一种基于逐线积分法的甲烷分子吸收系数计算方法

本发明属于大气科学，具体涉及一种基于逐线积分法的甲烷分子吸收系数计算方法。

背景技术：

1、大气甲烷浓度监测是精准评估甲烷排放的重要环节，甲烷浓度反演则是获取高精度甲烷浓度数据的关键方法，其反演结果的准确性高度依赖于模拟光谱与卫星实测光谱这两个核心输入参数，因此精确获取高质量的模拟光谱对甲烷浓度监测至关重要。在利用大气辐射传输模型进行光谱模拟时，甲烷分子吸收系数作为关键输入参数，是决定模拟光谱计算精度的关键因素之一。因此，准确计算甲烷分子吸收系数对高精度甲烷监测具有重要意义。

2、当前，气体分子吸收系数的计算仍存在一些限制和挑战：一方面，当前的计算方法通常是基于大量的实验和理论研究，且不同的方法之间仍然存在着差异和不确定性；另一方面，由于甲烷气体本身的复杂性和变化性，当前计算方法的准确性和适用性也受到了一定的限制。针对目前气体分子吸收系数计算存在的问题，相关研究学者也提出了许多方法。wang和zhang等人在《modified malkmus band model for clear-sky atmospherictransmittance calculation》中，提出了一种改进的malkmus模型，采用最小二乘法将计算的吸收系数与modtran软件包的吸收系数进行拟合，得到不同的大气模式下校正项的拟合系数，提高了malkmus模型的计算精度。2023年，朱明伟在《大气辐射吸收自动参数化方法及应用研究》中，提出以相关k分布理论为切入点，基于梯度下降法和二次序列规划开发了自动大气辐射吸收参数化算法，避免了人工操作带来的误差，提高了气体吸收计算的准确性和速度，并实现了其在卫星辐射仿真中的应用。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数据库hitran2020，结合逐行（lbl）光谱辐射计算方法，基于地球大气环境参数，利用分辨率为0.01cm-1的lbl方法，开发了一种非相关宽带k分布模型（wbk），并建立了用于计算水汽分子吸收系数的指数核拟合系数表，计算地球大气0-100km高度内的24个宽带吸收系数。

3、现有的大气分子吸收系数计算方法缺乏针对甲烷分子吸收特性的研究，在利用逐线积分方法计算分子吸收系数时，一方面没有考虑不同高度层线型因子函数影响，另一方面没有考虑中国区域复杂环境变化对甲烷分子吸收系数计算的影响，导致中国区域甲烷分子吸收系数精度低，进而导致在利用卫星遥感监测中国区域甲烷时准确性低。将其应用到大气辐射传输正演模型中，计算结果的最大mae和rmse仅为1.1×10-3和1.2×10-3；与era5再分析数据和美国标准大气模式相比，本发明所构建的大气温度和压强廓线更能表征中国不同区域的环境变化。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的上述问题，本发明提出了一种基于逐线积分法的甲烷分子吸收系数计算方法，设计合理，解决了现有技术的不足，具有良好的效果。

2、一种基于逐线积分法的甲烷分子吸收系数计算方法，包括以下步骤：

3、s1、构建中国不同地理区域的大气温度廓线和压强廓线；

4、s2、根据sentinel-5p卫星提供的大气高度分层信息选择不同高度范围的线型因子函数，利用hitran2020分子光谱数据库中不同高度层的吸收谱线强度信息，将每条吸收谱线进行积分得到标准大气环境条件下不同高度层对应的甲烷分子吸收系数；

5、s3、利用s1中的大气温度廓线和压强廓线，基于温度和压强补偿函数对标准大气环境条件下的甲烷分子吸收系数进行校正，得到实际大气环境下的甲烷分子吸收系数。

6、进一步地，所述s1中，根据气候和地形特征将中国区域划分为多个地理区域，每个区域利用uwyo探空数据中的高度、大气温度和压强数据，基于最小二乘法拟合得到各个地理区域的大气温度廓线和压强廓线。

7、进一步地，所述s2中，每个高度层的高度设置和sentinel -5p卫星中的高度设置保持一致，每个高度层对应多条吸收谱线强度信息；标准大气环境条件下，第个地理区域中第个高度层对应的甲烷分子吸收系数表达式为：

8、；(1)

9、其中，表示第个地理区域下第个高度层对应的第根吸收谱线强度，表示吸收谱线数量，表示线型因子函数，表示吸收谱线的波长，表示第根吸收谱线中心波长。

10、进一步地，当大气高度小于20km时，线型因子函数选用lorentz线型，当大气高度处于20km~50km之间时，线型因子函数选用voigt线型，当大气高度大于50km时，线型因子函数选用doppler线型。

11、进一步地，所述s3中，根据大气温度廓线得到第个高度层在不同地理区域对应的温度，采用正则化的多项拟合方法对同一高度层下不同温度的甲烷分子吸收系数进行拟合，确定第个高度层下甲烷分子吸收系数和温度之间的函数关系式为：

12、；(2)

13、其中，表示温度，、、、、表示第个高度层对应的拟合系数，表示不同温度下对应的甲烷分子吸收系数；

14、通过式(2)得到，温度和甲烷分子吸收系数是一种非线性的关系，故初步温度补偿函数的形式为：

15、；(3)

16、其中，表示不同温度下对应的甲烷分子吸收系数的修正因子，为标准大气环境得到的甲烷分子吸收系数，为标准大气温度；

17、压强补偿函数通过理想气体方程确定，表达式为：

18、；(4)

19、其中，表示实际大气压强，通过压强廓线获得；表示标准大气压强，表示不同压强下对应的甲烷分子吸收系数的修正因子；

20、经过温度和压强补偿函数校正后的甲烷分子吸收系数为：

21、；(5)

22、其中，表示经过温度和压强补偿函数校正后的甲烷分子吸收系数。

23、本发明带来的有益技术效果：

24、本发明建立了适用于中国区域的大气温度和压强廓线，更能表征中国不同区域的环境变化；改进了传统逐线积分方法中线型因子函数选择方法，并利用实际的大气温度和压强廓线，基于温度和压强补偿函数的方法对最终的计算结果进行了校正。

技术特征：

1.一种基于逐线积分法的甲烷分子吸收系数计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种基于逐线积分法的甲烷分子吸收系数计算方法，其特征在于，所述s1中，根据气候和地形特征将中国区域划分为多个地理区域，每个区域利用uwyo探空数据中的高度、大气温度和压强数据，基于最小二乘法拟合得到各个地理区域的大气温度廓线和压强廓线。

3.根据权利要求2所述的一种基于逐线积分法的甲烷分子吸收系数计算方法，其特征在于，所述s2中，每个高度层的高度设置和sentinel -5p卫星中的高度设置保持一致，每个高度层对应多条吸收谱线强度信息；标准大气环境条件下，第个地理区域中第个高度层对应的甲烷分子吸收系数表达式为：

4.根据权利要求3所述的一种基于逐线积分法的甲烷分子吸收系数计算方法，其特征在于，当大气高度小于20km时，线型因子函数选用lorentz线型，当大气高度处于20km~50km之间时，线型因子函数选用voigt线型，当大气高度大于50km时，线型因子函数选用doppler线型。

5.根据权利要求4所述的一种基于逐线积分法的甲烷分子吸收系数计算方法，其特征在于，所述s3中，根据大气温度廓线得到第个高度层在不同地理区域对应的温度，采用正则化的多项拟合方法对同一高度层下不同温度的甲烷分子吸收系数进行拟合，确定第个高度层下甲烷分子吸收系数和温度之间的函数关系式为：

技术总结本发明公开了一种基于逐线积分法的甲烷分子吸收系数计算方法，属于大气科学技术领域，首先构建中国不同地理区域的大气温度廓线和压强廓线，根据大气高度分层信息选择不同高度范围的线型因子函数，结合HITRAN2020分子光谱数据库，得到标准大气环境条件下不同高度层对应的甲烷分子吸收系数；基于温度和压强补偿函数对标准大气环境条件下的甲烷分子吸收系数进行校正，得到实际大气环境下的甲烷分子吸收系数。本发明建立了适用于中国区域的大气温度和压强廓线，更能表征中国不同区域的环境变化；改进了传统逐线积分方法中线型因子函数选择方法，并利用实际的大气温度和压强廓线，基于温度和压强补偿函数的方法对最终的计算结果进行了校正。技术研发人员：李立刚,岳娜,万勇受保护的技术使用者：中国石油大学（华东）技术研发日：技术公布日：2025/1/6