一种基于卫星遥感的臭氧污染源识别方法和系统技术方案

本发明专利技术实施例提供一种基于卫星遥感的臭氧污染源识别方法和系统，该系统包括：1)对流层臭氧廓线反演模块，利用TropOMI紫外高光谱数据反演对流层臭氧廓线；2)近地面臭氧污染源指示值反演模块，利用TropOMI对流层NO

A method and system of ozone pollution source identification based on satellite remote sensing

【技术实现步骤摘要】
一种基于卫星遥感的臭氧污染源识别方法和系统
本专利技术涉及卫星遥感
，尤其涉及一种基于卫星遥感的臭氧污染源识别方法和系统。
技术介绍
由于挥发性有机物(VOCs)和氮氧化物(NOx)的大气光化学反应导致的近地面臭氧(简称O3)污染在夏季频繁发生，臭氧污染是目前影响城市优良天数的最主要污染因子。大气中臭氧90％在平流层，10％在对流层，同时人为污染源排放的臭氧前体物氮氧化物和VOCs等大部分集中于对流层中低层，直接利用卫星遥感反演的臭氧柱浓度，无法精准定位受人为排放导致的臭氧重污染区域。因此如何获取近地面臭氧浓度、即时准确的发现臭氧污染源是目前大气臭氧污染治理所面临的重要问题。TropOMI高空间分辨率和高光谱分辨率的卫星遥感监测数据，大大提高了在小尺度范围内，发现臭氧污染排放异常的可能性。目前卫星遥感反演臭氧廓线主要有紫外高光谱和热红外高光谱两种方式，在热红外波段，会受地面热辐射信息影响，在紫外波段，入射的太阳辐射会随着对流层底层空气密度的增加而减弱，因此两种方式对对流层底层的臭氧反演误差都较大，需要综合与臭氧生成相关的气温、近地面NO2和HCHO浓度等因子，通过多元回归获取到近地面臭氧浓度，来划定臭氧重污染区域。进一步通过近地面臭氧污染指示值，结合亚米级高分影像的目标识别结果，来定位臭氧污染源，提高大气臭氧污染监管效率和污染治理的精准性。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术实施例提供一种基于卫星遥感的臭氧污染源识别方法和系统。第一方面，本专利技术实施例提供一种基于卫星遥感的臭氧污染源识别方法，包括以下四个步骤：步骤一、利用最优估计法，反演对流层臭氧廓线；步骤二、综合卫星反演产品和大气化学模式模拟结果，获取近地面NO2和HCHO浓度，进一步计算近地面臭氧污染源指示值；步骤三、通过多元回归模型，获取近地面臭氧浓度；步骤四、臭氧污染源识别。优选地，所述步骤一具体包括：选取300nm—330nm波段，考虑臭氧雅克比垂直分布以及干扰气体影响，选取在不同高度层雅克比峰值最大，且SO2气体干扰信息最小的波段作为反演波段；获取Geos-ChemSO2廓线，气候模式臭氧先验廓线和ECMWF大气温度廓线，并插值到3.5km×7km格网单元；利用最优估计法反演对流层臭氧廓线，迭代形式如下：Xi+1＝Xa+(KiTSe-1Ki+Sa-1)-1KiTSe-1·[(Y-F(Xi))-Ki(Xa-Xi)]，其中，Xi+1为当前迭代时的臭氧廓线，Xi为上一次迭代时的臭氧廓线，Xa为臭氧先验廓线，Sa为先验误差协方差矩阵，Se为观测误差协方差矩阵，这里用对角矩阵，为权重函数或雅克比，Y为TropOMI卫星观测值，F(X)为模拟观测值，选用Vlidort辐射传输模型进行模拟；对于先验误差协方差矩阵，其计算公式为：其中，|Zi-Zj|为第i层和第j层的高度差，l为相关长度。优选地，所述步骤二具体包括：获取TropOMI对流层NO2和HCHO柱浓度，提取Geos-Chem模拟的NO2和HCHO廓线；通过公式计算得到近地面NO2和HCHO柱浓度，其中，Strop为近地面NO2和HCHO浓度，SGeos为模式模拟近地面NO2和HCHO浓度，Ωtrop为TropOMI卫星对流层NO2和HCHO柱浓度，ΩGeos为模式模拟对流层NO2和HCHO柱浓度。优选地，所述步骤三具体包括：从欧洲中期天气预报中心模拟的再分析资料中，按照3.5km×7km的格网单元，插值提取每一个格网单元的气温、地表温度，同时获取地面1463个国控站点的臭氧浓度小时监测值；利用地面站点测量的O3数据与臭氧前体物近地面NO2和HCHO浓度、TropOMI近地面臭氧浓度、气温和地表温度进行时间和空间上的匹配，获取训练样本数据；根据训练样本数据构建臭氧多元回归估算模型，具体为：O3＝β1Tsurf+β2Tair+β3NO2+β4HCHO+β5O3，简化为Y＝F(X)，其中，Y为近地面臭氧浓度，X为近地面NO2和HCHO浓度、TropOMI近地面臭氧浓度、气温Tair和地表温度Tsurf参数，采用加权最小二乘法计算回归系数，即X＝βY，进一步，β＝XYT(YYT)-1，利用TropOMI卫星数据，结合已经计算好的回归系数反演得到最终的近地面臭氧浓度。优选地，所述步骤四具体包括：计算不同城市TropOMI数据最近一年的近地面臭氧浓度年均值空间分布结果，以3.5km×7km为格网单元，根据不同城市的臭氧污染特征，当某一格网值高于城市均值的一定阈值时，该格网单元就选为臭氧重污染区域；在选定臭氧重污染区域后，获取该区域的近地面NO2和HCHO浓度，计算HCHO和NO2浓度比值，获取区域内近地面臭氧污染源指示值PI；当PI>N时，该区域臭氧生成受NOx控制，结合亚米级高分影像，有针对性的开展臭氧前体物NO2污染源判别，建立污染源特征库，以自动识别和人工解译相结合的方式，开展固定源和移动源的污染源目标识别；当PI<M时，该区域臭氧生成受VOCs控制，结合亚米级高分影像，有针对性的开展臭氧前体物VOCs污染源判别，建立污染源特征库，以自动识别和人工解译相结合的方式，开展涉VOCs排放的工业企业污染源目标识别；当M<PI<N时，该区域臭氧生成受NOx和VOCs协同控制，因此同时在该区域开展NO2污染源和VOCs污染源的目标识别；M，N阈值取值根据不同城市的臭氧、二氧化氮和甲醛的浓度时空分布特征进行设定。第二方面，本专利技术实施例提供一种基于卫星遥感的臭氧污染源识别系统，包括以下四个步骤：反演模块，用于利用最优估计法，反演对流层臭氧廓线；指示模块，用于综合卫星反演产品和大气化学模式模拟结果，获取近地面NO2和HCHO浓度，进一步计算近地面臭氧污染源指示值；回归模块，用于通过多元回归模型，获取近地面臭氧浓度；识别模块，用于臭氧污染源识别。第三方面，本专利技术实施例提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现第一方面提供的一种基于卫星遥感的臭氧污染源识别方法的步骤。第四方面，本专利技术实施例提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现第一方面提供的一种基于卫星遥感的臭氧污染源识别方法的步骤。本专利技术实施例提供一种基于卫星遥感的臭氧污染源识别方法和系统，该系统包括四个模块，1)对流层臭氧廓线反演模块，利用TropOMI紫外高光谱数据，在最优估计法框架下，反演获取对流层臭氧廓线浓度；2)近地面臭氧污染源指示值反演模块，利用TropOMI对流层NO2柱浓度和HCHO助浓度产品，提取大气化学模型Geos-Chem中NO2和HCHO廓线，通过比例关系获取近地面NO2和HCHO浓度，计算NO2和HCHO比值，得到近地面臭氧污染源指本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于卫星遥感的臭氧污染源识别方法，其特征在于，包括以下四个步骤：/n步骤一、利用最优估计法，反演对流层臭氧廓线；/n步骤二、综合卫星反演产品和大气化学模式模拟结果，获取近地面NO

【技术特征摘要】
1.一种基于卫星遥感的臭氧污染源识别方法，其特征在于，包括以下四个步骤：
步骤一、利用最优估计法，反演对流层臭氧廓线；
步骤二、综合卫星反演产品和大气化学模式模拟结果，获取近地面NO2和HCHO浓度，进一步计算近地面臭氧污染源指示值；
步骤三、通过多元回归模型，获取近地面臭氧浓度；
步骤四、臭氧污染源识别。


2.根据权利要求1所述基于卫星遥感的臭氧污染源识别方法，其特征在于，所述步骤一具体包括：
选取300nm一330nm波段，考虑臭氧雅克比垂直分布以及干扰气体影响，选取在不同高度层雅克比峰值最大，且SO2气体干扰信息最小的波段作为反演波段；
获取Geos-ChemSO2廓线，气候模式臭氧先验廓线和ECMWF大气温度廓线，并插值到3.5km×7km格网单元；
利用最优估计法反演对流层臭氧廓线，迭代形式如下：
Xi+1＝Xa+(KiTSe-1Ki+Sa-1)-1KiTSe-1·[(Y-F(Xi))-Ki(Xa-Xi)]，
其中，Xi+1为当前迭代时的臭氧廓线，Xi为上一次迭代时的臭氧廓线，Xa为臭氧先验廓线，Sa为先验误差协方差矩阵，Se为观测误差协方差矩阵，这里用对角矩阵，为权重函数或雅克比，Y为TropOMI卫星观测值，F(X)为模拟观测值，选用Vlidort辐射传输模型进行模拟；
对于先验误差协方差矩阵，其计算公式为：



其中，|Zi-Zj|为第i层和第j层的高度差，l为相关长度。


3.根据权利要求1所述基于卫星遥感的臭氧污染源识别方法，其特征在于，所述步骤二具体包括：
获取TropOMI对流层NO2和HCHO柱浓度，提取Geos-Chem模拟的NO2和HCHO廓线；
通过公式计算得到近地面NO2和HCHO柱浓度，其中，Strop为近地面NO2和HCHO浓度，SGeos为模式模拟近地面NO2和HCHO浓度，Ωtrop为TropOMI卫星对流层NO2和HCHO柱浓度，ΩGeos为模式模拟对流层NO2和HCHO柱浓度。


4.根据权利要求1所述基于卫星遥感的臭氧污染源识别方法，其特征在于，所述步骤三具体包括：
从欧洲中期天气预报中心模拟的再分析资料中，按照3.5km×7km的格网单元，插值提取每一个格网单元的气温、地表温度，同时获取地面1463个国控站点的臭氧浓度小时监测值；
利用地面站点测量的O3数据与臭氧前体物近地面NO2和HCHO浓度、TropOMI近地面臭氧浓度、气温和地表温度进行时间和空间上的匹配，获取训练样本数据；根据训练样本数据构建臭氧多元回归估算模型，具体为：
O3＝β1T...

【专利技术属性】
技术研发人员：马鹏飞，陈辉，陈翠红，胡奎伟，张连华，张丽娟，张玉环，翁国庆，王中挺，厉青，周春艳，毛慧琴，
申请(专利权)人：生态环境部卫星环境应用中心，
类型：发明
国别省市：北京;11