【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及区域尺度温室气体通量评估，具体为一种二维城市冠层温室气体通量评估技术。
技术介绍
1、大气中以co2、ch4和n2o等温室气体的增加有可能引起全球气温增高、降水分布变异、乃至植被分布和生产力改变、极端气候增加等一系列环境问题。
2、从传统方法的角度，ipcc自下而上(bottom-up)和自上而下(top-down)的排放清单方法均可用于计算碳源排放，但ipcc相较大气观测也有自己的一些缺陷。对于ipcc自下而上的估算方法，由于不同城市各自的特性(如城市大小、人口、能源消费结构、土地利用类型、气候类型、能源使用效率等)都可能会对估算产生较大的不确定性。
3、基于自上而下途径的大气co2观测实验为城市大气co2源的划分提供了新的思路。相较能源排放清单，大气观测具有无行政边界，高时间分辨率的特点。ipcc在2019修订版中已将基于大气温室气体监测及反演方法列入核算区域碳排放的途径之一。由于摆脱了单一传统能源数据的不确定性及统计方法上的缺陷，该途径能较好地表征区域或局地尺度下垫面与大气之间的通量状况。进一步的，基于二维箱式模型，采用高精度仪器实现城市冠层温室气体通量的估算也为本专利技术提供了技术基础。
4、传统方法的角度中，ipcc自下而上的估算方法十分依赖能源统计数据本身的准确性和全面性，大多数城市仍不具备使用这种方法的条件，此外统计口径不统一也可能产生巨大误差；因此市场急需研制一种二维城市冠层温室气体通量评估技术来帮助人们解决现有的问题。
技术实现思路<
1、本专利技术的目的在于提供一种二维城市冠层温室气体通量评估技术，以解决上述
技术介绍
中提出的传统方法的角度中，ipcc自下而上的估算方法十分依赖能源统计数据本身的准确性和全面性，大多数城市仍不具备使用这种方法的条件，此外统计口径不统一也可能产生巨大误差的问题。
2、为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种二维城市冠层温室气体通量评估技术，包括数据准备及预处理模块和通量计算模块：
3、数据准备及预处理模块：整合温室气体梯度在线观测数据、风廓线雷达数据、微波辐射计数据和地面气象站数据，并对数据进行质量控制，构建高精度数据集，具体概述如下：
4、(1)温室气体梯度监测数据的质量控制
5、s1：原始数据采集、原始数据的时间序列检查、原始数据的修订、台站值班记录信息进行观测员的质量控制和专家级的质量控制，获取初步的有效数据集；
6、s2：通过在线标定系统、采用多标气对大气观测数据进行标定和校准，并通过质量检查评估后，形成二次观测数据集；
7、s3：为应用箱式模型，引入“温室气体观测巡回对比”方式，即用同组国际可溯源标气对5个测站进行标定，采用“三点标校法”；质控后的温室气体数据满足世界气象组织(wmo)技术要求标准；
8、(2)风廓线雷达和微波辐射计观测数据的质量控制
9、风廓线雷达数据质量控制：首先使用平滑滤波算法、极小值连线法抑制地物杂波算法和谱峰搜寻算法对功率谱数据进行质量控制，其次使用一致性平均算法、中值检验算法和模式拼接算法对由谱矩参量估计生成的径向风数据进行质量控制，最后通过大量实际数据与探空气球数据进行对比验证；
10、微波辐射计数据质量控制；对微波辐射计的温湿度廓线进行质量控制；首先，对大气温(湿)廓线进行逐层的极值检查，将超过气候极值范围的数据标记为疑误，若有1层及以上的数据不能通过检查，则该条廓线被标记为疑误；其次，逐层进行时间一致性检查，用于存在(温)湿，度突变的疑误廓线，相邻时次，气象要素变化幅度应在一定范围内，若超过设定的范围则为疑误，若有一层及以上数据不能通过时间一致性检查，则廓线定为疑误廓线；第三，垂直一致性检查，针对垂直方向上可能存在野点和温度层际变化大的情况，设定温度垂直变化率的极值检查和标准差检查，超过一定设定值时，则廓线为疑误廓线；
11、地面气象站数据质控；主要通过以下步骤：格式检查、缺测检查、界限值检查、主要范围变化检查、内部一致性检查、时间一致性检查、空间一致性检查、质量控制综合分析、数据质量标识；
12、通量计算模块：本模型需要在城市尺度内建立5个及以上测站，形成十字行布局，从而开展主导风向上测站浓度差的计算；进一步结合边界层高度、风向风速进行大气温室气体垂直通量的计算；具体步骤如下：
13、s1：边界层高度的确定
14、利用风廓线雷达资料确定边界层高度：由于风廓线雷达接收的回波信号主要来自无线电折射指数的不均匀性，可以由折射率结构常数c2n表征，在边界层顶有c2n的峰值出现；本算法采用偏离度法对c2n进行求导以放大其变量特征，根据c2n廓线总体判断其连续突变或跃变特征来判断边界层高度；
15、风廓线雷达分辨率小于10min，空间分别率可低于50m，但盲区大，难以捕捉较低的边界层，需结合微波辐射计资料进行二次确定，微波辐射计对云的穿透性好，受云的干扰小，可提供不同天气条件下大气温度、湿度结构，且在低空垂直分辨率较高，可以弥补风廓线雷达低空盲区的缺陷，而其在高空分辨率低和反演误差大的缺陷则可由风廓线雷达进行弥补，二者结合可较好的确定边界层高度；
16、利用微波辐射计资料二次确定边界层高度：微波辐射计探测当有贴地逆温层存在时，边界层高度定义为贴地逆温层顶部，其他情况下定义为位温梯度最大的高度；
17、s2：主导风向风速的确定
18、主导风向是指风频最大的风向角的范围；分别统计不同时间段内不同风向出现的频率，按照风向频率最大值确定主导风向，再根据主导风向的风速进行数学平均计算，最终确定主导风向的主导风速；
19、s3：温室气体水平浓度梯度的确定
20、验证分析表明，沿风方向的浓度梯度远大于横风梯度，横风梯度较小，这个结果支持了二维箱式模型的前提：浓度梯度主要存在于沿风的方向，因为当气团穿过城市土地时，气体在气团中积累；
21、故沿风的温室气体浓度梯度揭示了地表排放源的强度；水平浓度向量梯度如下：
22、
23、水平浓度梯度确定：假设在水平三个点上测量的浓度分别为p1、p2和p3，这三个点形成一个以l为底，以h为高的三角形，水平浓度向量梯度为：
24、
25、s4：温室气体垂直通量的估算
26、计算出水平浓度梯度后，沿主导风向的区域冠层的温室气体垂直通量为：
27、
28、其中是温室气体沿主导风向的浓度差异，u为主导风向上的风速，h为边界层的高度，主导风向上的风速u由步骤s2确定，主导风向上的水平浓度梯度由由s3确定；
29、这一方案中，温室气体的观测高度因结合城市冠层高度来设计，城市冠层高度的定义为城市区域建筑的平均高度，该垂直通量的估算方法主要适用于夜间稳定边界层，可用于量化城市区域地表的温室气体收支状况。
30、优选的，所述三点标校方法原理为用仪本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种二维城市冠层温室气体通量评估技术，包括数据准备及预处理模块和通量计算模块，其特征在于：
2.根据权利要求1所述的一种二维城市冠层温室气体通量评估技术，其特征在于：所述三点标校方法原理为用仪器工作序列运行中两次相邻的己知高低浓度的标气值和实际信号响应强度，结合大气采样的信号响应强度，即可通过线性拟合计算待标定真实摩尔分数，并采用目标气的拟合值和标称值对比。
3.根据权利要求1所述的一种二维城市冠层温室气体通量评估技术，其特征在于：所述三点标校方法具体做法为基于高气(WH)和低气(WL)的两点增益和偏移校准，采用目标气(T)进行验证，样品浓度由相邻WH和WL的测量值和标称浓度线性拟合校准，定值目标气T视为“未知浓度”样品定时参与测量，若校准值与标称浓度之差在WMO规定范围内，则认为系统是稳定的，标定结果可靠，否则认为标定结果不可靠，数据予以剔除或标记。
4.根据权利要求1所述的一种二维城市冠层温室气体通量评估技术，其特征在于：所述S3：温室气体水平浓度梯度的确定中，通过三个不在一条线上的点构成的三角形，可以测量一个水平浓度梯度，在城市尺度水
5.根据权利要求1所述的一种二维城市冠层温室气体通量评估技术，其特征在于：所述S1：边界层高度的确定中采用风廓线雷达结合微波辐射计资料进行二次确定，利用微波辐射计资料二次确定边界层高度：微波辐射计探测当有贴地逆温层存在时,边界层高度定义为贴地逆温层顶部,其他情况下定义为位温梯度最大的高度。
6.根据权利要求1所述的一种二维城市冠层温室气体通量评估技术，其特征在于：所述S2：主导风向风速的确定中，主导风向角风频之和应大于等于30％。
...【技术特征摘要】
1.一种二维城市冠层温室气体通量评估技术，包括数据准备及预处理模块和通量计算模块，其特征在于：
2.根据权利要求1所述的一种二维城市冠层温室气体通量评估技术，其特征在于：所述三点标校方法原理为用仪器工作序列运行中两次相邻的己知高低浓度的标气值和实际信号响应强度，结合大气采样的信号响应强度，即可通过线性拟合计算待标定真实摩尔分数，并采用目标气的拟合值和标称值对比。
3.根据权利要求1所述的一种二维城市冠层温室气体通量评估技术，其特征在于：所述三点标校方法具体做法为基于高气(wh)和低气(wl)的两点增益和偏移校准，采用目标气(t)进行验证，样品浓度由相邻wh和wl的测量值和标称浓度线性拟合校准，定值目标气t视为“未知浓度”样品定时参与测量，若校准值与标称浓度之差在wmo规定范围内，则认为系统是稳定的，标定结果可靠，否则认为标定结果不可靠，数据予以剔除或标记。
4.根据权利要求1所...
【专利技术属性】
技术研发人员：韦芬芬，徐家平，陈燕，郭小浩，吴玥，朱锦尧，惠品宏，陈慧敏，陆家豪，徐进，
申请(专利权)人：苏州市气象局，
类型：发明
国别省市：
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