理反演得到气体浓度廓线信息。
由于off信号的气体吸收作用较弱，回波信号强度较强，可用来基于外差技术探测大气风廓线，off信号的脉冲重复频率为总激光发射信号频率的一半。具体地，包括：首先，获取第二探测激光对应的回波信号的多普勒频移；其次，根据第二探测激光的波长及多普勒频移，确定大气风速在第二探测激光的视向方向上的速度分量；然后，根据多个速度分量及第二探测激光的方位角、天底角，计算得到大气风场廓线信息。
根据多普勒效应，通过探测回波信号的多普勒频移Δf以及已知的发射激光信号波长λ0，即可获得大气风速在激光视向方向上的分量(vLOS)。两束或多束激光视向风速结合激光方位角、天底角可以合成水平风矢量，包括水平风速和风向。
S106，根据大气风场廓线信息、气体浓度廓线信息以及预设的大气边界层通量计算方法，直接得到待探测区域的大气边界层气体通量信息。
首先，根据大气风场廓线信息计算莫宁-奥布霍夫Monin-Obukhov稳定性参数；其次，根据莫宁-奥布霍夫稳定性参数，结合上述大气风场廓线信息，确定不同稳定度大气边界条件下的摩擦速度；然后，根据上述不同稳定度大气边界条件下的摩擦速度，结合大气风场廓线信息，确定不同稳定度大气边界条件下的普适函数；然后，将大气风场廓线信息中至少三个高程的速度信息、气体浓度廓线信息中至少两个高程的气体浓度信息、不同稳定度大气边界条件下的普适函数输入大气边界层通量计算公式，可以快速有效地得到待探测区域的大气边界层气体通量信息。
可选地，根据天基平台激光雷达探测系统测量得到的三个高程的水平速度和两个高程的浓度信息，通过计算得到不同稳定层结下的大气边界层气体通量信息。
可选地，根据大气风场廓线信息计算莫宁-奥布霍夫稳定性参数，包括：根据大气风场廓线信息对应的曲率确定大气稳定度；根据莫宁-奥布霍夫相似理论，计算在大气稳定度条件下的摩擦速度；根据上述摩擦速度、莫宁-奥布霍夫稳定性参数与普适函数的关系，计算得到莫宁-奥布霍夫稳定性参数。
本发明实施例基于大气边界层湍流输运理论和激光主动探测方式，开发了一套完整的天基主动探测大气边界层气体通量交换方法，从而可以实现快速有效的天基大气层边界层气体通量的直接探测。本发明不仅弥补了当前天基通量主动探测的空白，而且可以进行大气三维运动的高时空分辨率测量，减少现有方法中基于假设和估计的问题，实现对全球多尺度、高质量、长序列气体通量的直接观测，同时还具有高探测精度、高空间分辨率和高灵敏度的特点。
可选地，大气风场廓线信息反演方法如下：
在光学多普勒效应中，在某种介质中发射源移动、接收机移动或者二者同时都移动，这三种情况并没有显著的区别。如果发射光的波长为λ0，频率为f0＝c/λ0，沿光线的相对速度为v，那么观测到的频率即为：
Figure BDA0002929188990000101
但是，通常空气分子和气溶胶都不发射光，而是通过激光发射机发出的光照射在其上来测量空气(分子)和气溶胶的移动速度。如果该激光频率为f0，那么它照射在气溶胶粒子上的近似频率如公式(1)所示。该光以该频率被再次发射，或者叫“后向散射”，然后由于在后向散射过程中粒子仍在继续移动，那么激光接收机所探测到的频移为：
Figure BDA0002929188990000102
定义粒子(或风)速为：当目标物朝向激光雷达运动时产生正的频移，即正的光线方向速度，反之相反。速度向量在径向方向上的分量vLOS：
vLOS＝Δfλ0/2 (3)
以卫星为坐标原点，x轴为卫星的运动方向，z轴为卫星与地心的连线且指向地心，y轴垂直于x轴，径向风速指向卫星为负方向。
Figure BDA0002929188990000103
表示激光雷达方向角(发射光束水平投影与x轴的夹角，以x轴正半轴为起始线，顺时针为正，取值为0～360°)，θ表示天底角(取值为0～90°)。激光视向风速可以表示成水平风分量u(指向东)、分量v(指向北)以及垂直风分量w(指向上)所构成，数学表达式为
VLOS＝c1u+c2v+c3w (4)
其中，
Figure BDA0002929188990000104
c3＝cosθLOS；其中
Figure BDA0002929188990000105
是方位角，θLOS是天底角。通过多束激光视向风速探测即可求解水平风速分量u，v，w，进而可获得水平风速和风向。
可选地，气体浓度廓线信息的反演方法如下：
气体浓度廓线是通过差分吸收原理反演得到的。差分吸收主要选用被测气体吸收带附近的波长λon，远离被测气体吸收带的波长λoff，利用被测气体对激光束不同的吸收作用，对回波信号进行差值处理，获得被测气体浓度数据。在理想条件下，用于差分吸收的两个波段之间消光系数的差异，仅仅是由所探测的气体在两个不同波段的吸收特性引起的，并且两个波段的大气后向散射系数是相同的。因此，基于激光雷达差分吸收信号的气体浓度廓线反演基本公式为：
Figure BDA0002929188990000111
式中，Δσ为强吸收和弱吸收波段的吸收截面差，R为探测距离，Pon和Poff分别为强吸收和弱吸收波段激光雷达光信号强度，其计算公式如下：
Figure BDA0002929188990000112
式中，η是整个系统的效率，c是光速，E0是脉冲发射能量，D是接收望远镜口径，R是探测距离，β(R,λ)是后向散射系数，α(r,λ)是消光系数。
可选地，天基大气边界层通量计算方法如下：
根据天基平台激光雷达探测系统测量得到的三个高程的水平速度和两个高程的浓度信息，通过计算得到不同稳定层结下的大气边界层气体通量信息，具体通量计算方法如下：
一、计算无量纲莫宁-奥布霍夫稳定性参数ζ；
(1)采用风速廓线曲率β来快速判断大气稳定度
廓线结构特征的检验可采用对廓线进行二次微商的方法，即求的廓线的曲率，它反映了廓线受湍流热力和动力作用的结果。根据天基平台激光雷达探测系统测量得到的三个高程z(z1、z2、z3)的水平速度，整个边界层层的风速廓线曲率可写为：
Figure BDA0002929188990000113
式中：
Figure BDA0002929188990000114
Figure BDA0002929188990000115
Figure BDA0002929188990000121
Figure BDA0002929188990000122
式中，
Figure BDA0002929188990000123
为平均水平风速，
Figure BDA0002929188990000124
为三个高程(z1、z2、z3)对应的平均水平风速。
当β＝0时，属于中性大气条件；
当β>0时，属于稳定大气条件；
当β<0时，属于不稳定大气条件。
(2)计算摩擦速度u*
根据Monin-Obukhov相似理论，近地面层不同稳定层结条件下的风速、温度、比湿和浓度廓线可以表达为无量纲化方程为：
Figure BDA0002929188990000125
Figure BDA0002929188990000126
式中，L为M-O长度，k为卡门常数,一般取为0.4,
Figure BDA0002929188990000127
和
Figure BDA0002929188990000128
为普适函数(也称为稳定性修正函数，分别是动量和浓度涡流扩散系数稳定性影响的速度和浓度梯度函数)，u*为摩擦速度,c*为特征浓度。
A.中性大气条件下，ζ＝0下，
Figure BDA0002929188990000129
由(12)式可推导出近地面层风速铅直分布对数率：
Figure BDA00029291889900001210
式中，z0为地面粗糙度。
因此摩擦速度u*为：
Figure BDA00029291889900001211
式中，d0为零平面位移。
B.非中性大气条件下，应用莫宁-奥布霍夫相似理论也可以解决稳定度订正的难题，因此在非中性层结时，选取Dyer和Businger推荐的非绝热函数ψm形式：
a.在稳定大气边界条件ζ>0下：
Figure BDA0002929188990000131
b.在不稳定大气边界条件ζ<0下：
Figure BDA0002929188990000132
把上式(16)、(17)代入式(12)对其积分，即可得到近地面层风速廓线积分形式(由莫宁和奥布霍夫建立的通量-廓线关系式被应用到近地面层风速廓线的描述中)：
Figure BDA0002929188990000133
a.在稳定大气条件ζ>0下:
ψm(ζ)＝-5ζ (19)
因此摩擦速度u*为：
Figure BDA0002929188990000134
b.在不稳定大气条件ζ<0下:
Figure BDA0002929188990000135
x＝(1-16ζ)1/4
因此摩擦速度u*为：
Figure BDA0002929188990000136
(3)普适函数φ与无量纲莫宁-奥布霍夫稳定性参数ζ的关系
普适函数
Figure BDA0002929188990000137
和
Figure BDA0002929188990000138
在中性稳定条件下都为1，即
Figure BDA0002929188990000139
Figure BDA00029291889900001310
在不稳定大气条件下<1，在稳定大气条件下>1。实验数据拟合关系表明：
当-5<ζ<0时(不稳定大气条件)：
φm＝(1-16ζ)-1/4
Figure BDA0002929188990000141
当0≤ζ<1时(稳定大气条件)：
Figure BDA0002929188990000142
(4)计算无量纲莫宁-奥布霍夫稳定性参数ζ
1.在稳定大气条件ζ>0下：
2.假设
Figure BDA0002929188990000143
通过φm＝1+5ζ计算得到
Figure BDA0002929188990000144
3.将上一步得到的ζ1结合天基激光雷达系统测得的(z1，u1)带入公式(20)得到
Figure BDA0002929188990000145
4.将上一步得到的u*(1)结合天基激光雷达系统测得的(z1，z2，u1，u2)得到
Figure BDA0002929188990000146
5.将上一步得到的
Figure BDA0002929188990000147
通过φm＝1+5ζ计算得到
Figure BDA0002929188990000148
6.将上一步得到的ζ2结合天基激光雷达系统测得的(z2，u2)带入公式(20)得到
Figure BDA0002929188990000149
7.将上一步得到的u*(2)结合天基激光雷达系统测得的(z1，z2，u1，u2)得到
Figure BDA00029291889900001410
其中，
Figure BDA00029291889900001411
8.将上一步得到的
Figure BDA00029291889900001412
(3)通过φm＝1+5ζ计算得到
Figure BDA00029291889900001413
9.将上一步得到的ζ3结合天基激光雷达系统测得的(z2，u2)带入公式(20)得到
Figure BDA00029291889900001414
10.重新带入第6步进行新的循环迭代，直到满足数值收敛条件
Figure BDA00029291889900001415
即可得到最终的无量纲莫宁-奥布霍夫稳定性参数ζ。
在不稳定大气条件ζ<0下：
1.假设
Figure BDA0002929188990000151
通过
Figure BDA0002929188990000152
计算得到
Figure BDA0002929188990000153
Figure BDA0002929188990000154
2.将上一步得到的ζ1结合天基激光雷达系统测得的(z1，u1)带入公式(22)得到
Figure BDA0002929188990000155
3.将上一步得到的u*(1)结合天基激光雷达系统测得的(z1，z2，u1，u2)得到
Figure BDA0002929188990000156
4.将上一步得到的
Figure BDA0002929188990000157
(2)通过
Figure BDA0002929188990000158
计算得到
Figure BDA0002929188990000159
5.将上一步得到的ζ2结合天基激光雷达系统测得的(z2，u2)带入公式(22)得到
Figure BDA00029291889900001510
6.将上一步得到的u*(2)结合天基激光雷达系统测得的(z1，z2，u1，u2)得到
Figure BDA00029291889900001511
7.将上一步得到的
Figure BDA00029291889900001512
(3)通过
Figure BDA00029291889900001513
计算得到
Figure BDA00029291889900001514
8.将上一步得到的ζ3结合天基激光雷达系统测得的(z2，u2)带入公式(22)得到
Figure BDA00029291889900001515
9.重新带入第6步进行新的循环迭代，直到满足数值收敛条件
Figure BDA00029291889900001516
即可得到最终的无量纲莫宁-奥布霍夫稳定性参数ζ。
其中，(z1，z2，
Figure BDA0002929188990000161
)为高程z1及z2对应的平均水平风速
Figure BDA0002929188990000162
二、计算普适函数φ
普适函数
Figure BDA0002929188990000163
和
Figure BDA0002929188990000164
在中性稳定条件下都为1，即
Figure BDA0002929188990000165
Figure BDA0002929188990000166
在不稳定大气条件下普适函数
Figure BDA0002929188990000167
和
Figure BDA0002929188990000168
均<1，在稳定大气条件下普适函数
Figure BDA0002929188990000169
和
Figure BDA00029291889900001610
均>1。
因此根据计算得到的无量纲莫宁-奥布霍夫稳定性参数ζ，即可带入不同稳定度大气边界条件下对应的公式(23)和(24)计算出普适函数φm和
Figure BDA00029291889900001611
三、根据近地面层边界层理论，计算大气边界层气体通量F
在近地面处，根据边界层理论，若满足对数律，则动量通量、热通量、水汽通量和其他气体通量可通过两个高程的参数测量计算得出：
Figure BDA00029291889900001612
Figure BDA00029291889900001613
若考虑热力稳定性修正，则可写为，
Figure BDA00029291889900001614
Figure BDA00029291889900001615
其中，φm为速度普适函数，
Figure BDA00029291889900001616
为浓度普适函数，Fm为动量通量，Fc为气体浓度通量，ρd为干空气密度。因此，根据天基平台激光雷达探测系统测量得到的三个高程的水平速度和两个高程的浓度信息，则可以通过上述整套通量计算方法就可以直接得到大气边界层气体通量信息。
本发明实施例提供的上述方法，基于激光主动探测方式，在同时同地获得大气风场廓线信息与气体浓度廓线信息的同时，结合大气边界层湍流输运理论，开发了一套完整的天基主动探测大气边界层气体通量交换方法，来分析反演出大气边界层气体通量信息，从而可以快速有效的实现大气边界层气体通量的主动遥感探测。本发明提供的上述方法不仅弥补了当前天基通量主动探测的空白，而且可以进行大气三维运动的高时空分辨率测量，减少现有方法中基于假设和估计的问题，实现对全球多尺度、高质量、长序列气体通量的直接观测，同时还具有高探测精度、高空间分辨率和高灵敏度的特点。该方法可作为深入理解三极变化关键物理机制、发展精细化全球气候模式的重要手段，在全球碳循环过程及其对全球气候变化等领域具有较好应用前景。
图3是本发明的一个实施例中一种天基主动探测气体通量的装置的结构示意图，该装置应用于天基探测平台，包括：
探测模块301，用于向待探测区域发射第一探测激光及第二探测激光，以及接收第一探测激光及第二探测激光的回波信号；第一探测激光对应波长为气体强吸收波长，第二探测激光对应波长为气体弱吸收波长；
反演模块302，用于根据回波信号反演得到大气风场廓线信息及气体浓度廓线信息；
通量计算模块303，用于根据大气风场廓线信息、气体浓度廓线信息以及预设的大气边界层通量计算方法，直接得到待探测区域的大气边界层气体通量信息。
上述实施例提供的天基主动探测气体通量的装置能够实现上述天基主动探测气体通量的方法的实施例中的各个过程，为避免重复，这里不再赘述。
本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现上述天基主动探测气体通量的方法实施例的各个过程，且能达到相同的技术效果，为避免重复，这里不再赘述。其中，所述的计算机可读存储介质，如只读存储器(Read-Only Memory，简称ROM)、随机存取存储器(Random AccessMemory，简称RAM)、磁碟或者光盘等。
当然，本领域技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令控制装置来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取的存储介质中，所述程序在执行时可包括如上述各方法实施例的流程，其中所述的存储介质可为存储器、磁盘、光盘等。
在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，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、物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、物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、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (11)

1.一种天基主动探测气体通量的方法，其特征在于，应用于天基探测平台，所述方法包括：
向待探测区域发射第一探测激光及第二探测激光，以及接收所述第一探测激光及所述第二探测激光的回波信号；所述第一探测激光对应波长为气体强吸收波长，所述第二探测激光对应波长为气体弱吸收波长；
根据所述回波信号反演得到大气风场廓线信息及气体浓度廓线信息；
根据所述大气风场廓线信息、所述气体浓度廓线信息以及预设的大气边界层通量计算方法，直接得到所述待探测区域的大气边界层气体通量信息。
2.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述向待探测区域发射第一探测激光及第二探测激光，包括：
控制所述天基探测平台的天线交替发射第一波长及第二波长的单频脉冲激光。
3.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述根据所述回波信号反演得到大气风场廓线信息及气体浓度廓线信息，包括：
计算所述第一探测激光与所述第二探测激光对应的回波信号的回波强度，以及根据差分吸收原理反演得到气体浓度廓线信息。
4.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述根据所述回波信号反演得到大气风场廓线信息及气体浓度廓线信息，包括：
获取所述第二探测激光对应的回波信号的多普勒频移；
根据所述第二探测激光的波长及所述多普勒频移，确定大气风速在所述第二探测激光的视向方向上的速度分量；
根据多个所述速度分量及所述第二探测激光的方位角、天底角，计算得到大气风场廓线信息。
5.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述根据所述大气风场廓线信息、所述气体浓度廓线信息以及预设的大气边界层通量计算方法，直接得到所述待探测区域的大气边界层气体通量信息，包括：
根据所述大气风场廓线信息计算莫宁-奥布霍夫稳定性参数；
根据所述莫宁-奥布霍夫稳定性参数，结合所述大气风场廓线信息，确定不同稳定度大气边界条件下的摩擦速度；
根据所述不同稳定度大气边界条件下的摩擦速度，结合所述大气风场廓线信息，确定不同稳定度大气边界条件下的普适函数；
将所述大气风场廓线信息中至少三个高程的速度信息、所述气体浓度廓线信息中至少两个高程的气体浓度信息、所述不同稳定度大气边界条件下的普适函数输入大气边界层通量计算公式，得到所述待探测区域的大气边界层气体通量信息。
6.根据权利要求5所述方法，其特征在于，所述根据所述大气风场廓线信息计算莫宁-奥布霍夫稳定性参数，包括：
根据所述大气风场廓线信息对应的曲率确定大气稳定度；
根据莫宁-奥布霍夫相似理论，计算在所述大气稳定度条件下的摩擦速度；
根据所述摩擦速度、莫宁-奥布霍夫稳定性参数与普适函数的关系，计算莫宁-奥布霍夫稳定性参数。
7.根据权利要求6所述方法，其特征在于，在中性大气条件下，摩擦速度的计算公式如下：
Figure FDA0002929188980000021
在稳定大气条件下，摩擦速度的计算公式如下：
Figure FDA0002929188980000022
在不稳定大气条件下，摩擦速度的计算公式如下：
Figure FDA0002929188980000023
Figure FDA0002929188980000024
x＝(1-16ζ)1/4
其中，ζ为莫宁-奥布霍夫稳定性参数，u*为摩擦速度，k为卡门常数，
Figure FDA0002929188980000031
为平均水平风速，z0为地面粗糙度，z为高度，d0为零平面位移。
8.根据权利要求7所述方法，其特征在于，所述根据所述摩擦速度、莫宁-奥布霍夫稳定性参数与普适函数的关系，计算莫宁-奥布霍夫稳定性参数，包括：
在中性大气条件或稳定大气条件下，莫宁-奥布霍夫稳定性参数ζ与速度普适函数φm的关系如下：
φm＝1+5ζ (4)
根据公式(4)计算得到
Figure FDA0002929188980000032
将ζ1及所述大气风场廓线信息对应的水平风速
Figure FDA0002929188980000033
代入公式(2)计算得到
Figure FDA0002929188980000034
将u*(1)及所述大气风场廓线信息对应的水平风速
Figure FDA0002929188980000035
代入公式(4)计算得到
Figure FDA0002929188980000036
将
Figure FDA0002929188980000037
代入公式(4)得到
Figure FDA0002929188980000038
循环执行上述计算过程直到满足数值收敛条件
Figure FDA0002929188980000039
得到最终的无量纲莫宁-奥布霍夫稳定性参数ζi；
在不稳定大气条件下，莫宁-奥布霍夫稳定性参数ζ与普适函数φm的关系如下：
φm＝(1-16ζ)-1/4 (5)
根据公式(5)计算得到
Figure FDA00029291889800000310
将ζ1及所述大气风场廓线信息对应的水平风速
Figure FDA00029291889800000311
代入公式(3)计算得到
Figure FDA00029291889800000312
将u*(1)及所述大气风场廓线信息对应的水平风速
Figure FDA00029291889800000313
代入公式(5)计算得到
Figure FDA0002929188980000041
将
Figure FDA0002929188980000042
代入公式(5)得到
Figure FDA0002929188980000043
循环执行上述计算过程直到满足数值收敛条件
Figure FDA0002929188980000044
得到最终的无量纲莫宁-奥布霍夫稳定性参数ζi。
9.根据权利要求8所述方法，其特征在于，所述大气边界层普适函数计算公式如下：
当-5<ζ<0时：
φm＝(1-16ζ)-1/4
Figure FDA0002929188980000045
当0≤ζ<1时：
Figure FDA0002929188980000046
10.根据权利要求9所述方法，其特征在于，所述大气边界层通量计算公式如下：
Figure FDA0002929188980000047
Figure FDA0002929188980000048
其中，φm为速度普适函数，
Figure FDA0002929188980000049
为浓度普适函数，
Figure FDA00029291889800000410
为高程z1及z2对应的平均水平风速
Figure FDA00029291889800000411
Fm为动量通量，Fc为气体浓度通量，ρd为干空气密度。
11.一种天基主动探测气体通量的装置，其特征在于，应用于天基探测平台，所述装置包括：
探测模块，用于向待探测区域发射第一探测激光及第二探测激光，以及接收所述第一探测激光及所述第二探测激光的回波信号；所述第一探测激光对应波长为气体强吸收波长，所述第二探测激光对应波长为气体弱吸收波长；
反演模块，用于根据所述回波信号反演得到大气风场廓线信息及气体浓度廓线信息；
通量计算模块，用于根据所述大气风场廓线信息、所述气体浓度廓线信息以及预设的大气边界层通量计算方法，直接得到所述待探测区域的大气边界层气体通量信息。
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