一种高效计算高光谱分辨率红外大气辐射传输的方法

传统的大气辐射传输计算方法受计算资源和效率的限制已无法满足星载高光谱分辨率红外大气遥感资料处理的需要,基于单色波长辐亮度计算加权组合的方法,开发了一种快速准确的高光谱分辨率红外大气辐射传输的计算模型FFRTM_IR.利用FFRTM_IR模型,针对研制中的FY-3D红外高光谱大气探测仪(HIRAS)的光谱指标,模拟计算了仪器的观测通道亮温,并用独立样本对模拟亮温进行了验证和比较,结果显示:FFRTM_IR对HIRAS所有通道的模拟亮温偏差均小于0.06 K,标准差有效控制在0.1 K以内;在同等计算精度下,FFRTM_IR的计算速度略快于目前国际上通用的快速辐射传输计算模型CRTM.利用FFRTM_IR模型,采用解析计算方法可以进一步得到温度廓线、水汽廓线、二氧化碳、臭氧廓线以及地表参数的雅克比矩阵,计算结果与扰动法计算结果一致性较好,有较高的计算精度.计算和分析结果表明,初步建立了一种高效的红外大气辐射传输计算模型,可用于星载高光谱红外大气探测仪器的观测仿真和资料处理.

用卫星资料分析中国区域CO柱总量时空分布特征

该文利用国际先进在轨星载探测仪器SCIMACHY/ENVISAT和MOPITT/TERRA的一氧化碳(CO)柱总量观测资料,比较两个载荷的观测结果发现,二者在陆地区域的观测数据一致性较好,且与我国本底站近地面观测结果有比较一致的时间变化态势,表明CO柱总量卫星观测值可以很好地反映其在我国大气中的时空分布特性。利用MOPITT长时间的观测数据(2000年3月—2009年2月)对中国区域CO柱总量时空分布特性进行了分析,研究结果显示:我国东部地区CO柱总量显著高于西部地区,两个地区的CO柱总量年平均值9年内均呈上升态势,西部地区平均年增长率是千分之一的量级,东部地区年增长率约为1.0%。中国区域CO柱总量分布随季节变化显著,春季CO柱总量平均值最高,但是CO柱总量最小值,在东部地区出现在夏季,而西部地区出现在秋季。

短波红外三维亚像元低层水云散射效应对二氧化碳反演的影响分析

由于大气短波红外辐射传输散射的复杂性,目前二氧化碳物理反演算法通常假定为晴空平面平行大气.然而通常的云检测算法难以识别视场内亚像元低层水云存在的场景,直接影响了二氧化碳遥感产品的精度.本文基于三维矢量辐射传输计算方法模拟了三维亚像元水云在短波红外1.6μm波段的散射效应,并估算了忽略此散射效应可能引入的二氧化碳反演偏差.结果表明:1.6μm波段云区表现为强反射特征,阴影区表现为减弱特性.忽略三维云散射后,云区视场辐射模拟结果偏低,且相对偏差量随地表反射率的减小、太阳天顶角的升高和云层光学厚度的增大而增大;而阴影区辐射模拟结果将偏高,相对偏差量随太阳天顶角升高、云层光学厚度的增大而增大;在云区和阴影区吸收通道都表现了相对更大的偏差.估算结果显示在低反射率、高太阳天顶角和高云层光学厚度场景中,晴空平面平行假设可能引入高达10~15 ppmv反演误差,远高于观测需求.如何剔除三维云散射影响的观测,或者在反演算法中修正三维云散射效应对于提高二氧化碳反演精度将非常重要.

预氧化联合激活剂促进微生物长效降解土壤中烷烃的研究

微生物降解是一种修复石油污染土壤中烷烃的技术,但该技术易受环境条件影响,修复效率较低。为找到一种使土壤微生物能够长期有效降解烷烃的方法,进行了预氧化联合微生物激活剂降解土壤中烷烃的研究,其中利用芬顿反应进行预氧化,微生物激活剂由葡萄糖和乙酸共同组成。通过激活组(预氧化结合激活剂)、非激活组Ⅰ(仅添加激活剂,不进行预氧化)、非激活组Ⅱ(仅进行预氧化,不添加激活剂)和空白组4种不同处理方法,探究石油污染土壤微生物的数量、呼吸活性、种群变化对烷烃降解效果的影响。结果表明:激活组中烷烃半衰期只需64 d,比非激活组Ⅱ缩短了333 d,其烷烃降解率长期维持较高值,其中0~20 d、20~40 d和40~60 d的降解率分别为14.23%、17.93%和15.73%,且每20 d的烷烃降解量均维持在1500 mg/kg以上。然而其他3组的烷烃降解率随着时间推移而显著降低,40~60 d时烷烃降解率最高仅有5.50%。预氧化后土壤中类腐殖酸和类富里酸的荧光标准积分体积分别是土壤氧化前的2.80倍和3.82倍,预氧化促进了土壤微生物的快速增长。在添加乙酸和葡萄糖后土壤微生物被激活,激活剂的利用率分别达到88.06%和91.38%,其土壤微生物呼吸活性(以每kg土壤中微生物产生CO_(2)的物质的量计,下同)维持在5.00 mol/kg以上,而非激活组的土壤微生物呼吸活性在40~60 d时最高只达到2.12 mol/kg。此外,激活组的石油降解菌数量(以每g土壤中含有的石油降解菌数量计)在后期超过了9.00 lg(CFU/g),形成了芽孢杆菌属、不动杆菌属、微杆菌属、链霉菌属和水杆菌属5种优势菌属,而非激活组最多只形成了3种优势菌属。研究显示,微生物长效降解土壤中的烷烃主要由其呼吸活性、石油降解菌数量、优势菌属数和营养利用率驱动。研究结果为解决土壤石油污染问题提供了一种经济有效的方法。

沙尘气溶胶卫星遥感现状与需要关注的若干问题

沙尘暴是全球干旱、半干旱地区特有的一种灾害性天气,所产生的沙尘气溶胶是全球气溶胶系统重要组成部分,对全球环境、天气、气候和生态有复杂的影响。沙尘气溶胶作为一种吸收性气溶胶,对太阳辐射有着较强的吸收,还能通过加热大气、改变大气稳定度、蒸发云滴、减少云量等"半直接方式"影响气候。卫星遥感对沙尘气溶胶的监测具有独特的优势,是全球沙尘研究的重要手段。本文系统整理和介绍了目前常用的可见近红外、热红外、被动微波、紫外和主动激光测量等五类卫星遥感沙尘气溶胶的主要方法,在总结典型遥感仪器和主要产品基础上,讨论了遥感产品的定量精度和地面验证问题,结合辐射传输理论模拟了可见近红外和热红外的卫星观测,探讨了可见近红外遥感的地表反照率影响和热红外高光谱遥感的波段选择问题,最后对未来的一些研究重点进行了展望。

特低渗透油藏二氧化碳近混相驱试验研究

针对特低渗透油藏CO_2驱混相难的问题,运用室内实验、油藏工程和数值模拟方法,研究了特低渗透油藏实现CO_2近混相驱的方法,结合生产动态分析,总结了CO_2近混相驱的生产特征。研究结果表明:通过优化油藏工程方案设计,特低渗透扶杨油层能够实现CO_2近混相驱,目标区块的注入能力强、产量高,开发效果也明显好于同类油层水驱区块;储层流动单元是影响油井受效程度的主要因素,裂缝和储层物性好的高渗条带是CO_2黏性指进的重要因素。研究结果对特低渗透油田开展CO_2驱有借鉴意义。

云层对卫星遥感大气CO的影响与修正方法研究

研究云层对卫星遥感大气CO精度的影响,并以SCIAMACHY观测为例,详细论述一种云层影响的修正方法。修正过程中,采用朗伯云模型,全面考虑云层覆盖率、云顶高度和地面反射率的影响。将云层影响修正前后的卫星CO反演结果与地基FTIR测量值进行对比,发现修正云层影响后,两者的测量相关性明显提高。实验结果表明,提出的云层影响修正方法可明显提高卫星遥感大气CO的精度。

卫星高光谱大气CO_2探测精度验证研究进展

卫星高光谱大气CO_2遥感探测对全球气候变化研究意义重大,卫星CO_2反演产品的地基观测验证是获得产品精度评价、发现算法可适用范围和局限性的重要环节,因此地基高光谱CO_2的观测验证研究对提高卫星产品定量精度至关重要。本文综述了当前国际上大气CO_2探测卫星的研制进展,短波红外大气CO_2的反演方法进展,重点阐述了地基高光谱CO_2探测技术进展及其对卫星大气CO_2的定量探测精度验证方法和技术研究进展,并对该研究领域未来的发展提出展望。

光学厚度预报因子对风云四号卫星扫描辐射计红外通道快速正演精度的影响分析

快速辐射传输模式利用光学厚度预报因子与卫星通道光谱特征系数可实现通道透过率的快速计算,并达到与逐线积分模式相当的正演精度.针对FY-4 AGRI的6个红外通道,分别建立了基于RTTOVv7、v8、v9和CRTMv2.1(以下简称四种模式)光学厚度预报因子的快速正演算子,与逐线积分模式的结果对比,分析了四种快速正演算子中均匀混合气体、水汽线吸收和水汽连续吸收预报因子对正演误差的影响.分析表明,四种快速正演模式计算通道亮温与逐线模式结果相比,在温度探测通道的最大标准差要小于0.6K.v9模式在水汽和温度通道的正演误差远小于其他三个模式;四个模式在窗区通道的误差基本相当.v9模式预报因子中,引入实时大气与参考大气的整层离差减小了均匀混合气体光学厚度的正演误差.

针对SCIAMACHY探测器问题的CO柱浓度反演算法改进与地基验证

搭载于ENVISAT卫星上的SCIAMACHY是目前唯一采用近红外波段观测大气温室气体(CO2,CH4,CO)的高光谱传感器.与其它热红外卫星传感器如AIRS、MOPITT、IASI等相比,SCIAMACHY用于CO探测的近红外波段对与人类活动密切相关的底层大气具有更高的敏感性.但无论从光谱角度(该波段CO吸收强度较弱,且存在很强的CH4和H2O重叠吸收),还是从SCIAMACHY仪器问题的角度(近红外波段探测器容易出现结冰现象),都给CO反演带来很大的挑战.由于探测器结冰问题造成SCIMACHY CO反演误差高达100%,并且该误差随时间和空间而变化.多个研究机构发展了各种不同的算法用于该误差的校正,但校正结果的时间一致性较差.本文基于IMAP-DOAS的CO反演算法,发展了一种针对SCIAMACHY探测器结冰问题的新校正算法,校正后的CO柱浓度反演误差以及时间一致性都比较理想,并与不同地基FTIR观测结果进行了对比,对比结果表明该校正算法的CO反演结果与地基观测一致性较好,相对偏差由校正前的60%减小到了5%,能够准确地获得CO的时空变化信息.经过校正后的CO柱浓度结果不仅可以用于准确获得CO排放源与汇的时空分布信息,还可以为政府部门制定碳减排相关政策提供重要参考,有效控制全球温室效应.

基于FY-3/IRAS利用非线性模式反演OLR

FY-3系列卫星星载IRAS仪器设有26个通道,其中20个通道用于探测地球大气在红外波段的热辐射,通道辐射率代表了地球大气系统在大气顶的向外辐射光谱信息,与总波段的射出长波辐射(OLR)通量相关性高。该文基于逐线辐射传输模式计算软件LBLRTM对全球2521条大气廓线的大气顶射出辐射率模拟数据,计算了每条廓线的OLR和FY-3B/IRAS,FY-3C/IRAS通道辐射率,用统计回归方法建立了利用IRAS的多通道辐射率计算OLR的非线性理论回归模式;应用模式和FY-3B/IRAS,FY-3C/IRAS的L1级数据,处理得到2016年4月1—30日的全球日平均、月平均OLR格点产品。与Aqua/CERES,Terra/CERES仪器宽波段观测OLR产品对比表明:对于水平分辨率为1°×1°的全球月平均OLR格点产品,均方根误差为2.22 W·m^(-2),相关系数为0.9982 W·m^(-2),平均偏差为一0.2 W·m,表明FY-3/IRAS仪器定标及反演模式均达到较高水平。文中还回顾了历史上不同气象卫星的多种OLR反演算法模式,并对不同模式精度进行了比较。

改进的FY-3B/VIRR OLR反演模式及其应用效果

FY-3B卫星VIRR仪器的向外长波辐射(outgoing long-wave radiation,OLR)产品处理采用与NOAA/AVHRR相同的算法模型,即用窗区通道亮温-通量等效亮度温度的回归关系式计算OLR,但两星的OLR业务产品与目前国际质量最好的云和地球辐射能量系统(cloud and earth’s radiant energy system,CERES)仪器观测OLR产品相比,存在约10 W·m^(-2)的系统负偏差。FY-3B的原因在于OLR反演模式建立过程中红外辐射传输计算软件的精度不够。鉴于此,本文采用美国21世纪开发的逐线辐射传输模型计算软件(LBLRTM),模拟计算了全球2521条大气廓线的大气顶辐射率光谱,在此基础上计算了每条廓线的OLR和FY-3B/VIRR窗区通道亮温,应用最小二乘法统计回归模拟数据,重新建立了由FY-3B/VIRR窗区通道亮温计算OLR的回归关系式及系数。模式应用于FY-3BL1级数据,处理2016年1,3,7和10月的FY-3B逐日全球OLR资料,该资料与AQUA-TERRA卫星的CERES仪器OLR观测产品相比,得到日平均OLR:RMSE=9~15 W·m^(-2),R=0.9834,Bias=-0.3W·m^(-2);月平均OLR:RMSE=4~7W·m^(-2),R=0.9915,Bias=-0.3W·m^(-2),表明改进的模式能处理出无系统偏差的、精度基本与CERES观测相当的OLR产品,尽管单通道反演算法有着固有的模式回归误差。

高炉炼铁中数据驱动建模及生产智能化升级分析

针对数据驱动建模的应用效果较差,炼铁平台缺乏数字化的问题,提出了局部感知增强的特征、时间注意力模型,优化了数据驱动建模,具有良好的铁水硅含量预测效果,对工业互联网平台架构进行分析,借助工业平台智能化的升级,可保障炼铁过程更高效平稳的进行,以期促进钢厂的发展。

包钢1^#高炉中修开炉达产实践

文章对包钢1#高炉(2 200 m3)开炉及达产的生产操作经验进行了总结。在开炉生产中,由于选择合适的开炉料,采用全焦开炉,制定合理的操作制度,操作调剂得当,实现了顺利开炉和快速达产。

提高城市防御火灾能力的对策

本文基于笔者近年来从事建筑火灾工程的鉴定与修复加固工程实践,根据目前我国成都市火灾的起火原因和部位以及发生火灾的规律,结合我国城市建筑物中的大量火灾隐患问题,提出了如何提高城市建筑防御火灾的能力的对策,供社会各界参考。

基于梯度提升树的大气分层透过率快速计算方法

大气透过率的计算是红外辐射传输计算的核心,RTTOV(Radiative Transfer for TOVS)通过建立大气廓线中温度、水汽、臭氧和其他气体浓度等参数与卫星通道透过率的统计关系,可实现卫星通道透过率和大气顶辐射率的快速准确计算。但在一些复杂吸收波段,如水汽波段,RTTOV的计算误差较大。为提高RTTOV在水汽敏感波段的计算精度,利用机器学习中的梯度提升树(Gradient Boosting Tree,GBT)方法,选取从ECMWF(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts)的IFS-137(The Integrated Forecast System,137-level-profile)廓线集中挑选的1406条廓线和由此计算的透过率真值作为样本,选取风云三号气象卫星上搭载的红外分光计(Infra Red Atmospheric Sounder,IRAS)通道12(7.33μm)进行个例研究,分别建立陆地和海洋晴空大气等压面至大气层顶透过率的快速计算模型(GBT模型)。通过和透过率、亮温真值的比较,验证了GBT模型。比较结果显示,GBT模型预测的透过率平均绝对误差(Mean Absolute Error, MAE)为:陆地0.0012,海洋0.0009;均方对数误差(Mean Squared Logarithmic Error,MSLE)为:陆地0.0215,海洋0.0095,均小于RTTOV直接计算的透过率的误差(陆地、海洋的MAE分别比RTTOV小0.0008和0.0010,MSLE分别比RTTOV小0.0135和0.0227);由GBT模型计算的亮温MAE分别为:陆地0.0949 K,海洋0.0634 K,均方根误差(Root Mean Square Error,RMSE)分别为:陆地0.1352 K,海洋0.0831 K,也都小于RTTOV直接模拟的晴空亮温误差(陆地、海洋的MAE分别比RTTOV小0.1685 K和0.1466 K,RMSE分别比RTTOV小0.1794 K和0.1685 K)。本研究的结果表明,在IRAS红外水汽波段,GBT预测的透过率和亮温误差比RTTOV小。机器学习有提高水汽波段正演精度的潜力,或可为辐射传输的快速计算提供可行的替代方法。

GOSAT卫星二氧化碳遥感产品的验证与分析

本文利用全球地基二氧化碳柱浓度观测站点(Total Carbon Column Observing Network,TCCON)18个站点CO_2地基观测数据对GOSAT(Greenhouse gases Observing Satellite)2009—2017年的大气CO_2遥感反演产品进行验证分析,结果显示卫星CO_2遥感产品与地基遥感观测结果较为一致,在东亚、北美、欧洲和大洋洲四个区域内卫星遥感产品与地基观测的平均偏差分别为2. 23±2. 69、2. 19±2. 19、2. 01±2. 49、1. 59±1. 79 ppm,相关系数不低于0. 75。卫星在30°S～60°N范围内的产品精度较高,而在高纬地区产品精度稍低。本文进一步利用GOSAT L2 XCO_2遥感反演产品对全球大气CO_2的长时间序列变化进行了分析,结果表明2009—2017年全球大气CO_2浓度呈持续上升趋势,全球年平均增长率为2. 22 ppm·a^(-1),增长较快的国家和地区包括中国、美国、印度和非洲,受与厄尔尼诺有关的自然排放影响,2016年相对上一年的增长量最多,年均CO_2绝对增量在3 ppm以上。

FY-3 IRAS水汽通道亮温正演精度改进方法

卫星大气探测仪器的正演模拟是卫星资料同化和定量遥感的基础,同CO_2吸收通道相比,目前红外水汽探测通道的亮温正演模拟误差较大。利用国际上通用的TIGR(thermodynamicinitial guess retrieval database)43廓线库作为训练样本,NESDIS(national environment satellite,data and information service)35廓线库作为独立检验样本,对水汽廓线按照整层大气水汽总量为阈值进行分组训练,基于RTTOV(radiative transfer for TOVS)模型训练获得风云三号气象卫星红外分光计的正演回归系数并模拟计算观测亮温。以0.045 kg·m^(-2)作阈值进行分组训练为例,结果表明:该方法可有效改进水汽通道亮温的正演精度,特别是对低水汽含量廓线的模拟精度改进比较明显,最大可达0.17 K。进一步分析表明:分组训练方法改进水汽通道辐射模拟精度的原因是提高了水汽光学厚度的计算精度。

卫星探测通道晴空大气吸收透过率快速计算研究进展

大气透过率计算是辐射传输模拟的核心,快速、精确的卫星通道透过率计算方法在卫星资料仿真与反演、卫星资料同化等领域有极大的应用价值.本文综合论述了卫星通道透过率快速模拟技术的研究进展,内容包括基于Taylor展开、最优光谱采样、主分量分析以及机器学习理论等方法的论述,分析了不同代表性模型的基本原理、模拟精度以及存在的问题.在快速透过率模拟的订正方面,本文分析了云水吸收对卫星微波通道透过率的订正,并对模拟透过率的直接订正、辐射传输的光学路径订正、通道光谱中的气体重叠吸收订正以及气体连续吸收订正等方面进行了分析和讨论.本文还论述了我国在卫星通道透过率快速模拟和透过率订正技术的研究进展及存在的问题.指出,快速透过率模拟的首要应用对象是变分框架下的卫星通道辐射资料同化,其本质是把基于吸收强度、谱线线型等复杂物理过程转化为在数学空间高度线性化的计算方法.基于Taylor展开和基于最优光谱采样方法,快速计算有效层光学厚度是当前主流的卫星通道透过率快速计算途径.而如何重新定义不依赖于卫星天顶角的预报因子、将更多的可变气体从均匀混合气体中分离出来,以及定义充分而又具有足够伴随精度的预报因子集合、卫星观测倾斜路径的射线追踪订正等技术是进一步提高卫星观测模拟精度的关键所在.基于上述分析,本文最后还提出我国当前和未来卫星通道透过率快速仿真正演的发展前景.

基于微电极幅度差地震波形特征指示反演技术研究及应用

大庆油田以非均质薄差储层发育为主,综合含水率达95%,高含水层主要为2 m左右的河道砂体,且是挖潜的主力油层,井间储层预测不准,严重影响了剩余油的挖潜。为提高储层预测精度,研发基于微电极幅度差的波形特征指示反演方法,改变以密度或波阻抗为核心的传统反演方法,由于纵向分辨率高、对砂泥岩敏感性强,预测砂体顶底清晰,位置、厚度都接近测井识别结果。利用该反演方法连片型河道砂体预测精度为75.5%,提高了3.1个百分点;连续型带状分流河道砂体预测精度为75%,提高了3.0%;连续及断续共存型枝状分流河道砂体预测精度为80.6%,提高了3.2%,取得较好效果。