(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210864173.2 (22)申请日 2022.07.21 (71)申请人 中国矿业大 学 地址 221008 江苏省徐州市大 学路1号中国 矿业大学科研院 (72)发明人 秦凯　科恩杰森 　陆凌霄　何秦　 袁丽梅　施金承　 (74)专利代理 机构 南京瑞弘专利商标事务所 (普通合伙) 32249 专利代理师 吴旭 (51)Int.Cl. G01N 33/00(2006.01) G06F 30/23(2020.01) G06F 17/18(2006.01) (54)发明名称 基于卫星观测污染气体浓度的化石燃料二 氧化碳排放计算方法 (57)摘要 本发明公开了一种基于卫星观测污染气体 浓度的化石燃料二氧化碳排放计算方法方法， 首 先使用卫星观测的二氧化氮及一氧化碳柱浓度 与气象数据计算得到两种污染气体的散度； 然 后， 使用“自下而上 ”排放清单的先验数据分别构 建出基于卫星遥感柱浓度计算氮氧化物及一氧 化碳排放量的逆模型； 通过多元线性回归求解逆 模型的系数， 计算出两者的排放量； 最后， 根据所 获得的氮氧化物及一氧化碳排放量与二氧化碳 排放量的比例关系， 分别计算出两种二氧化碳排 放量， 相互补充取优， 得到最终的二氧化碳排放 量。 本发明解决了由于二氧化碳在大气中的存活 寿命长且现有碳卫星数据的空间覆盖度有限， 导 致难以直接基于卫星观测二氧化碳浓度计算化 石燃料碳 排放量的问题。 权利要求书3页 说明书7页 附图4页 CN 115267066 A 2022.11.01 CN 115267066 A 1.一种基于卫星观测污染气体浓度的化石燃料二氧化碳排放计算方法， 其特征在于： 包括以下步骤： (1)利用TROPOMI二氧化氮对流层柱浓度观测数据和欧洲中期天气预报中心风场再分 析数据， 采用氮氧化物(NOx)与NO2比例因子计算得到NOx柱浓度平均水平通 量； (2)基于稳态连续方程， 计算 NOx柱浓度水平通 量散度； (3)利用0.1 °分辨率的中国多尺度排放清单模型数据， 进行网格转换和重采样， 删除数 据中的无效 网格， 获得0.0 5°分辨率的“自下而上 ”先验排放数据； (4)构建计算NOx的排放逆模型， 并带入步骤(1)中TROPOMI二氧化氮对流层柱浓度观测 数据作为第一、 第二项数据， 带入步骤(2)所获得的水平通量散度作为第三项数据， 带入步 骤(3)所中的中国多尺度排 放清单模型 数据作为先验排 放量； (5)利用多元线性回归逐象元地拟合求解排放逆模型中的三类系数， 并计算其概率密 度函数， 利用Bo otstrap方法获得NOx逆模型中三类系数的系数 范围； (6)利用TROPOMI一氧化碳柱浓度的观测数据， 按照(1)～(5)步骤进行同样的操作， 进 而获得CO的排 放逆模型的三类系数， 并与NOx逆模型的三类系数进行 校验优化； (7)利用所 获得的三类系数， 将卫星观测的柱浓度数据带入逆模型中， 获得最终的N Ox与 CO排放量； (8)基于MEIC获得 “自下而上 ”的年均人为源NOx与CO2排放量数据， 求算NOx与CO2排放的 转换因子； (9)利用步骤(8)所获得的排放因子， 带入步骤(7)所获得的NOx排放量， 计算求得CO2排 放量； (10)基于MEIC获得 “自下而上 ”的年均人为源CO与CO2排放量数据， 按照(8)～(9)步骤进 行同样的操作， 进 而获得CO2排放量； (11)对于步骤(9)和(10)获得的两套CO2排放量数据进行优化， 当排放量存在缺值的情 况下， 两者相互填充； 当排 放量同时存在时， 两者取均值， 求得最终的CO2排放量。 2.根据权利要求1所述的一种基于卫星观测污染气体浓度的化石燃料二氧化碳排放计 算方法， 其特征在于： 所述步骤(1)中， 利用NO2对流层柱浓度、 NOx/NO2比例因子以及风场数 据， 经过局部背景 校正求算出NO2柱浓度平均水平通 量； 其中， 风场数据选用风速为950hPa， 卫星过境时刻为当地时间13点30分， 因此使用13点 与14点的风场数据求取均值， 分辨 率经过重采样处 理后与卫星数据保持一 致； 求取NOx柱浓度水平通量时采取求取平均水平通量值能够防止NO2对流层柱浓度因风场 变化所导 致的模糊， 求取NOx通量的方程表示 为： F＝L×V×W 其中， V代表NO2对流层柱浓度， 数据经过单位换算， 单位换算为μg/m2， W代表风场， 单位 换算为m/s， L为NOx/NO2比例因子； 局部范围内的NOx/NO2比例因子会受到臭氧的影响， 因为 一氧化氮形 式的NOx无法被卫星所观测到， 一旦NO混入O3转换为NO2， NO2通量会增加， 形成一 种暂时的虚拟源； 如果将转换发生在排放源周围25公里范围内来考虑拟合区间， 则求算散 度时的总积分受到影响较少， 因此， 选取NOx/NO2比例因子L为1.32， 代表 TROPOMI卫星的典型 值。 3.根据权利要求1所述的一种基于卫星观测污染气体浓度的化石燃料二氧化碳排放计权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 115267066 A 2算方法， 其特征在于： 所述步骤(2)中， 根据稳态连续方程， 通量散度产生NOx的源和汇， 通过 NOx柱浓度平均水平 通量求解出NOx柱浓度的水平 通量散度， 计算NOx柱浓度的水平 通量散度 方程表示 为： 其中， V代表NO2对流层柱浓度， W代表风场， L为NOx/NO2比例因子， 表示对NOx平均通量 的空间导数， 代表该点向外的通量体密度， 数值空间导数能够对像元值用四阶中心有限差 法进行计算， 将像元分布按照风向分为u方向和v方向， u表示经度方向的风， 纬度相同， v表 示纬度方向的风， 经度相同， 在两个方向上分别取像元yt周围四个像元值(yt‑2， yt‑1， yt+1， yt+2)， h表示单位像元对应的距离， 采用haversine公式计算出两方 向上单位像元之间的距 离， 具体四阶中心有限差法的求解式子表示为(yt‑2‑8yt‑1+8yt+1‑yt+2)/12*h， 求得u方向和v 方向的散度， 最 终得到总散度D； E和S分别为源和汇， D大于0时， 该点则为散发通量的源， D小 于0时， 该点则为吸 收通量的汇。 4.根据权利要求1所述的一种基于卫星观测污染气体浓度的化石燃料二氧化碳排放计 算方法， 其特征在于： 所述步骤(3)中， 利用0.1 °分辨率的中国多尺度排放清单模 型数据， 根 据高值区域生成一个掩膜， 取值大于97.5％百分位值的高值区域网格作为有效网格， 重采 样获得先验排放的0.05°*0.05°网格单元数据。 5.根据权利要求1所述的一种基于卫星观测污染气体浓度的化石燃料二氧化碳排放计 算方法， 其特 征在于： 所述 步骤(4)中， 根据质量守恒原理， 构建如下估算 NOx排放的逆模型： 其中， 式中各项均转换为统一空间范围的矩阵， 由每个像元组成， x， y为像元在矩阵中 所处的位置信息， 下标i代表卫星的观测日期， C(x， y)代表卫星观测所得到的NO2 VCDs， V (x， y)代表风场， 方程中第一项代表NO2的TVCDs变 化速率对NOx排放估算的影响， 第二项代表 NOx的物理化学损失， 第三项则带入步骤(2)所获得水平通量散度作为第三项数据， 代表对 流项， 而α1， α2， α3三类系数即是根据先验排 放数据需要求 算出的三个系数 范围； 在第一项中， 表示两日卫星过境时刻气体柱浓度的变化量， 一般卫星 前后过境时间为 一天， 计算单位取 μg/m2*s时， 对第三项散度项作时间上的筛选， 去除异常值， 在散度D高值区域像元的值小于0的天 数视为无效， 并采用3倍sigma法剔除异常值； 所述步骤(5)中， 利用卫星观测所得到的NO2 VCDs数据和MEIC先验数据， 根据多元线性 回归逐象元地拟合求解排放逆模 型， 对每个月都重复回归过程， 得到α1， α2， α3三类系数以绘 制概率密度函数图， 计算Bootstrap置信区间获得NOx逆模型中三类系数的系数范围， 采用 核密度估计方法估计系 数样本的密度函数， 取KDE拟合曲线最大值点对应的系数值作为估 计值； 所述步骤(6)中， CO在求取平均水平通量时不需要使用比例因子L， 通过进行(1)～(5) 步骤同样的操作， 获得CO逆模型 中三类系数的范围， 与NOx逆模型中的三类系数进行校验优 化， 从而确定逆 模型中的三类系数。权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 115267066 A 3