CN115238327A

CN115238327A - 基于卫星监测的三维空间甲烷分布格局模拟方法

Info

Publication number: CN115238327A
Application number: CN202210578573.7A
Authority: CN
Inventors: 张秀英; 秦佳遥; 徐建辉
Original assignee: Nanjing University; Chuzhou University
Current assignee: Nanjing University; Chuzhou University
Priority date: 2022-05-25
Filing date: 2022-05-25
Publication date: 2022-10-25
Anticipated expiration: 2042-05-25
Also published as: CN115238327B

Abstract

本发明公开一种基于卫星监测的三维空间甲烷分布格局模拟方法，属于遥感技术领域，首先构建基于多次高斯模型的大气CH4廓线分布模型，然后构建各大气高度CH4浓度与柱浓度的关系模型，其次进行大气三维空间CH4浓度空间分布格局估算，最后进行准确性评估。一方面，大气化学模式通过模拟CH4在大气中的物理过程、化学反应以及传输模式，可以在垂直空间上反映出CH4的廓线梯度变化，另一方面，卫星遥感可以从宏观上提供全球水平分布的CH4柱浓度，反映出CH4的水平空间分布。本发明通过耦合卫星观测CH4柱浓度与大气化学模式CH4廓线，可以模拟水平及垂直方向上CH4的三维空间分布。

Description

基于卫星监测的三维空间甲烷分布格局模拟方法

技术领域

本发明属于遥感技术领域，具体涉及一种基于卫星监测的三维空间甲烷分布格局模拟方法。

背景技术

大气中的甲烷(CH4)是第二大温室气体，其温室效应约为CO2的25倍。自地面排放到大气中后，CH4随大气流动沿着垂直、水平方向进行传输，同时也会与其他物质发生化学反应。因此，大气CH4浓度在大气水平方向和垂直方向上存在较强的空间异质性。卫星遥感方式可以提供全球CH4空间水平分布，但受制于监测方式难以提供大范围的垂直空间分布；大气化学传输模式通过甲烷排放数据模拟CH4在大气中的物理化学变化以及传输模式，可以较为精准的提供甲烷的垂直方向分布，但是其在长距离的水平传输上存在较大的不确定性。探讨CH4在大气三维空间的分布，对于估算CH4排放量和温室效应具有重要意义。

发明内容

本发明解决的技术问题：提供一种基于卫星监测的CH₄柱浓度，耦合CH₄在大气垂直方向上的廓线分布特征，生成大气三维空间甲烷分布格局的基于卫星监测的三维空间甲烷分布格局模拟方法。

技术方案：为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：

一种基于卫星监测的三维空间甲烷分布格局模拟方法，包括以下步骤：

步骤1：构建基于多次高斯函数构建大气CH₄廓线分布模型；

步骤2：根据大气CH₄廓线分布模型，构建各大气高度CH₄浓度与柱浓度的关系模型；

步骤3：进行大气三维空间CH₄浓度空间分布格局估算；

步骤4：进行大气三维空间CH₄浓度精度评价。

进一步地，步骤1的具体实现方法为：首先获取大气化学传输模型模拟的CH₄分层数据，并将模型模拟的数据与卫星观测数据单位统一；然后采用多项高斯函数对每个栅格上CH₄分子数浓度随高程的分布分别进行拟合，并寻找符合每个栅格的最优拟合。

进一步地，模型模拟的数据与卫星观测数据单位统一的具体内容为：在提取模型数据的过程中将模型以混合体积比)表示的浓度转换为单位体积分子含量浓度(mole/cm³)，转换关系如下：

将每层的CH₄平均混合比

转换为每一层的CH₄分子数浓度CH_{4_mole，i}

其中，kboltz＝1.381×10^-23J/K，

为模型第i层的CH₄平均混合体积比浓度，P_i为第i层处气压，T_i为第i层处开尔文温度。

进一步地，不同高度层上CH₄分子数浓度与高程之间服从高斯函数分布，使用2～6项高斯函数对每个栅格上CH₄分子数浓度随高程的分布进行拟合，其基本形式为：

式中，f(C_h)表示CH₄在大气高度h处的分子数浓度；a_r，b_r，c_r代表的物理过程意义上分别是a_r代表振幅(垂直方向上CH₄最大浓度值)，b_r表示质心位置(CH₄最大浓度值所对应的高度)，c_r为峰宽(CH₄浓度集中层的厚度)，n为拟合的阶数，其范围为2-6；

最优拟合条件为具有最高的相关系数R²以及最低的均方根误差RMSE的参数。

进一步地，步骤2的具体实现方法为：

步骤2.1：首先基于步骤1获取的每个栅格尺度上的最优大气CH₄的廓线模型，采用积分获取与卫星监测的CH₄柱浓度的同等大气高度的CH₄柱浓度；

其中，hi为卫星获取的CH₄柱浓度的大气高度，

为每个栅格上面的最优大气CH₄拟合函数；

步骤2.2：其次利用优选的大气CH₄廓线分布模型计算任意高度的CH₄浓度；

步骤2.3：计算任意大气高度上的CH₄浓度与积分获得的柱浓度的比例因子Ratio_i。

进一步地，积分获得的柱浓度的比例因子Ratio_i的计算方法为：

其中，

表示任意高度h_i下的模拟CH₄分子浓度，CH_{4_TCA，A}表示与卫星监测同等大气高度下的大气化学模式CH₄柱浓度。

进一步地，步骤3中，进行大气三维空间CH₄浓度空间分布格局估算的方法为：

步骤3.1：首先，基于任意大气高度上的CH₄浓度与积分获得的柱浓度的比例因子Ratio_i，耦合卫星监测获取的大气CH₄柱浓度，获取任意大气高度的CH₄浓度；

步骤3.2：进而获得任意高度上大气CH₄浓度的水平空间上空间分布格局，同时也能获得任意水平空间位置上的大气垂直方向上的空间分布格局。

进一步地，步骤3.1中，获取任意大气高度的CH₄浓度的公式如下：

CH_{4_mole，i}＝CH_{4_TCA，S}×Ratio_i

其中，CH_{4_TCA，S}为卫星监测的大气CH₄柱浓度，Ratio_i为步骤(2)中求得的任意高度CH₄浓度比例。

进一步地，步骤4中，进行大气三维空间CH₄浓度精度评价的内容包括：首先是高斯模型的模拟性能评价，其次是三维空间CH₄分布的结果验证。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明的基于卫星监测的三维空间甲烷分布格局模拟方法，通过卫星监测与大气化学传输模式相结合，估算三维空间甲烷分布格局。一方面，大气化学模式通过模拟CH4在大气中的物理过程、化学反应以及传输模式，可以在垂直空间上反映出CH4的廓线梯度变化，另一方面，卫星遥感可以从宏观上提供全球水平分布的CH4柱浓度，反映出CH4的水平空间分布。通过耦合卫星观测CH4柱浓度与大气化学模式CH4廓线，可以模拟水平及垂直方向上CH4的三维空间分布。

附图说明

图1示出根据本发明一种基于卫星监测的三维空间甲烷空间分布格局模拟方法的整体流程图；

图2示出实施例的CH4浓度垂直分布廓线；

图3示出实施例的卫星监测CH4柱浓度图；

图4示出实施例的三维空间CH4水平分布格局图；

图5示出实施例的三维空间CH4垂直分布格局图；

图6示出实施例的各站点三维分布验证结果。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

如图1所示，本发明的基于卫星监测的三维空间甲烷分布格局模拟方法，首先构建基于多次高斯模型的大气CH4廓线分布模型，然后构建各大气高度CH4浓度与柱浓度的关系模型，其次进行大气三维空间CH4浓度空间分布格局估算，最后进行准确性评估，本发明基于卫星观测CH4柱浓度数据，利用多峰高斯函数拟合方法，耦合CH4在大气垂直方向上的廓线分布特征，实现对三维空间CH4分布格局的模拟。具体包括以下步骤：

步骤1：构建基于多次高斯函数构建大气CH₄廓线分布模型，具体步骤为：

首先获取大气化学传输模型模拟的CH₄分层数据，该模式空间分辨率为2°*2.5°，垂直方向为47层大气压，每层数据分别提供该层平均厚度H、CH₄平均混合体积比CH_{4_vmr}，压强P，温度T。

为了将模型模拟与卫星观测数据单位统一保证垂直廓线拟合合理性，在提取模型数据的过程中将模型以混合体积比(ppb)表示的浓度转换为单位体积分子含量浓度(mole/cm³)。转换关系如下：

将每层的CH₄平均混合比

转换为每一层的CH₄分子数浓度CH_{4_mole，i}

其中，kboltz＝1.381×10^-23J/K，

不同高度层上CH₄分子数浓度与高程之间服从高斯函数分布，使用多项高斯函数对每个栅格上CH₄分子数浓度随高程的分布进行拟合；其基本形式为：

式中，f(C_h)表示CH₄在大气高度h处的分子数浓度；；a_r，b_r，c_r代表的物理过程意义上分别是：a_r代表振幅(即垂直方向上CH₄最大浓度值)，b_r表示质心位置(即CH₄最大浓度值所对应的高度)，c_r为峰宽(即CH₄浓度集中层的厚度)，n为拟合的阶数，其范围为2-6；

对每个栅格使用2～6项高斯函数分别拟合，寻找符合每个栅格的最优拟合，最优拟合条件为具有最高的皮尔逊相关系数(R²)以及最低的均方根误差(RMSE)，从而得到最优拟合参数(a1，b1，c1，a2，b2，c2，a3，b3，c3，a4，b4，c4，a5，b5，c5，a6，b6，c6，R²，RMSE)，a1，b1，c1-a6，b6，c6，分别代表r＝1-6时的拟合系数a_r，b_r，c_r，参数阵列按照6项高斯函数拟合的参数个数进行记录，不够阶的参数设置为零，即表示该栅格上某项拟合函数公式。如遇到2项高斯函数最优拟合，拟合系数有6个，那么将前6个参数记录后将其余系数位置设置为0，以便于输出记录。

步骤2：构建各大气高度CH₄浓度与柱浓度的关系模型，具体步骤为：

步骤2.1：首先基于步骤1获取的每个栅格尺度上的最优大气CH₄的廓线模型，采用积分获取与卫星监测的CH₄柱浓度的同等大气高度的CH₄柱浓度，

其中，hi为卫星获取的CH₄柱浓度的大气高度，

为每个栅格上面的最优大气CH₄拟合函数；

步骤2.3：计算任意大气高度上的CH₄浓度与积分获得的柱浓度的比例因子Ratio_i，其计算公式为：

其中，

表示任意高度hi下的模拟CH₄分子浓度，CH_{4_TCA，A}表示与卫星监测同等大气高度下的大气化学模式CH₄柱浓度。Sentinel-5P卫星观测CH₄柱浓度如图3所示。

步骤3：进行大气三维空间CH₄浓度空间分布格局估算，具体步骤为：

首先，基于任意大气高度上的CH₄浓度与积分获得的柱浓度的比例因子Ratio_i，耦合卫星监测获取的大气CH₄柱浓度，获取任意大气高度的CH₄浓度，公式如下：

CH_{4_mole，i}＝CH_{4_TCA，S}×Ratio_i

进而获得任意高度上大气CH₄浓度的水平空间上空间分布格局，同时也能获得任意水平空间位置上的大气垂直方向上的空间分布格局。水平空间分布格局如图4所示，垂直空间分布格局如图5所示。

步骤4：大气三维空间CH₄浓度精度评价

考虑到本方法的主要步骤分别为多次高斯模型拟合大气CH₄廓线，耦合卫星观测柱浓度与各大气高度CH₄浓度比例获得任意高度上的空间分布两个步骤。

精度评价具体包括两个步骤：

步骤4.1：首先是高斯模型的模拟性能评价，

将分层浓度数据集为两组，其中80％的数据记录用于模型构建，其余20％用于准确性评估；分别用模型模拟的确定系数(R²)，均方根误差(RMSE)用于评估模拟模型的性能；

步骤4.2：其次是三维空间CH₄分布的结果验证

具体用总碳柱观测网络(TCCON)分布在全球的35个站点的监测数据进行验证，TCCON数据垂直方向共有70层，为等间隔分布的1km一层分布。分别获取每层高度的监测数据与模拟数据，对不同层的所有站点进行验证以反映三维空间上的模拟精度，相关系数(R²)和绝对误差的百分比(|CH₄，Estimation-CH₄，Measurement|/CH₄，Measurement×100％)(PAE)三维空间CH₄分布的精度验证。

表1为模型模拟性能评价结果，图6为不同大气高度下所有站点水平验证结果。

表1为模型模拟性能评价结果

模型模拟结果显示，最优拟合项数有82％为4～6项，说明甲烷在大气中的垂直分布较为复杂，整体相关系数(R²＞0.99)表示多次高斯函数能够很好的拟合甲烷在大气中的垂直分布情况；与站点观测数据的垂直和水平方向验证结果显示，其在三维空间上整体上具有较高的拟合精度(R²＝0.71，相对误差(PRE)＝51.87％)，并且其在对流层(10km附近)以下位置与站点的监测结果的一致性(R²＞0.80，PRE＜10％)要明显高于对流层上空，说明该方法能够更好的反映出地面CH₄的空间分布。精度评价结果表明，基于卫星遥感监测的大气三维空间甲烷浓度分布格局模拟方法能够很好的模拟大气甲烷在三维空间的真实分布情况。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种基于卫星监测的三维空间甲烷分布格局模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：构建基于多次高斯函数构建大气CH₄廓线分布模型；

步骤3：进行大气三维空间CH₄浓度空间分布格局估算；

步骤4：进行大气三维空间CH₄浓度精度评价。

2.根据权利要求1所述的基于卫星监测的三维空间甲烷分布格局模拟方法，其特征在于：步骤1的具体实现方法为：首先获取大气化学传输模型模拟的CH₄分层数据，并将模型模拟的数据与卫星观测数据单位统一；然后采用多项高斯函数对每个栅格上CH₄分子数浓度随高程的分布分别进行拟合，并寻找符合每个栅格的最优拟合。

3.根据权利要求2所述的基于卫星监测的三维空间甲烷分布格局模拟方法，其特征在于：模型模拟的数据与卫星观测数据单位统一的具体内容为：在提取模型数据的过程中将模型以混合体积比表示的浓度转换为单位体积分子含量浓度(mole/cm³)，转换关系如下：

将每层的CH₄平均混合比

转换为每一层的CH₄分子数浓度

其中，kboltz＝1.381×10^-23J/K，

4.根据权利要求2所述的基于卫星监测的三维空间甲烷分布格局模拟方法，其特征在于：不同高度层上CH₄分子数浓度与高程之间服从高斯函数分布，使用2～6项高斯函数对每个栅格上CH₄分子数浓度随高程的分布进行拟合，其基本形式为：

式中，f(C_h)表示CH₄在大气高度h处的分子数浓度；a_r表示振幅，物理意义代表的是垂直方向上的CH₄最大浓度值；b_r表示质心位置，物理意义代表的是垂直方向上的CH₄最大浓度值对应的高度；c_r为峰宽，物理意义代表的是垂直方向上的CH₄集中层的厚度；n为拟合的次数，其范围为2～6。

5.根据权利要求1所述的基于卫星监测的三维空间甲烷分布格局模拟方法，其特征在于：步骤2的具体实现方法为：

其中，hi为卫星获取的CH₄柱浓度的大气高度，

为每个栅格上面的最优大气CH₄拟合函数；

6.根据权利要求5所述的基于卫星监测的三维空间甲烷分布格局模拟方法，其特征在于：积分获得的柱浓度的比例因子Ratio_i的计算方法为：

其中，

7.根据权利要求1所述的基于卫星监测的三维空间甲烷分布格局模拟方法，其特征在于：步骤3中，进行大气三维空间CH₄浓度空间分布格局估算的方法为：

8.根据权利要求7所述的基于卫星监测的三维空间甲烷分布格局模拟方法，其特征在于：步骤3.1中，获取任意大气高度的CH₄浓度的公式如下：

CH_{4_mole，i}＝CH_{4_TCA，S}×Ratio_i

9.根据权利要求1所述的基于卫星监测的三维空间甲烷分布格局模拟方法，其特征在于：步骤4中，进行大气三维空间CH₄浓度精度评价的内容包括：首先是高斯模型的模拟性能评价，其次是三维空间CH₄分布的结果验证。