本發(fā)明屬于空間大氣光學遙感，具體涉及氧氣大氣帶及近紅外大氣帶氣輝輻射反演臭氧濃度廓線的方法，特別是利用氧氣大氣帶及近紅外大氣帶氣輝輻射反演臨近空間區(qū)域臭氧濃度廓線的方法。

背景技術：

1、臭氧是地球大氣中最為重要的痕量氣體之一，具有活潑的化學性質(zhì)，且參與諸多光化學反應過程，研究臭氧濃度在全球臨近空間的時間演化及空間分布，對于生態(tài)環(huán)境及氣候變化意義重大，同時可以提高氣象預報的準確性以及航空航天的安全性。

2、衛(wèi)星遙感可實現(xiàn)全球尺度觀測，并具有高時空分辨率、寬時空連續(xù)性等特點，采用衛(wèi)星遙感的臭氧濃度探測方法逐漸成為國際研究熱點。當前，臭氧廓線衛(wèi)星遙感探測的方式主要有掩星吸收探測、紫外散射吸收探測、紅外熱輻射探測。其中掩星探測方式是通過觀測太陽或月亮在升起或落下的大氣輻射吸收光譜的變化反演臭氧濃度，因此其掃描的水平分辨率和空間覆蓋范圍有限；基于紫外散射吸收光譜的臭氧濃度反演方法極易受到云和氣溶膠的影響，導致探測結(jié)果不準確；而長波紅外熱輻射探測臭氧則多依賴于高分辨率、高靈敏度的光學元件和探測器，對制冷條件要求較高，且溫濕廓線誤差等外界環(huán)境因素同樣會影響輻射量以及臭氧權重函數(shù)，進而影響臭氧廓線反演結(jié)果的準確性。

3、通過探測氧氣分子在o2(a1δg)波段氣輝輻射可以間接反演得到臭氧垂直廓線，該方法具有精度高、穩(wěn)定性強等優(yōu)勢。但由于低空的自吸收效應導致光譜污染，使得利用o2(a1δg)波段難以探測臨近空間較低區(qū)域的臭氧濃度，而較高空間區(qū)域的o2(a1δg)波段氣輝輻射較弱，信噪比小，無法實現(xiàn)臭氧濃度探測。

技術實現(xiàn)思路

1、為了克服現(xiàn)有技術中的問題，本發(fā)明提出了一種氧氣大氣帶及近紅外大氣帶氣輝輻射反演臭氧濃度廓線的方法。本發(fā)明的方法將o2大氣帶及近紅外大氣帶的氣輝輻射信號相結(jié)合，利用光化學反應原理及大氣輻射傳輸模型計算獲得臨近空間30km-130km內(nèi)臭氧廓線，相比傳統(tǒng)的o3濃度廓線反演方法相比，具有更優(yōu)的準確性和更大的垂直覆蓋范圍。

2、本發(fā)明解決上述技術問題的技術方案如下：

3、本發(fā)明提供了一種氧氣大氣帶及近紅外大氣帶氣輝輻射反演臭氧濃度廓線的方法，包括以下步驟：

4、步驟100：獲得o2(a1δg)波段基于2km-90km目標層高度的標準觀測光譜數(shù)據(jù)da、及o2(b1∑+g)波段基于50km-150km目標層高度的標準觀測光譜數(shù)據(jù)db；

5、步驟200：將所述標準觀測光譜數(shù)據(jù)da及標準觀測光譜數(shù)據(jù)db逐層破解，獲得o2(a1δg)波段2km-90km海拔高度之間每一層的單層氣輝輻射光譜強度值、以及o2(b1∑+g)波段50km-150km海拔高度之間每一層的單層氣輝輻射光譜強度值；構建基于目標層海拔高度集合h1的單層觀測光譜數(shù)據(jù)集、及基于目標層海拔高度集合h2的單層觀測光譜數(shù)據(jù)集；

6、步驟300：根據(jù)球?qū)ΨQ結(jié)構建立沿視線臨邊觀測幾何模型，并基于吸收系數(shù)，計算o2(a1δg)波段自吸收效應校正項、o2(b1∑+g)波段自吸收效應校正項；并計算獲得o2(a1δg)波段自吸收效應校正單層氣輝輻射光譜強度值及o2(b1∑+g)波段自吸收效應校正單層氣輝輻射光譜強度值；

7、步驟400：基于o2(a1δg)波段自吸收效應校正單層氣輝輻射光譜強度值，并基于kinetic光化學模型，構建o2(a1δg)波段臭氧濃度計算模型，得到基于目標層海拔高度集合h1內(nèi)o2(a1δg)波段考慮自吸收效應的觀測光譜數(shù)據(jù)的臭氧濃度集合；

8、步驟500：基于kinetic光化學模型構建o2(a1δg)波段和o2(b1∑+g)波段聯(lián)合計算臭氧濃度關系模型，得到基于目標層海拔高度集合h2內(nèi)o2(b1∑+g)波段考慮自吸收效應的觀測光譜數(shù)據(jù)的臭氧濃度集合；

9、步驟600：基于o2(a1δg)波段考慮自吸收效應的觀測光譜數(shù)據(jù)的臭氧濃度集合和o2(b1∑+g)波段考慮自吸收效應的觀測光譜數(shù)據(jù)的臭氧濃度集合，聯(lián)合反演生成目標層海拔高度30km-130km內(nèi)觀測光譜數(shù)據(jù)的臭氧濃度廓線。

10、進一步地，所述步驟100中，

11、對o2(a1δg)波段的帶外輻射ia線性擬合計算得到2km-90km海拔高度上的無氣輝輻射信號背景干擾噪聲na，其中，帶外輻射ia為觀測光譜數(shù)據(jù)ia2-90中波長范圍為1210nm-1240nm、1300nm-1340nm的光譜數(shù)據(jù)，o2(a1δg)波段觀測光譜數(shù)據(jù)ia2-90消除無氣輝輻射信號背景干擾噪聲na，獲得標準光譜數(shù)據(jù)da；

12、對o2(b1∑+g)波段的帶外輻射ib線性擬合計算50km-150km海拔高度上的無氣輝輻射信號背景干擾噪聲nb，其中，帶外輻射ib為o2(b1∑+g)波段觀測光譜數(shù)據(jù)ib50-150中波長范圍為750nm-759nm、767nm-781nm的光譜數(shù)據(jù)；對觀測光譜數(shù)據(jù)ib50-150中130km-150km海拔高度的光譜信號取平均值求取散射光干擾噪聲db；o2(b1∑+g)波段的觀測光譜數(shù)據(jù)ib50-150中消除無氣輝輻射信號背景干擾噪聲nb，以及散射光干擾噪聲db后，即得標準光譜數(shù)據(jù)db。

13、進一步地，所述步驟200中，基于目標層海拔高度集合h1的單層觀測光譜數(shù)據(jù)集

14、

15、基于目標層海拔高度集合h2的單層觀測光譜數(shù)據(jù)集

16、

17、其中，為目標層海拔高度集合h1中任意h1高度單層氣輝輻射光譜強度值，為目標層海拔高度集合h2中任意h2高度單層氣輝輻射光譜強度值；λa為o2(a1δg)波段單層氣輝輻射光譜強度值對應的觀測波長；λb為o2(b1∑+g)波段單層氣輝輻射光譜強度值對應的觀測波長；30km≤h1≤90km，70km≤h2≤130km，h1∈h1，h2∈h2，1210nm≤λa≤1340nm，750nm≤λb≤790nm。

18、進一步地，所述步驟300包括：

19、步驟310：根據(jù)球?qū)ΨQ結(jié)構建立沿視線臨邊觀測幾何模型，并基于吸收系數(shù)σh1計算o2(a1δg)波段自吸收效應校正項ah1及基于吸收系數(shù)σh2計算o2(b1∑+g)波段自吸收效應校正項ah2；

20、步驟320：將計算所得o2(a1δg)波段自吸收效應校正項ah1的倒數(shù)與單層氣輝輻射光譜強度值相乘，計算獲得o2(a1δg)波段目標層海拔高度h1處自吸收效應校正單層氣輝輻射光譜強度值將計算所得o2(b1∑+g)波段自吸收效應校正項ah2的倒數(shù)與單層氣輝輻射光譜強度值相乘，計算獲得o2(b1∑+g)波段目標層海拔高度h2處自吸收效應校正單層氣輝輻射光譜強度值

21、進一步地，所述步驟300包括：

22、步驟3101：根據(jù)球?qū)ΨQ結(jié)構建立沿視線臨邊觀測幾何模型，由外到內(nèi)、由近衛(wèi)星端到遠衛(wèi)星端記為大氣層編號l，并通過吸收系數(shù)σh1計算o2(a1δg)波段自吸收效應校正項ah1：

23、

24、其中，i為臨邊視線編號，j為球?qū)ΨQ結(jié)構層編號，j′為球?qū)ΨQ結(jié)構層編號j向近衛(wèi)星端前進一層的編號，為球?qū)ΨQ結(jié)構沿臨邊視線觀測目標層海拔高度h1處對應層編號的單層氣輝輻射光譜強度值，σh1(j′)為按照球?qū)ΨQ結(jié)構向近衛(wèi)星端前進一層的吸收系數(shù)；

25、步驟3102：通過吸收系數(shù)σh2計算o2(b1∑+g)波段自吸收效應校正項ah2：

26、

27、其中，為球?qū)ΨQ結(jié)構沿臨邊視線觀測目標層海拔高度h2處對應層編號的單層氣輝輻射光譜強度值，σh2(j′)為按照球?qū)ΨQ結(jié)構向近衛(wèi)星端前進一層的吸收系數(shù)。

28、進一步地，所述步驟400包括：

29、步驟410：將o2(a1δg)波段自吸收效應校正單層氣輝輻射光譜強度值按照觀測波長λa進行積分運算，獲得o2(a1δg)波段目標層海拔高度h1處的氣輝濃度

30、

31、其中，ea為o2(a1δg)波段愛因斯坦躍遷概率常量，λ為波長積分變量；

32、步驟420：基于kinetic光化學模型，構建o2(a1δg)波段計算臭氧濃度關系方程，計算目標層海拔高度h1的臭氧濃度

33、

34、其中，η為o2吸收能量產(chǎn)生o(3p)和o(1d)的量子產(chǎn)率常量，jh為臭氧在hartley帶的光解系數(shù)常量，a1為o(1d)最終以光子的形式釋放能量并轉(zhuǎn)移回基電子態(tài)時光化學壽命的倒數(shù)常量，k1為o(1d)最終以光子的形式釋放能量并轉(zhuǎn)移回基電子態(tài)速率常量，gira為基態(tài)分子氧在ira波段共振吸收系數(shù)，為負責電子激發(fā)態(tài)o(1d)的碰撞淬滅分子濃度常系數(shù)，為負責光激發(fā)產(chǎn)生o2(a1δg)態(tài)氧氣分子h1高度范圍內(nèi)氧氣分子濃度常系數(shù)；

35、步驟430：以自吸收效應校正項倒數(shù)校正單層觀測光譜數(shù)據(jù)集va30-90，計算獲得o2(a1δg)波段自吸收效應校正單層觀測光譜數(shù)據(jù)集ua30-90，及目標層海拔高度集合h1內(nèi)所有海拔高度臭氧濃度構建o2(a1δg)波段的目標層海拔高度臭氧濃度集合ca30-90。

36、進一步地，所述步驟500包括：

37、步驟510：將o2(b1∑+g)波段自吸收效應校正單層氣輝輻射光譜強度值按照觀測波長λb進行積分運算，獲得o2(b1∑+g)波段目標層海拔高度h2處的氣輝濃度

38、

39、其中，eb為o2(b1∑+g)波段愛因斯坦躍遷概率常量；

40、步驟520：基于kinetic光化學模型構建o2(a1δg)波段和o2(b1∑+g)波段聯(lián)合計算臭氧濃度關系方程，添加o2(b1∑+g)波段目標層海拔高度h2處的濃度項提高臭氧濃度反演精度，計算目標層海拔高度h2在70km-90km范圍內(nèi)的臭氧濃度

41、

42、其中，kσ為o2(b1σg+)最終以光子的形式釋放能量并轉(zhuǎn)移回基電子態(tài)速率常量，為負責電子激發(fā)態(tài)o2(b1σg+)的碰撞淬滅分子濃度常系數(shù)，為o2(a1δg)波段目標層海拔高度h1中70km-90km范圍內(nèi)的氣輝濃度，為負責光激發(fā)產(chǎn)生o2(a1δg)態(tài)氧氣分子h2高度范圍內(nèi)氧氣分子濃度常系數(shù)；

43、步驟530：基于kinetic光化學模型構建o2(b1∑+g)波段計算臭氧濃度關系方程，計算目標層海拔高度h2在90km-130km范圍內(nèi)的臭氧濃度

44、

45、其中，a2為o2(a1δg)波段最終以光子的形式釋放能量并轉(zhuǎn)移回基電子態(tài)時光化學壽命的倒數(shù)常量，ga為基態(tài)分子氧在a波段762nm共振吸收系數(shù)，gb為基態(tài)分子氧在b波段688nm共振吸收系數(shù)；

46、步驟540：基于o2(a1δg)波段氣輝濃度及o2(b1∑+g)波段氣輝濃度遍歷目標層海拔高度h2內(nèi)所有海拔高度值，計算目標層海拔高度集合h2內(nèi)所有海拔高度臭氧濃度然后，構建o2(a1δg)波段的目標層海拔高度臭氧濃度集合

47、

48、與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有如下技術效果：

49、(1)本發(fā)明中，通過添加o2(a1δg)、o2(b1∑+g)波段自吸收項用于計算低空臭氧濃度廓線，將校正后的單層氣輝輻射光譜強度值代入kinetic光化學模型，獲得自吸收效應校正后的中低空臭氧濃度廓線；本發(fā)明考慮到o2(a1δg)、o2(b1∑+g)波段自吸收效應校正，優(yōu)化每一目標層氣輝輻射光譜強度，消除自吸收效應導致的光譜污染，計算得到更加精確的中低空大氣臭氧廓線。

50、(2)本發(fā)明中，聯(lián)合構建o2(a1δg)波段和o2(b1∑+g)波段氣輝輻射強度模型，將o2(b1∑+g)波段用于計算高空臭氧濃度，高空臭氧濃度計算中運用kinetic中o2(b1∑+g)波段光化學模型代替o2(a1δg)波段光化學模型，獲得更加準確的高空臭氧廓線，計算得到完整臨近空間大氣臭氧廓線，在保證臭氧廓線反演范圍拓寬的同時，更加保證了計算所得臭氧廓線的準確性。

51、(3)本發(fā)明中，o2(a1δg)波段與o2(b1∑+g)波段聯(lián)合計算模型，根據(jù)kinetic光化學模型，將o2(b1∑+g)波段對臭氧濃度的貢獻考慮在內(nèi)，獲得更加準確的中低空臭氧廓線；本發(fā)明將o2(a1δg)波段與o2(b1∑+g)波段相結(jié)合，優(yōu)化kinetic光化學臭氧濃度模型，減小臭氧濃度反演誤差，計算得到更加精確的中高空大氣臭氧廓線。