[發明專利]大氣污染物垂直分布的實時反演方法、裝置、計算機設備和存儲介質

在審

• 申請號: 202111387950.0
• 申請日: 2021-11-22
• 公開（公告）號: CN114112935A
• 公開（公告）日: 2022-03-01
• 發明（設計）人: 劉誠;李啟華;邢成志;林華;談偉;劉浩然
• 申請（專利權）人: 中國科學技術大學
• 主分類號: G01N21/25
• 分類號: G01N21/25
• 代理公司: 杭州天勤知識產權代理有限公司 33224
• 代理人: 曹兆霞

本發明公開了一種大氣污染物垂直分布的實時反演方法、裝置、計算機設備和存儲介質，包括：獲取利用超光譜遙感技術實時采集的多仰角觀測的高分辨率光譜，對高分辨率光譜擬合得到對應大氣污染物多仰角觀測的實測光路總濃度；使用輻射傳輸模型模擬地面光強，模擬光強對分層的大氣污染物分布做偏微分獲得模擬光強的雅克比矩陣，結合大氣污染物特征吸收截面將模擬光強轉換為模擬光路總濃度；利用模擬光強雅克比矩陣結合大氣污染物特征吸收截面計算模擬光路總濃度的雅克比矩陣：即迭代權重函數，利用獲得的迭代權重函數使用最小二乘法迭代求解大氣污染物垂直分布。該方法能夠降低反演計算開銷，實現在線實時反演監測，同時保證反演監測的穩定性。

技術領域

本發明涉及光學測量方法領域，特別是涉及一種大氣污染物垂直分布的實時反演方法、裝置、計算機設備和存儲介質。

背景技術

各種污染源直接排放的顆粒物、二次顆粒物和污染氣體大量增加，使得對流層大氣氣溶膠和污染氣體垂直分布存在更加快速和劇烈的變化。大氣氣溶膠和部分痕量氣體等大氣污染物對人體和生態環境有重要危害。

其中，NO₂是主要的的大氣污染痕量氣體之一，其參與臭氧的生成的光化學反應和氣溶膠的生成。NO₂和大氣氣溶膠對人體的健康均有危害。大氣中的HCHO是重要的致癌物，SO₂會形成酸雨，HONO對大氣氧化性有重要影響。因此，對大氣氣溶膠和痕量氣體等大氣污染物的濃度和分布進行長期的監測，對于認識大氣污染物的演化過程、校準衛星觀測數據和質量模型具有重要意義。

現有技術中，采用被動光源的超光譜遙感技術可以對大氣氣溶膠和痕量氣體的垂直廓線進行長時間、高時間分辨率的監測。采用差分光譜技術可以觀測在大氣中分布接近恒定的氧二聚體O₄，以此來反映大氣氣溶膠對氧二聚體O₄吸收峰光路的影響，從而反演氣溶膠粒子屬性，也可以直接測定大氣中痕量氣體(如NO₂、SO₂、HCHO、CHOCHO、HONO、O₃等)的濃度垂直分布，常用的大氣污染物垂直濃度分布反演方法為最優化迭代估計方法和查找表方法。

其中，查找表方法計算速度快，但反演的大氣污染物濃度垂直分布不穩定，易出反常規結果。最優化迭代估計方法反演的大氣污染物濃度垂直分布較為穩定，但通常使用數值差分方式計算迭代所需的權重函數，具體過程為：需要使用已知先驗廓線模擬一次光路總濃度，視為標準光路總濃度，緊接著需要將廓線某一層的濃度增加一個濃度增量，再進行光路總濃度模擬，視為波動光路總濃度。將波動光路總濃度與標準光路總濃度做差并除以濃度增量，即可獲得對應該層的光路總濃度權重函數。將所有層都增加濃度增量模擬光路總濃度即可獲得完整的光路總濃度權重函數。因為每一層的改變求取光路總濃度均需一次模擬，再加上模擬標準光路總濃度需要求解一次輻射傳輸模型，差分方法獲得光路總濃度權重函數總共需要廓線層數+1次輻射傳輸模型模擬光路總濃度，這極大地降低了最優化迭代估計方法的時間效率，無法實現實時輸出大氣污染物垂直分布。

因此，最優化估計迭代反演方法和查找表方法存在的問題限制了超光譜遙感技術在大氣污染物實時監測和溯源方面的應用。因此發展一種穩定且實時的超光譜遙感反演技術對實現大氣污染物的實時監測和溯源具有重要意義。

發明內容

鑒于上述技術問題，本發明的目的在于提供大氣污染物垂直分布的實時反演方法、裝置、計算機設備和存儲介質，降低反演計算開銷，實現對大氣污染物垂直分布的在線實時反演監測，同時保證反演監測的穩定性。

為實現上述發明目的，本發明提供以下技術方案：

第一方面，實施例提供了一種大氣污染物垂直分布的實時反演方法，包括以下步驟：

步驟1，獲取利用超光譜遙感技術實時采集的多仰角觀測的高分辨率光譜，根據高分辨率光譜擬合得到大氣污染物多仰角觀測的實測光路總濃度；