[发明专利]一种紫外高光谱大气臭氧垂直柱浓度反演方法

说明书

本发明涉及臭氧浓度反演，具体涉及一种紫外高光谱大气臭氧垂直柱浓度反演方法，基于朗伯—比尔定律确定拟合方程；构造线性拟合矩阵M，构造向量根据线性拟合矩阵M和向量将拟合方程转换为矩阵形式；通过最小二乘法求解臭氧的斜柱浓度值；计算空气质量因子AMF；利用臭氧的斜柱浓度值和空气质量因子AMF计算臭氧的垂直柱浓度值；本发明提供的技术方案能够有效克服现有技术所存在的大气臭氧垂直柱浓度反演结果准确性较低、计算复杂的缺陷。

技术领域

本发明涉及臭氧浓度反演，具体涉及一种紫外高光谱大气臭氧垂直柱浓度反演方法。

背景技术

大气中的臭氧主要集中在平流层，仅有10％的臭氧存在于对流层中，平流层和对流层之间大气层的臭氧含量更少。平流层中的臭氧为吸收太阳紫外线辐射的主要物质(220nm-300nm)，阻止太阳紫外线辐射穿透大气层直接照射地球表面。由于臭氧对于地球表面的保护作用，所以臭氧层对于地球上所有生物都是至关重要的存在。有研究表明，大气中的臭氧总量降低1％，到达地球表面的有害太阳紫外线辐射将会增加1.5％—12％，人得皮肤癌的概率就会增加3％，还会受到白内障、免疫系统缺陷和发育停滞等疾病的侵袭。因此，对平流层中臭氧总量的探测研究，不仅对于大气科学理论研究，乃至全球生态环境响应的研究也是极具意义的。

目前，国际社会对空气质量实时监测的要求越来越高，臭氧作为反映空气质量的重要指标，日益受到人们的关注。鉴于臭氧的重要作用，需要获取高质量观测数据作为基础，用以研究平流层和对流层区域内臭氧的分布和长期变化趋势。

张雷根据1993—2015年南极中山站Brewer光谱仪臭氧总量测值，分析比较不同时期卫星探测反演的大气臭氧总量误差特征；窦鑫等人对比分析了中国科学院大气物理研究所河北香河大气综合观测试验站2014—2016年Dobson和Brewer两种臭氧总量观测仪器探测结果的一致性；陈涛通过比较2008—2012年拉萨站地基观测臭氧总量与三种卫星反演产品，评估地基和卫星观测臭氧总量数据的质量信息；Hassan Bencherif根据南非艾琳站1998—2017年地面数据和卫星观测数据进行了臭氧总量趋势估计；刘利等人通过地基观测臭氧总量，对风云三号(FY-3A)气象卫星TOU(2009年7月至2013年12月)臭氧总量开展检验分析。长期连续且可靠地臭氧观测是研究臭氧变化及其形成原因的重要基础。

全球大气臭氧总量的观测技术手段主要有卫星遥感和地面观测，它们各有优缺点，互为补充。卫星遥感技术基于其强大的功能，能够提供对大气臭氧的全球和长期观测，自诞生以来得到迅速发展，而地基观测也具有其不可替代的优势。首先，地基仪器易于维护和标定，其臭氧总量观测资料具有较高的稳定性和延续性，而卫星遥感由于受到传感器校准、云污染和地表反射率的影响，反演结果的不确定度比地基仪器大，因此地基观测结果也常用于星载仪器的校正。其次，卫星观测虽然能覆盖更广的空间范围，具有更高的空间分辨率，但是卫星对同一地点每天扫描的次数非常有限，因此相对于地基仪器，卫星观测的时间分辨率不够高，不能捕捉臭氧含量的短期显著变化，无法满足实时检测快速发展的大气污染事件的要求。

地面臭氧观测站通常部署的是Dobson和Brewer两种臭氧总量观测仪器，它们均为通道式太阳光度计，仅有少量几个臭氧探测波段，只能通过一个或两个波长对的差值消除其他痕量气体对臭氧反演的影响，可用的信息量较少。

发明内容

(一)解决的技术问题

针对现有技术所存在的上述缺点，本发明提供了一种紫外高光谱大气臭氧垂直柱浓度反演方法，能够有效克服现有技术所存在的大气臭氧垂直柱浓度反演结果准确性较低、计算复杂的缺陷。

(二)技术方案

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：

一种紫外高光谱大气臭氧垂直柱浓度反演方法，包括以下步骤：

S1、基于朗伯—比尔定律确定拟合方程：