本發(fā)明屬于大氣科學(xué)，具體涉及一種基于逐線積分法的甲烷分子吸收系數(shù)計算方法。

背景技術(shù)：

1、大氣甲烷濃度監(jiān)測是精準(zhǔn)評估甲烷排放的重要環(huán)節(jié)，甲烷濃度反演則是獲取高精度甲烷濃度數(shù)據(jù)的關(guān)鍵方法，其反演結(jié)果的準(zhǔn)確性高度依賴于模擬光譜與衛(wèi)星實測光譜這兩個核心輸入?yún)?shù)，因此精確獲取高質(zhì)量的模擬光譜對甲烷濃度監(jiān)測至關(guān)重要。在利用大氣輻射傳輸模型進(jìn)行光譜模擬時，甲烷分子吸收系數(shù)作為關(guān)鍵輸入?yún)?shù)，是決定模擬光譜計算精度的關(guān)鍵因素之一。因此，準(zhǔn)確計算甲烷分子吸收系數(shù)對高精度甲烷監(jiān)測具有重要意義。

2、當(dāng)前，氣體分子吸收系數(shù)的計算仍存在一些限制和挑戰(zhàn)：一方面，當(dāng)前的計算方法通常是基于大量的實驗和理論研究，且不同的方法之間仍然存在著差異和不確定性；另一方面，由于甲烷氣體本身的復(fù)雜性和變化性，當(dāng)前計算方法的準(zhǔn)確性和適用性也受到了一定的限制。針對目前氣體分子吸收系數(shù)計算存在的問題，相關(guān)研究學(xué)者也提出了許多方法。wang和zhang等人在《modified?malkmus?band?model?for?clear-sky?atmospherictransmittance?calculation》中，提出了一種改進(jìn)的malkmus模型，采用最小二乘法將計算的吸收系數(shù)與modtran軟件包的吸收系數(shù)進(jìn)行擬合，得到不同的大氣模式下校正項的擬合系數(shù)，提高了malkmus模型的計算精度。2023年，朱明偉在《大氣輻射吸收自動參數(shù)化方法及應(yīng)用研究》中，提出以相關(guān)k分布理論為切入點(diǎn)，基于梯度下降法和二次序列規(guī)劃開發(fā)了自動大氣輻射吸收參數(shù)化算法，避免了人工操作帶來的誤差，提高了氣體吸收計算的準(zhǔn)確性和速度，并實現(xiàn)了其在衛(wèi)星輻射仿真中的應(yīng)用。2023年，ihou等人在《rapid?calculationof?atmospheric?molecular?absorption?characteristics?in?the?terahertz?bandbased?on?wideband?k-distribution?method》中，基于最新的高分辨率透射分子吸收數(shù)據(jù)庫hitran2020，結(jié)合逐行（lbl）光譜輻射計算方法，基于地球大氣環(huán)境參數(shù)，利用分辨率為0.01cm-1的lbl方法，開發(fā)了一種非相關(guān)寬帶k分布模型（wbk），并建立了用于計算水汽分子吸收系數(shù)的指數(shù)核擬合系數(shù)表，計算地球大氣0-100km高度內(nèi)的24個寬帶吸收系數(shù)。

3、現(xiàn)有的大氣分子吸收系數(shù)計算方法缺乏針對甲烷分子吸收特性的研究，在利用逐線積分方法計算分子吸收系數(shù)時，一方面沒有考慮不同高度層線型因子函數(shù)影響，另一方面沒有考慮中國區(qū)域復(fù)雜環(huán)境變化對甲烷分子吸收系數(shù)計算的影響，導(dǎo)致中國區(qū)域甲烷分子吸收系數(shù)精度低，進(jìn)而導(dǎo)致在利用衛(wèi)星遙感監(jiān)測中國區(qū)域甲烷時準(zhǔn)確性低。將其應(yīng)用到大氣輻射傳輸正演模型中，計算結(jié)果的最大mae和rmse僅為1.1×10-3和1.2×10-3；與era5再分析數(shù)據(jù)和美國標(biāo)準(zhǔn)大氣模式相比，本發(fā)明所構(gòu)建的大氣溫度和壓強(qiáng)廓線更能表征中國不同區(qū)域的環(huán)境變化。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述問題，本發(fā)明提出了一種基于逐線積分法的甲烷分子吸收系數(shù)計算方法，設(shè)計合理，解決了現(xiàn)有技術(shù)的不足，具有良好的效果。

2、一種基于逐線積分法的甲烷分子吸收系數(shù)計算方法，包括以下步驟：

3、s1、構(gòu)建中國不同地理區(qū)域的大氣溫度廓線和壓強(qiáng)廓線；

4、s2、根據(jù)sentinel-5p衛(wèi)星提供的大氣高度分層信息選擇不同高度范圍的線型因子函數(shù)，利用hitran2020分子光譜數(shù)據(jù)庫中不同高度層的吸收譜線強(qiáng)度信息，將每條吸收譜線進(jìn)行積分得到標(biāo)準(zhǔn)大氣環(huán)境條件下不同高度層對應(yīng)的甲烷分子吸收系數(shù)；

5、s3、利用s1中的大氣溫度廓線和壓強(qiáng)廓線，基于溫度和壓強(qiáng)補(bǔ)償函數(shù)對標(biāo)準(zhǔn)大氣環(huán)境條件下的甲烷分子吸收系數(shù)進(jìn)行校正，得到實際大氣環(huán)境下的甲烷分子吸收系數(shù)。

6、進(jìn)一步地，所述s1中，根據(jù)氣候和地形特征將中國區(qū)域劃分為多個地理區(qū)域，每個區(qū)域利用uwyo探空數(shù)據(jù)中的高度、大氣溫度和壓強(qiáng)數(shù)據(jù)，基于最小二乘法擬合得到各個地理區(qū)域的大氣溫度廓線和壓強(qiáng)廓線。

7、進(jìn)一步地，所述s2中，每個高度層的高度設(shè)置和sentinel?-5p衛(wèi)星中的高度設(shè)置保持一致，每個高度層對應(yīng)多條吸收譜線強(qiáng)度信息；標(biāo)準(zhǔn)大氣環(huán)境條件下，第個地理區(qū)域中第個高度層對應(yīng)的甲烷分子吸收系數(shù)表達(dá)式為：

8、；(1)

9、其中，表示第個地理區(qū)域下第個高度層對應(yīng)的第根吸收譜線強(qiáng)度，表示吸收譜線數(shù)量，表示線型因子函數(shù)，表示吸收譜線的波長，表示第根吸收譜線中心波長。

10、進(jìn)一步地，當(dāng)大氣高度小于20km時，線型因子函數(shù)選用lorentz線型，當(dāng)大氣高度處于20km~50km之間時，線型因子函數(shù)選用voigt線型，當(dāng)大氣高度大于50km時，線型因子函數(shù)選用doppler線型。

11、進(jìn)一步地，所述s3中，根據(jù)大氣溫度廓線得到第個高度層在不同地理區(qū)域?qū)?yīng)的溫度，采用正則化的多項擬合方法對同一高度層下不同溫度的甲烷分子吸收系數(shù)進(jìn)行擬合，確定第個高度層下甲烷分子吸收系數(shù)和溫度之間的函數(shù)關(guān)系式為：

12、；(2)

13、其中，表示溫度，、、、、表示第個高度層對應(yīng)的擬合系數(shù)，表示不同溫度下對應(yīng)的甲烷分子吸收系數(shù)；

14、通過式(2)得到，溫度和甲烷分子吸收系數(shù)是一種非線性的關(guān)系，故初步溫度補(bǔ)償函數(shù)的形式為：

15、；(3)

16、其中，表示不同溫度下對應(yīng)的甲烷分子吸收系數(shù)的修正因子，為標(biāo)準(zhǔn)大氣環(huán)境得到的甲烷分子吸收系數(shù)，為標(biāo)準(zhǔn)大氣溫度；

17、壓強(qiáng)補(bǔ)償函數(shù)通過理想氣體方程確定，表達(dá)式為：

18、；(4)

19、其中，表示實際大氣壓強(qiáng)，通過壓強(qiáng)廓線獲得；表示標(biāo)準(zhǔn)大氣壓強(qiáng)，表示不同壓強(qiáng)下對應(yīng)的甲烷分子吸收系數(shù)的修正因子；

20、經(jīng)過溫度和壓強(qiáng)補(bǔ)償函數(shù)校正后的甲烷分子吸收系數(shù)為：

21、；(5)

22、其中，表示經(jīng)過溫度和壓強(qiáng)補(bǔ)償函數(shù)校正后的甲烷分子吸收系數(shù)。

23、本發(fā)明帶來的有益技術(shù)效果：

24、本發(fā)明建立了適用于中國區(qū)域的大氣溫度和壓強(qiáng)廓線，更能表征中國不同區(qū)域的環(huán)境變化；改進(jìn)了傳統(tǒng)逐線積分方法中線型因子函數(shù)選擇方法，并利用實際的大氣溫度和壓強(qiáng)廓線，基于溫度和壓強(qiáng)補(bǔ)償函數(shù)的方法對最終的計算結(jié)果進(jìn)行了校正。

技術(shù)特征：

1.一種基于逐線積分法的甲烷分子吸收系數(shù)計算方法，其特征在于，包括以下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于逐線積分法的甲烷分子吸收系數(shù)計算方法，其特征在于，所述s1中，根據(jù)氣候和地形特征將中國區(qū)域劃分為多個地理區(qū)域，每個區(qū)域利用uwyo探空數(shù)據(jù)中的高度、大氣溫度和壓強(qiáng)數(shù)據(jù)，基于最小二乘法擬合得到各個地理區(qū)域的大氣溫度廓線和壓強(qiáng)廓線。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于逐線積分法的甲烷分子吸收系數(shù)計算方法，其特征在于，所述s2中，每個高度層的高度設(shè)置和sentinel?-5p衛(wèi)星中的高度設(shè)置保持一致，每個高度層對應(yīng)多條吸收譜線強(qiáng)度信息；標(biāo)準(zhǔn)大氣環(huán)境條件下，第個地理區(qū)域中第個高度層對應(yīng)的甲烷分子吸收系數(shù)表達(dá)式為：

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種基于逐線積分法的甲烷分子吸收系數(shù)計算方法，其特征在于，當(dāng)大氣高度小于20km時，線型因子函數(shù)選用lorentz線型，當(dāng)大氣高度處于20km~50km之間時，線型因子函數(shù)選用voigt線型，當(dāng)大氣高度大于50km時，線型因子函數(shù)選用doppler線型。

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種基于逐線積分法的甲烷分子吸收系數(shù)計算方法，其特征在于，所述s3中，根據(jù)大氣溫度廓線得到第個高度層在不同地理區(qū)域?qū)?yīng)的溫度，采用正則化的多項擬合方法對同一高度層下不同溫度的甲烷分子吸收系數(shù)進(jìn)行擬合，確定第個高度層下甲烷分子吸收系數(shù)和溫度之間的函數(shù)關(guān)系式為：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種基于逐線積分法的甲烷分子吸收系數(shù)計算方法，屬于大氣科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，首先構(gòu)建中國不同地理區(qū)域的大氣溫度廓線和壓強(qiáng)廓線，根據(jù)大氣高度分層信息選擇不同高度范圍的線型因子函數(shù)，結(jié)合HITRAN2020分子光譜數(shù)據(jù)庫，得到標(biāo)準(zhǔn)大氣環(huán)境條件下不同高度層對應(yīng)的甲烷分子吸收系數(shù)；基于溫度和壓強(qiáng)補(bǔ)償函數(shù)對標(biāo)準(zhǔn)大氣環(huán)境條件下的甲烷分子吸收系數(shù)進(jìn)行校正，得到實際大氣環(huán)境下的甲烷分子吸收系數(shù)。本發(fā)明建立了適用于中國區(qū)域的大氣溫度和壓強(qiáng)廓線，更能表征中國不同區(qū)域的環(huán)境變化；改進(jìn)了傳統(tǒng)逐線積分方法中線型因子函數(shù)選擇方法，并利用實際的大氣溫度和壓強(qiáng)廓線，基于溫度和壓強(qiáng)補(bǔ)償函數(shù)的方法對最終的計算結(jié)果進(jìn)行了校正。

技術(shù)研發(fā)人員：李立剛,岳娜,萬勇
受保護(hù)的技術(shù)使用者：中國石油大學(xué)（華東）
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/6