本發明涉及大氣遙感監測，具體為一種基于衛星柱濃度觀測反演區域甲烷排放的方法。
背景技術：
1、甲烷(ch4)是世界上第二大溫室氣體，貢獻25％的全球變暖，化石燃料開采燃燒和土地利用變化是其增長的主要原因。
2、目前，全球已發射多顆衛星用以監測ch4濃度的變化。然而，一方面衛星不能直接量化ch4排放強度。另一方面，在區域尺度上量化排放面臨提升分辨率的挑戰，并且易受區域邊界ch4濃度誤差的影響。為此，提出了一種基于衛星柱濃度觀測反演區域甲烷排放的方法。
3、本背景技術所公開的上述信息僅僅用于增加對本發明背景技術的理解，因此，其可能包括不構成本領域普通技術人員已知的現有技術。
技術實現思路
1、本發明旨在至少解決現有技術中存在的全球雖已發射多顆衛星監測ch4濃度，但面臨無法直接量化排放強度和區域尺度上分辨率不足、邊界誤差等技術問題之一。為此，本發明的一個目的在于提出一種基于衛星柱濃度觀測反演區域甲烷排放的方法，在考慮區域邊界ch4濃度誤差的影響下，實現在區域尺度上衛星對地面甲烷排放變化的監測。
2、為實現上述目的，本發明提供如下技術方案：
3、一種基于衛星柱濃度觀測反演區域甲烷排放的方法，包括以下步驟：
4、步驟1、修改cmaq區域大氣化學傳輸模型，添加ch4物種作為痕量氣體來模擬大氣傳輸過程，修改cmaq中的初始條件模塊和邊界條件模塊，使其能夠對ch4進行集合模擬；
5、步驟2、基于cmaq區域大氣化學傳輸模型和enkf反演算法，構建高分辨率嵌套式排放反演系統；
6、步驟3、利用衛星ch4柱濃度數據，糾正waccm模式模擬的全球ch4濃度場，為cmaq區域模擬提供優化的初始場和邊界場，減少邊界誤差對排放反演的影響；
7、步驟4、通過高斯隨機擾動先驗ch4排放得到先驗集合樣本，輸入cmaq大氣模型中進行ch4濃度集合模擬，進一步匹配和同化對應位置、時間的衛星柱濃度數據得到模擬的ch4柱濃度集合，結合上述數據和各自的誤差信息，輸入反演系統中得到優化的ch4排放；
8、步驟5、采用兩步優化策略，將優化后的排放重新輸入到cmaq模型中進行前向模擬，生成當前同化窗口的內層高分辨率區域的邊界場和下一個同化窗口優化的初始場，同時，將優化的排放作為下一個窗口的先驗排放；
9、步驟6、基于步驟5中優化的邊界場，采用嵌套反演策略，重復步驟5進行內層高分辨率區域ch4排放反演，最后，重復步驟5和6進行逐天循環同化。
10、作為本發明的進一步優化方案，在步驟2中，所述構建enkf通量反演系統包括：
11、步驟201、enkf通過擾動先驗排放來代表其不確定性，采用蒙特卡羅方法生成先驗排放的集合樣本；
12、步驟202、計算背景誤差協方差，公式為：
13、
14、其中，代表集合樣本平均；
15、步驟203、對衛星觀測數據進行質控，計算觀測誤差；
16、步驟204、同化窗口及局地化方案，同化窗口設為1天，集合大小設為50，采用gaspari-cohn函數作為局地化函數，局地化尺度設為300km，并僅對和濃度相關性顯著(p>0.05)的排放網格進行優化；
17、步驟205、在獲得狀態向量的集合之后，cmaq通過集合模擬，以便在模型中通過狀態向量的每個集合樣本傳遞這些誤差。
18、作為本發明的進一步優化方案，在步驟201中，生成先驗排放的集合樣本所使用的公式為：
19、
20、其中，b代表背景場，i是擾動樣本的標識符，n是集合大小，δx表示隨機擾動樣本，將樣本添加到先驗排放中，以產生輸入到cmaq中的集合樣本是根據平均值為零和標準差為排放不確定性的高斯分布提取每個網格中先驗排放的擾動。
21、作為本發明的進一步優化方案，在步驟203中，對衛星觀測數據進行如下處理：
22、步驟2030、僅篩選qa_value>0.5的數據被同化；
23、步驟2031、將數據重采樣到區域尺度模型網格分辨率，并對同一網格下多個衛星觀測進行加權處理；
24、步驟2032、觀測誤差根據衛星數據文件給定精度估算。
25、作為本發明的進一步優化方案，在步驟205中，結合觀測向量y，優化的排放通過最小化分析方差更新：
26、
27、其中，h為觀測算子，將模型狀態變量從模型空間轉換到觀測空間，可實現對衛星數據的直接同化，代表排放集合樣本的平均值，pb是基于排放集合估計的背景誤差協方差矩陣，和觀測誤差協方差r決定對最終分析場的相對貢獻，pbht包含模擬濃度的不確定性對排放不確定性的響應，在每個同化窗口中，作為ch4排放的最優估計，觀測算子作為同化系統與衛星數據的轉換接口；
28、根據cmaq模式分層模擬的ch4濃度進行壓強權重加權并插值到衛星的垂直分層來計算模擬的柱濃度數據
29、
30、其中，n為衛星檢索層數，ai為衛星層數i的柱平均核，vch4apriori代表先驗ch4柱濃度，xch4ref,i代表模式模擬所對應衛星第i層的混合率，vairdry,ref和δvairdry,ref分別代表模擬的總的以及各分層的干空氣柱。
31、作為本發明的進一步優化方案，在步驟3中，供優化的初始場和邊界場的具體步驟為：
32、步驟301、首先，根據上述公式將waccm分層模擬濃度換算成與衛星數據可比較的柱濃度；
33、步驟302、質控后的衛星數據在時空上通常存在缺失值，為計算缺失值所在網格的模擬偏差，將步驟301中計算的模擬柱濃度和觀測的柱濃度進行徑向、緯向和時間尺度平滑處理，進一步計算緯向平均值以及模擬和觀測的平均偏差，然后采用線性插值處理填補徑向上的偏差缺失值，對于同一緯向上的缺失值所在網格的偏差假設和該緯向非缺失值的平均偏差一致，最終對waccm模擬的原始ch4濃度進行逐網格偏差糾正，達到為區域尺度反演提供優化的初始和邊界場目的。
34、與現有技術相比，本發明的有益效果是：
35、本發明通過創新的算法與程序構建的高分辨率區域甲烷排放反演系統，能夠直接同化衛星柱濃度數據，顯著降低ch4排放估算不確定性，并提高ch4模擬的精度。同時，該系統在ch4排放監測與評估方面具有顯著優勢，對實現“碳中和”具有重要應用價值。
36、上述概述僅僅是為了說明書的目的，并不意圖以任何方式進行限制。除上述描述的示意性的方面、實施方式和特征之外，通過參考附圖和以下的詳細描述，本發明進一步的方面、實施方式和特征將會是容易明白的。
1.一種基于衛星柱濃度觀測反演區域甲烷排放的方法，其特征在于，包括以下步驟：
2.根據權利要求1所述的一種基于衛星柱濃度觀測反演區域甲烷排放的方法，其特征在于：在步驟2中，所述構建enkf通量反演系統包括：
3.根據權利要求2所述的一種基于衛星柱濃度觀測反演區域甲烷排放的方法，其特征在于：在步驟201中，生成先驗排放的集合樣本所使用的公式為：
4.根據權利要求2所述的一種基于衛星柱濃度觀測反演區域甲烷排放的方法，其特征在于：在步驟203中，對衛星觀測數據進行如下處理：
5.根據權利要求2所述的一種基于衛星柱濃度觀測反演區域甲烷排放的方法，其特征在于：在步驟205中，結合觀測向量y，優化的排放通過最小化分析方差更新：
6.根據權利要求1所述的一種基于衛星柱濃度觀測反演區域甲烷排放的方法，其特征在于：在步驟3中，供優化的初始場和邊界場的具體步驟為：