基于遥感资料同化的海气碳通量重构方法、系统及装置

技术领域

本发明涉及海气测量领域，尤其涉及一种基于遥感资料同化的海气碳通量重构方法、系统及装置。

背景技术

海洋与大气之间的能量及物质交换是生物地球循环的重要研究内容，在相互制约的海洋系统中，海气碳通量是实现海洋与大气之间相互作用的重要途径，大气中的碳很大一部分以二氧化碳的形式进入海洋，同时海气碳通量表示了海洋与大气之间的能量交换幅度，在一定程度上影响了全球气候变化，因此对海气碳通量的研究具有重要的现实意义。

截止目前，在现有技术中海洋碳通量的常规观测方法主要有遥感、箱法及直接测量法等，基于遥感的观测方法通过观测大气二氧化碳含量的变化情况计算碳通量，但是此种方法无法直接观测且所得的海气碳通量相关数据容易受天气影响，存在数据缺失的情况；基于箱法的观测精度受测量仪器影响较大，测量范围小且误差较大；直接测量法无法进行长期原位的海气碳通量观测。

因此，目前海气碳通量的计算方式存在局限性导致计算结果非常不精准，因此对海洋数据的相关研究造成严重影响。

发明内容

本发明针对现有技术中的缺点，提供了一种基于遥感资料同化的海气碳通量重构方法、系统及装置。

为了解决上述问题，本发明通过下述技术方案得以解决：

一种基于遥感资料同化的海气碳通量重构方法，包括以下步骤：

基于海洋碳影响因素，构建三维碳循环模型，其中，海洋碳影响因素包括溶解无机碳、溶解有机碳及颗粒有机碳；

获取海洋盐度数据，基于海洋总碱度及海洋盐度数据，构建海洋总碱度参数化模型；

获取遥感二氧化碳分压数据，将遥感二氧化碳分压数据及海洋总碱度参数化模型耦合至三维碳循环模型中，得到模拟二氧化碳分压模型，进而得到二氧化碳分压数据；

基于二氧化碳分压数据，得到海气界面间二氧化碳分压差，基于海气界面间二氧化碳分压差构建模拟海气碳通量模型，进而得到海气碳通量数据。

作为一种可实施方式，所述构建海洋总碱度参数化模型，包括以下步骤：

基于海洋盐度数据，对海洋总碱度进行多项式拟合，通过平衡参数量及拟合精度之间的关系，得到海洋总碱度参数化模型，表示如下：

其中，

作为一种可实施方式，所述将遥感二氧化碳分压数据及海洋总碱度参数化模型耦合至三维碳循环模型中，得到模拟二氧化碳分压模型，进而得到二氧化碳分压数据，包括以下步骤：

基于遥感二氧化碳分压数据与三维碳循环模型中溶解无机碳线性模型进行同化，得到溶解无机碳变化模型；

基于碳酸-碳酸盐系统平衡方程并结合海洋总碱度，得到海洋总碱度参数；

基于海洋总碱度参数及溶解无机碳变化模型，建立模拟二氧化碳分压模型，得到二氧化碳分压数据。

作为一种可实施方式，所述溶解无机碳变化模型，表示如下：

其中，

作为一种可实施方式，所述模拟二氧化碳分压模型，表示如下：

其中，

作为一种可实施方式，所述海气界面间二氧化碳分压差，通过以下计算方式得到：

所述模拟海气碳通量模型，表示如下：

其中，

一种基于遥感资料同化的海气碳通量重构系统，包括海洋碳模型建立模块、碱度模型构建模块、分压数据计算模块及海气碳通量计算模块；

所述海洋碳模型建立模块，基于海洋碳影响因素，构建三维碳循环模型，其中，海洋碳影响因素包括溶解无机碳、溶解有机碳及颗粒有机碳；

所述碱度模型构建模块，获取海洋盐度数据，基于海洋总碱度及海洋盐度数据，构建海洋总碱度参数化模型；

所述分压数据计算模块，获取遥感二氧化碳分压数据，将遥感二氧化碳分压数据及海洋总碱度参数化模型耦合至三维碳循环模型中，得到模拟二氧化碳分压模型，进而得到二氧化碳分压数据；

所述海气碳通量计算模块，基于二氧化碳分压数据，得到海气界面间二氧化碳分压差，基于海气界面间二氧化碳分压差构建模拟海气碳通量模型，进而得到海气碳通量数据。

作为一种可实施方式，所述分压数据计算模块，被设置为：

基于遥感二氧化碳分压数据与三维碳循环模型中溶解无机碳线性模型进行同化，得到溶解无机碳变化模型；

基于碳酸-碳酸盐系统平衡方程并结合海洋总碱度，得到海洋总碱度参数；

基于海洋总碱度参数及溶解无机碳变化模型，建立模拟二氧化碳分压模型，得到二氧化碳分压数据；

其中，所述溶解无机碳变化模型，表示如下：

其中，

其中，所述模拟二氧化碳分压模型，表示如下：

其中，

一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如下所述的方法：

基于海洋碳影响因素，构建三维碳循环模型，其中，海洋碳影响因素包括溶解无机碳、溶解有机碳及颗粒有机碳；

获取海洋盐度数据，基于海洋总碱度及海洋盐度数据，构建海洋总碱度参数化模型；

获取遥感二氧化碳分压数据，将遥感二氧化碳分压数据及海洋总碱度参数化模型耦合至三维碳循环模型中，得到模拟二氧化碳分压模型，进而得到二氧化碳分压数据；

基于二氧化碳分压数据，得到海气界面间二氧化碳分压差，基于海气界面间二氧化碳分压差构建模拟海气碳通量模型，进而得到海气碳通量数据。

一种基于遥感资料同化的海气碳通量重构装置，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如下所述的方法：

基于海洋碳影响因素，构建三维碳循环模型，其中，海洋碳影响因素包括溶解无机碳、溶解有机碳及颗粒有机碳；

获取海洋盐度数据，基于海洋总碱度及海洋盐度数据，构建海洋总碱度参数化模型；

获取遥感二氧化碳分压数据，将遥感二氧化碳分压数据及海洋总碱度参数化模型耦合至三维碳循环模型中，得到模拟二氧化碳分压模型，进而得到二氧化碳分压数据；

基于二氧化碳分压数据，得到海气界面间二氧化碳分压差，基于海气界面间二氧化碳分压差构建模拟海气碳通量模型，进而得到海气碳通量数据。

本发明由于采用了以上技术方案，具有显著的技术效果：

通过本发明的方法解决了现有基于遥感资料获取海气碳通量的方法中存在的数据缺失问题，同时还避免了在获取遥感资料过程中的天气状况及环境问题对数据的影响。

同时基于本发明的方法，通过数据同化提高了二氧化碳分压计算的准确性，进而提高碳循环相关参数的模拟精度，为海洋研究提供有力支持。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明方法的流程示意图；

图2是本发明系统的整体示意图；

图3是本发明海洋总碱度拟合示意图；

图4是本发明模型耦合结果与实测资料对比示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。

实施例1：

一种基于遥感资料同化的海气碳通量重构方法，如图1所示，包括以下步骤：

S100、基于海洋碳影响因素，构建三维碳循环模型，其中，海洋碳影响因素包括溶解无机碳、溶解有机碳及颗粒有机碳；

S200、获取海洋盐度数据，基于海洋总碱度及海洋盐度数据，构建海洋总碱度参数化模型；

S300、获取遥感二氧化碳分压数据，将遥感二氧化碳分压数据及海洋总碱度参数化模型耦合至三维碳循环模型中，得到模拟二氧化碳分压模型，进而得到二氧化碳分压数据；

S400、基于二氧化碳分压数据，得到海气界面间二氧化碳分压差，基于海气界面间二氧化碳分压差构建模拟海气碳通量模型，进而得到海气碳通量数据。

通过本发明的方法解决了基于遥感资料得到的海气碳通量数据存在缺失的问题，避免遥感资料受到海洋天气及环境的影响，同时基于数据拟合提高碳通量数据计算的准确率，为海洋环境研究提供数据支撑。

三维碳循环模型是本领域通用的碳循环模型，三维碳循环模型描述了大气、海洋和生物圈之间碳的交换和转化过程，包括生物泵、溶解泵和生物地球化学过程。而海洋总碱度参数化方案主要用于描述海洋总碱度与pCO2的关系，可以通过调整海洋总碱度来优化遥感pCO2数据的准确性。海洋总碱度参数化方案在海气通量计算中起到关键作用。将三维碳循环模型和海洋总碱度参数化方案的计算结果与遥感pCO2数据相结合，可以提高数据的准确性和可靠性。这有助于更好地了解全球碳循环过程，为气候变化研究提供有力支持。考虑到海洋碳的存在形式，因此对碳循环模型的影响主要包括溶解无机碳DIC、溶解有机碳DOC及颗粒有机碳POC，三种存在形式的大致比例为2000:38:1。

海洋中的溶解无机碳DIC含量的影响因素包括盐度、海洋生物的光合作用、有机物的再矿化及碳酸钙的溶解与沉淀。随盐度的变化而变化，一般情况下，海洋中盐度越高，溶解无机碳DIC也越高，而海水盐度与降水、蒸发、淡水输入及海冰的形成融化等过程密切相关，在海洋学的相关研究中，溶解无机碳线性模型其实是呈线性关系的，通常通过归一化处理校正至同一盐度水平进行溶解无机碳DIC的比较，归一化的过程表示如下：

其中，

海洋生物光合作用的实质是将海水中的溶解无机碳DIC经过生物化学过程转化为有机碳，因此，海洋生物光合作用的强弱将对海洋中DIC的含量产生影响，在光合作用较强的海域或区间内，海水DIC的含量一般较低，反之较高；海洋有机物的再矿化过程会产生二氧化碳，从而快速水解得到HCO3-及CO

影响溶解有机碳DOC的变化因素有四个，其中，产生溶解有机碳DOC的过程有浮游植物排泄、颗粒有机碳POC溶解及底质溶出，消耗溶解有机碳DOC的过程有DOC的氧化分解，溶解有机碳DOC浓度随时间变化的表达式如下所示：

细菌对溶解有机碳DOC的无机化速度函数关系式表示如下：

底质的溶出公式，表示如下：

其中，

影响颗粒有机碳POC的产生的因素包括浮游植物死亡、浮游动物死亡及浮游动物排泄，消耗的因素包括浮游动物摄食、颗粒有机碳POC的氧化分解及颗粒有机碳POC的溶解沉降作用，颗粒有机碳POC浓度随时间变化的表达式如下所示：

其中，

也就是说，以上影响因素形成的模型即为三维碳循环模型，而三维碳循环模型输出的也是溶解无机碳、溶解有机碳及颗粒有机碳。

在步骤S200中，获取海洋盐度数据，基于海洋总碱度及海洋盐度数据，构建海洋总碱度参数化模型，包括以下步骤：

基于海洋盐度数据，对海洋总碱度进行多项式拟合，通过平衡参数量及拟合精度之间的关系，得到海洋总碱度参数化模型，表示如下：

其中，

海洋中的海洋总碱度变化与海洋盐度数据具有非常高的相关性，根据观测所得海洋盐度数据，通过多项式拟合，得到多项式拟合参数，进而通过平衡参数及计算量得到海洋总碱度参数化模型。

比如，在一个具体的实施例中，具体多项式拟合过程如下所示：

二次多项式拟合结果，表示如下：

三次多项式拟合结果，表示如下：

四次多项式拟合结果，表示如下：

也就是说，

在步骤S300中，所述将遥感二氧化碳分压数据及海洋总碱度参数化模型耦合至三维碳循环模型中，得到模拟二氧化碳分压模型，进而得到二氧化碳分压数据，包括以下步骤：

获取遥感二氧化碳分压数据，基于遥感二氧化碳分压数据与三维碳循环模型中溶解无机碳线性模型进行同化，得到溶解无机碳变化模型，表示如下：

其中，

基于碳酸-碳酸盐系统平衡方程并结合海洋总碱度，得到海洋总碱度参数；

基于海洋总碱度参数及溶解无机碳变化模型，建立模拟二氧化碳分压模型，得到二氧化碳分压数据。

在此实施例中，主要用到了三维碳循环模型中溶解无机碳线性模型，由于三维碳循环模型在本领域是个公知的模型并且非常复杂，因此，通过遥感二氧化碳分压数据与三维碳循环模型中溶解无机碳线性模型进行同化，得到溶解无机碳变化模型。pCO2的主要影响因素有DIC溶解无机碳、温度、海洋总碱度及淡水，在基于碳酸盐的体系中，海洋总碱度、溶解无机碳、海水pH及模拟二氧化碳分压数据，通过任意选择已知量，搭建模拟二氧化碳分压数据模型，进而得到二氧化碳分压数据。

本实施例中，所述模拟二氧化碳分压模型，表示如下：

计算过程中涉及到的相关参数，表示如下：

其中，

参见附图4所示，附图4给出了遥感二氧化碳分压数据、耦合后二氧化碳分压数据、未耦合二氧化碳分压数据分别与实测二氧化碳分压数据之间的误差的明显对比。

在步骤S400中，基于二氧化碳分压数据，得到海气界面间二氧化碳分压差，基于海气界面间二氧化碳分压差构建模拟海气碳通量模型，进而得到海气碳通量数据，包括以下步骤：

本实施例中，海气碳通量数据具体计算公式如下所示：

其中，

若

实施例2：

一种基于遥感资料同化的海气碳通量重构系统，如图2所示，包括海洋碳模型建立模块100、碱度模型构建模块200、分压数据计算模块300及海气碳通量计算模块400；

所述海洋碳模型建立模块100，所述海洋碳模型建立模块，基于海洋碳影响因素，构建三维碳循环模型，其中，海洋碳影响因素包括溶解无机碳、溶解有机碳及颗粒有机碳；

所述碱度模型构建模块200，获取海洋盐度数据，基于海洋总碱度及海洋盐度数据，构建海洋总碱度参数化模型；

所述分压数据计算模块300，获取遥感二氧化碳分压数据，将遥感二氧化碳分压数据及海洋总碱度参数化模型耦合至三维碳循环模型中，得到模拟二氧化碳分压模型，进而得到二氧化碳分压数据；

所述海气碳通量计算模块400，基于二氧化碳分压数据，得到海气界面间二氧化碳分压差，基于海气界面间二氧化碳分压差构建模拟海气碳通量模型，进而得到海气碳通量数据。

在一个实施例中，所述分压数据计算模块300，被设置为：

基于遥感二氧化碳分压数据与三维碳循环模型中溶解无机碳线性模型进行同化，得到溶解无机碳变化模型；

基于碳酸-碳酸盐系统平衡方程并结合海洋总碱度，得到海洋总碱度参数；

基于海洋总碱度参数及溶解无机碳变化模型，建立模拟二氧化碳分压模型，得到二氧化碳分压数据；

其中，所述溶解无机碳变化模型，表示如下：

其中，

其中，所述模拟二氧化碳分压模型，表示如下：

其中，

在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出的各种变化和变型，所有等同的技术方案也属于本发明的范畴。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同、相似的部分互相参见即可。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、装置、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明的方法、终端设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理终端设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理终端设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理终端设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理终端设备上，使得在计算机或其他可编程终端设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程终端设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

需要说明的是：

说明书中提到的“一个实施例”或“实施例”意指结合实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，说明书通篇各个地方出现的短语“一个实施例”或“实施例”并不一定均指同一个实施例。

此外，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实施例，其零、部件的形状、所取名称等可以不同。凡依本发明专利构思所述的构造、特征及原理所做的等效或简单变化，均包括于本发明专利的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。