一种工业源排放清单空间降尺度方法与流程

本发明涉及一种工业源排放清单空间降尺度方法，属于大气污染源清单编制与卫星遥感应用。

背景技术：

1、工业源排放清单的空间降尺度是将低分辨率的排放总量分配到高分辨率网格上的关键技术，是碳排放核算和空气质量模拟的重要基础。当前主流的降尺度技术通常利用夜间灯光、人口密度、土地利用等社会经济代理因子，通过统计回归或机器学习模型建立代理因子与排放强度之间的关系。近年来，热红外遥感数据因其能够识别工业热源而被引入该领域，用于辅助识别排放区域。

2、然而，现有技术在利用热红外数据时，通常仅将其作为一种空间位置的指示器，即作为统计回归的自变量或反演模型中的软先验权重，用于告诉模型“哪里可能有排放”，这种处理方式未能挖掘热红外辐射通量与排放强度之间内在的热力学定量关系。由于工业热源的废热排放与燃料燃烧过程存在物理耦合，热红外遥感观测到的辐射散热分量实际上是排放强度的物理下界指示，现有技术忽略了这一物理机制，导致降尺度过程缺乏物理约束，结果的物理一致性较弱，难以准确量化排放强度。

3、因此需要提出一种新的方案来解决这个问题。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题在于：提供一种工业源排放清单空间降尺度方法，它解决了现有技术中热红外数据仅被用作空间位置权重而未能利用其与排放强度之间热力学定量关系的问题，实现了热红外数据从统计代理到物理约束的角色转变，提高了降尺度结果的物理准确性。

2、本发明所要解决的技术问题采取以下技术方案来实现：

3、一种工业源排放清单空间降尺度方法，包括以下步骤：

4、获取目标区域的粗分辨率工业源排放清单，并获取同步的热红外遥感数据和卫星大气柱浓度观测数据；

5、基于所述热红外遥感数据反演热红外辐射通量，并根据热力学能量守恒原理构建排放强度的物理下界约束；其中，所述物理下界约束的构建方式为：获取热效率、辐射散热占比和排放因子，所述辐射散热占比为废热中辐射散热所占的比例，计算1减去所述热效率得到废热占比，计算所述废热占比与所述辐射散热占比的乘积作为第一乘积，将所述热红外辐射通量除以所述第一乘积得到燃料燃烧总能量推测值，将所述燃料燃烧总能量推测值乘以所述排放因子得到排放强度下界值，且排放强度不小于所述排放强度下界值；

6、以高斯烟羽模型的解析解为基础构建反演方程，将所述卫星大气柱浓度观测数据作为所述反演方程的输入，以所述物理下界约束作为不等式约束，反演求解目标区域的排放强度空间分布；

7、根据反演求解得到的排放强度空间分布，对所述粗分辨率工业源排放清单进行空间降尺度，输出高分辨率工业源排放强度分布。

8、可选地，所述基于所述热红外遥感数据反演热红外辐射通量的步骤，具体包括：

9、对所述热红外遥感数据进行辐射定标与大气校正，得到亮度温度数据；

10、根据普朗克定律，对所述亮度温度数据在预设热红外波段范围内进行积分运算，得到地表辐射通量，将所述地表辐射通量确定为所述热红外辐射通量；

11、或者，当所述热红外遥感数据为viirs火辐射功率产品时，直接将所述viirs火辐射功率产品的辐射功率值确定为所述热红外辐射通量。

12、可选地，在将所述不等式约束施加到所述反演方程之前，还包括确定物理约束生效网格集合的步骤，具体包括：

13、在未施加所述不等式约束的条件下求解所述反演方程，获得排放强度的初始解；

14、计算各网格的热红外信号信噪比，并计算约束置信度指标，所述约束置信度指标为所述初始解与所述排放强度下界值的比值；

15、当所述热红外信号信噪比大于预设信噪比阈值，且所述约束置信度指标小于或等于1时，将对应的网格纳入物理约束生效网格集合；

16、所述以所述物理下界约束作为不等式约束的步骤中，仅对所述物理约束生效网格集合中的网格施加所述不等式约束。

17、可选地，所述反演求解目标区域的排放强度空间分布的步骤，具体包括：

18、将研究区域离散化为高分辨率网格单元，基于气象数据计算高斯烟羽传递矩阵；

19、构建带不等式约束的正则化目标函数，所述正则化目标函数包括数据拟合项、空间平滑正则化项和热红外先验正则化项；

20、采用有效集法或内点法求解所述带不等式约束的凸二次规划问题，得到排放强度向量。

21、可选地，在反演求解过程中，还包括参数迭代校准的步骤：

22、将当前迭代得到的排放强度空间分布输入高斯烟羽正演模型，模拟得到卫星柱浓度模拟值；

23、计算所述卫星柱浓度模拟值与所述卫星大气柱浓度观测数据之间的相对偏差；

24、当所述相对偏差大于预设收敛阈值时，在物理合理范围内调整所述热效率、所述排放因子和所述辐射散热占比，并重新计算所述排放强度下界值，返回执行所述反演求解目标区域的排放强度空间分布的步骤，进行下一次迭代求解；

25、其中，单次迭代中各参数的调整幅度不超过预设的第一调整阈值，累计调整幅度不超过预设的第二调整阈值。

26、可选地，在所述参数迭代校准的过程中，还包括约束冲突检测与异常源识别的步骤：

27、监测在参数调整后是否出现当前迭代解小于重新计算后的排放强度下界值的网格；

28、若存在，则计算约束冲突度，所述约束冲突度为所述排放强度下界值与所述当前迭代解的差值相对于所述排放强度下界值的比例；

29、当所述约束冲突度大于预设冲突阈值时，将对应的网格标记为约束异常网格；

30、对所述约束异常网格，检测其热红外遥感数据的数据质量，若数据质量低于预设质量标准，判定为热红外数据不可靠；若数据质量满足预设质量标准，判定为非热辐射主导型排放源候选区域，并在后续迭代中将该网格从物理约束生效网格集合中移除；

31、根据所述约束冲突度、所述热红外遥感数据的数据质量、卫星观测数量与质量以及迭代收敛状态，综合评定各网格的置信度等级，将所述置信度等级与所述排放强度空间分布关联输出；所述置信度等级至少包括高置信度、中置信度和低置信度。

32、可选地，所述热效率、所述辐射散热占比和所述排放因子通过以下方式确定：

33、根据热红外温度特征和土地利用数据和/或兴趣点数据判别目标网格的行业类型；

34、根据所述行业类型从预设参数库中查找对应的热效率范围、辐射散热占比范围和排放因子范围；

35、其中，在参数选取时采用保守策略，所述辐射散热占比取其预设范围的上界值，所述热效率取其预设范围的下界值；

36、在参数迭代校准过程中，当需要优先调整参数时，优先调整所述辐射散热占比，保持所述热效率和所述排放因子相对稳定。

37、可选地，所述行业类型包括钢铁冶炼、火电、水泥和化工行业；

38、所述预设参数库中存储有所述行业类型与热效率范围、辐射散热占比范围之间的映射关系；所述热效率范围和所述辐射散热占比范围根据行业的典型工艺温度和散热特征确定。

39、可选地，所述热红外遥感数据包括至少一个热红外波段的遥感影像数据；

40、所述卫星大气柱浓度观测数据包括tropomi no2对流层柱浓度产品和oco-2/3xco2产品；

41、所述反演求解采用多物种联合反演策略，以tropomi no2对流层柱浓度产品约束排放空间分布结构，以oco-2/3 xco2产品约束排放总量级。

42、可选地，所述预设收敛阈值包括绝对收敛阈值和相对收敛阈值；

43、当所述相对偏差小于所述绝对收敛阈值时，判定为收敛；

44、或者，当连续两次迭代的相对偏差变化率小于所述相对收敛阈值时，判定为收敛；

45、当达到预设最大迭代次数仍未收敛时，输出历史迭代中相对偏差最小的一次结果。

46、本发明的有益效果是：利用热红外辐射通量反推燃料燃烧总能量的最小值，从而建立排放强度的物理下界，并将其作为不等式约束嵌入反演求解过程，这种方式将热红外数据的应用从单纯的统计相关关系升级为物理约束关系，有效避免了反演结果在活跃热源区域出现不合理的低值，显著提高了排放清单空间降尺度的物理一致性和反演精度。