基于卫星遥感数据的高活性VOCs地面浓度反演方法技术

本发明专利技术公开了一种基于卫星遥感数据的高活性VOCs地面浓度反演方法，利用卫星遥感数据结合三维空气质量模式，计算人为源直接排放贡献的一次甲醛信息，提炼与VOCs氧化反应密切相关的二次甲醛柱浓度信息Ω

【技术实现步骤摘要】
基于卫星遥感数据的高活性VOCs地面浓度反演方法


[0001]本专利技术涉及大气污染物遥感观测
，具体涉及一种基于卫星遥感数据的高活性VOCs地面浓度反演方法。

技术介绍

[0002]近年来，我国的大气污染情况得到了很大程度的改善，各类污染物浓度显著下降，但近地面臭氧(O3)浓度仍在高位震荡，细颗粒物(PM
2.5
)污染亦常有发生，大气复合污染问题依旧严峻。挥发性有机化合物(VOCs)是O3和PM
2.5
的重要前体物，在大气复合污染形成中起着重要的作用。因此，在城市或区域范围内及时准确地掌握VOCs浓度及其变化趋势，成为了大气污染防治领域的一项重要且必要的工作。
[0003]VOCs排放源包含天然源和人为源，天然源VOCs(BVOCs)几乎来自于任何类型的植被排放，主要由异戊二烯、单萜烯等反应活性很高的组分构成；人为源VOCs(AVOCs)主要来自于化石燃料燃烧、工业过程、溶剂使用、居民生活等部门，主要由C12以下的烃类、醛类、酮类、醇类、醚类、卤代烃类构成，其中高反应活性组分(AHRVOCs，与OH自由基反应速率高于5.58
×
10
‑
12
cm3·
molecules
‑1·
s
‑1)的占比约为40％。目前，VOCs尚未纳入我国空气质量监测系统，其地面浓度的时空分布及变化趋势亦无法被及时全面地掌握，这为我国大气复合污染成因分析及科学防控带来了困难和挑战。
[0004]另一方面，大气甲醛(HCHO)是VOCs的氧化产物，可在一定程度上指征VOCs浓度水平；VOCs反应活性越高，对HCHO的转化产率越大，越能近距离为HCHO所响应。而HCHO对流层柱浓度信息可由卫星遥感技术获取，具有空间覆盖广、时间序列长的特征。为此，本专利技术提出了基于对流层HCHO卫星遥感数据进行高活性VOCs地面浓度反演的技术设想。然而，HCHO除来自VOCs氧化反应外(二次HCHO)，还来自于人为源排放的直接贡献(一次HCHO)，VOCs浓度反演应基于二次HCHO开展，故二次HCHO信息提取是本技术设想的难度之一；其次，VOCs向HCHO的转化会受气象要素、其他大气组分浓度的显著影响，从而对二次HCHO呈复杂的非线响应，该响应关系是本技术设想的难度之二。本研究专利技术将围绕上述两个问题进行重点解决和突破，以构建一种基于卫星遥感数据的高活性VOCs地面浓度反演方法。

技术实现思路

[0005]针对现有技术中存在的不足之处，本专利技术提供一种基于卫星遥感数据的高活性VOCs地面浓度反演方法，可实现大范围、长时间序列的高活性VOCs地面浓度的快速获取，提高VOCs反演技术方法的精确性，弥补现有技术方法未充分考虑HCHO柱浓度与VOCs复杂响应的局限性。
[0006]本专利技术公开了一种基于卫星遥感数据的高活性VOCs地面浓度反演方法，包括：
[0007]步骤1、使用三维空气质量模型模拟目标区域对流层不同高度CO浓度，计算CO边界层柱浓度S
CO_Down
对CO对流层柱浓度S
CO
的占比R，基于占比R和对流层CO卫星遥感柱浓度Ω
CO
构建目标区域各单位网格CO边界层柱浓度Ω
CO_Down
；
[0008]步骤2、根据土地利用类型数据，将目标区域网格划分为植被区、建成区和耕种区中的一种或多种，在建成区进行对流层HCHO卫星遥感柱浓度Ω
HCHO
与Ω
CO_Down
的线性回归，将回归系数G
i
作为人为源排放的HCHO与CO的摩尔比；
[0009]步骤3、对于建成区网格，基于G
i
和Ω
CO_Down
计算建成区人为源排放的一次HCHO柱浓度Ω
HCHO_Pri
；
[0010]步骤4、对于植被区或耕种区网格，基于植被区或耕种区网格与建成区网格的最近距离X
i
，基于X
i
对G
i
进行修正，获得相应的修正系数G
i
’
；基于G
i
’
和Ω
CO_Down
计算植被区或耕种区网格人为源排放引起的一次HCHO柱浓度Ω
HCHO_Pri
’
；
[0011]步骤5、确定区域HCHO背景浓度Ω
HCHO_Back
，将Ω
HCHO_Back
与Ω
HCHO_Pri
或Ω
HCHO_Pri
’
从Ω
HCHO
扣除，获得目标区域各单位网格与VOCs反应密切相关的二次甲醛柱浓度Ω
HCHO_Sec
；
[0012]步骤6、使用耦合大气化学反应机制的箱式反应模型，分别对AHRVOCs和BVOCs，在目标区域的气象和大气组分条件下，进行光氧化过程模拟，计算AHRVOCs和BVOCs的HCHO产率α；其中，AHRVOCs对应建成区，BVOCs对应植被区或耕种区；
[0013]步骤7、分别计算AHRVOCs和BVOCs的大气寿命，及其反应生成HCHO最大浓度的涂抹距离L，理解Ω
HCHO_Sec
对前体物VOCs的位置偏移；
[0014]步骤8、构建HCHO_Sec源汇稳态方程，调研目标区域的大气氧化剂浓度水平和相关反应速率常数，根据Ω
HCHO_Sec
计算目标区域各单位网格HRVOCs柱浓度Ω
HRVOCs
；
[0015]步骤9、在目标区域构建大气活性组分地面浓度对其对流层柱浓度的转化系数γ，基于γ和Ω
HRVOCs
计算目标区域各单位网格的HRVOCs地面浓度C
HRVOCs
。
[0016]作为本专利技术的进一步改进，在所述步骤1中，
[0017]因CO主要来自化石燃料燃烧排放，是人为源的重要标记物，故将CO作为一次甲醛HCHO_Pri的指示物。而CO化学性质稳定，大气寿命较长(1
‑
3个月)，其对流层柱浓度Ω
CO
受到了边界层下人为源排放及自由对流层内远距离输送的共同作用，故在利用Ω
CO
追溯Ω
HCHO_Pri
时，应首先提取边界层内CO柱浓度Ω
CO_Down
。在目标区域建立与卫星遥感数据网格空间分布相同的空气质量模拟系统，开展对流层不同高度CO浓度的模拟，构建CO柱浓度垂直廓线分布，在网格分辨率下累积计算CO边界层模拟柱浓度(S
CO_Down
)，并求取其对CO对流层模拟柱浓度(S
CO
)的占比R(R＝S
CO_Down
/S
CO
)。继而，基于R和Ω
CO
求取目标区域各单位网格的Ω
CO_Do本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于卫星遥感数据的高活性VOCs地面浓度反演方法，其特征在于，包括：步骤1、使用三维空气质量模型模拟目标区域对流层不同高度CO浓度，计算CO边界层柱浓度S
CO_Down
对CO对流层柱浓度S
CO
的占比R，基于占比R和对流层CO卫星遥感柱浓度Ω
CO
构建目标区域各单位网格CO边界层柱浓度Ω
CO_Down
；步骤2、根据土地利用类型数据，将目标区域网格划分为植被区、建成区和耕种区中的一种或多种，在建成区进行对流层HCHO卫星遥感柱浓度Ω
HCHO
与Ω
CO_Down
的线性回归，将回归系数G
i
作为人为源排放的HCHO与CO的摩尔比；步骤3、对于建成区网格，基于G
i
和Ω
CO_Down
计算建成区人为源排放的一次HCHO柱浓度Ω
HCHO_Pri
；步骤4、对于植被区或耕种区网格，基于植被区或耕种区网格与建成区网格的最近距离X
i
，基于X
i
对G
i
进行修正，获得相应的修正系数G
i
’
；基于G
i
’
和Ω
CO_Down
计算植被区或耕种区网格人为源排放引起的一次HCHO柱浓度Ω
HCHO_Pri
’
；步骤5、确定区域HCHO背景浓度Ω
HCHO_Back
，将Ω
HCHO_Back
与Ω
HCHO_Pri
或Ω
HCHO_Pri
’
从Ω
HCHO
扣除，获得目标区域各单位网格与VOCs反应密切相关的二次甲醛柱浓度Ω
HCHO_Sec
；步骤6、使用耦合大气化学反应机制的箱式反应模型，分别对AHRVOCs和BVOCs，在目标区域的气象和大气组分条件下，进行光氧化过程模拟，计算AHRVOCs和BVOCs的HCHO产率α；其中，AHRVOCs对应建成区，BVOCs对应植被区或耕种区；步骤7、分别计算AHRVOCs和BVOCs的大气寿命，及其反应生成HCHO最大浓度的涂抹距离L；步骤8、构建HCHO_Sec源汇稳态方程，调研目标区域的大气氧化剂浓度水平和相关反应速率常数，根据Ω
HCHO_Sec
计算目标区域各单位网格HRVOCs柱浓度Ω
HRVOCs
；步骤9、在目标区域构建大气活性组分地面浓度对其对流层柱浓度的转化系数γ，基于γ和Ω
HRVOCs
计算目标区域各单位网格的HRVOCs地面浓度C
HRVOCs
。2.如权利要求1所述的基于卫星遥感数据的高活性VOCs地面浓度反演方法，其特征在于，在所述步骤1中，目标区域各单位网格CO边界层柱浓度Ω
CO_Down
的计算公式为：Ω
CO_Down
＝Ω
CO
×
R，其中，R＝S
CO_Down
/S
CO
。3.如权利要求1所述的基于卫星遥感数据的高活性VOCs地面浓度反演方法，其特征在于，所述步骤2，具体包括：将目标区域网格系统覆盖于土地利用类型数据上，根据土地利用类型将目标区域各单位网格划分为植被区、建成区和耕种区；在建成区，使用地理加权回归算法对各单位网格的Ω
HCHO
和Ω
CO_Down
进行线性回归处理，将Ω
HCHO
作为因变量，将Ω
CO_Down
作为自变量；经过稳健性检验后，将回归系数G
i
作为人为源排放的HCHO与CO的摩尔比。4.如权利要求1所述的基于卫星遥感数据的高活性VOCs地面浓度反演方法，其特征在于，所述步骤3，具体包括：对于建成区，以城市为聚类，对各网格的G
i
回归系数进行统计分析，并依据燃烧源大气污染物排放因子数据，判断G
i
数值的可靠性；满足可靠性后，求取G
i
中位数G
i
‑
Med
；基于G
i
‑
Med
和Ω
CO_Down
计算该市建成区人为源排放的一次HCHO柱浓度Ω
HCHO_Pri
，计算公式
为：Ω
HCHO_Pri
＝Ω
CO_Down
×
G
i
‑
Med
。5.如权利要求1所述的基于卫星遥感数据的高活性VOCs地面浓度反演方法，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏巍，金鑫麟，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：