用于确定地理空间中的气体流量的方法
用于确定地理空间中的气体流量的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种用于通过定位或绘图来确定地理空间中的气体流量的方法。气体 流量为被考虑的气体在这个空间的各个区域中出现或消失的量。
【背景技术】
[0002] 这些方法可用于检测特别是由人类的活动涉及的燃烧所产生的某些气体（例如 甲烷或二氧化碳）的发源地。还存在例如由植物（如果植物吸收了这些气体）造成的对应 于这些气体的消失的负流量。
[0003] 所述确定能够通过使用数值模型来实现，数值模型根据下列各项来表达在地理空 间被离散化的区域中的气体浓度：这些区域中产生的正流量或负流量，特别地由风造成的 气体运输，以及影响气体并等同于仍在原地产生或破坏气体的附加流量的化合或分解的化 学反应。然而，在二氧化碳（高稳定性气体）的情况下，几乎不存在这些化学反应。数值 模型的结果是与观测值相关的，观测值是在地理空间的特定位置处（或甚至在这个空间之 外）以及在特定时间气体浓度的测量值。如果由模型推导出的气体浓度对应于其置信区间 中的观测值并且如果这些流量对应于其置信区间中的先验流量，则在该模型中引入的气体 流量被看作是最佳的。换言之，在给定每条信息的精确性条件下，如果这些流量在与观测浓 度的一致性和与先验流量的一致性之间是最佳折衷的，则这些流量是最佳的。从数学的角 度上讲，最佳流量和其不确定性由贝叶斯定理表达。
[0004] 在实践中，存在二种类型的方法用于确定最佳流量：
[0005] 分析法，其中通过使用代数公式来直接使用模型；
[0006] 通过系综的方法，其依赖于模拟的统计系综；和
[0007] 变分法，其依赖于对所谓的成本函数进行最小化，成本函数表示观测值和浓度估 计值之间的总体差异与被确定的流量和先验流量之间的总体差异的总和。
[0008] W. Peter等人于2009年1月1日在地球物理学研宄杂志（Journal of Geophysical Research) vol. 110, D24304第1-18页中发表的文章《从大气微量气体观测值估计0)2地 表通量的系综数据同化系统》（An ensemble data assimilation system to estimate C02surface fluxes from atmospheric trace gas observations) (XP055079774)中记载 了通过系综的方法，其中在时间片段的系综上执行模型化计算，每个计算在缺少在先系综 的最早时间片段但具有刚刚位于在先系综之后的新的时间片段的系综上执行。因此，计算 是在重叠的系综上执行，这些系综朝着研宄持续时间的结束进行连续地移动。因此，每个时 间片段被进行计算的次数就是这个时间片段所属的系综的个数，这能够使朝着浓度的正确 评估进行收敛。然而，时间片段没有任何重叠的部分。计算必须是在每个时间系综上连续 地执行，并且因此，计算次数或多或少是与时间片段系综的个数成比例，在实践中计算次数 是非常多的。
【发明内容】
[0009] 本发明的方法是第三类方法（变分法）的改进。本发明的方法将是针对单一气体 进行描述，但该方法也可应用于多种气体。
[0010] 变分法是能够最佳地实现高空间和时间分辨率以及根据将要得到的大量数据进 行的流量估计。地理空间能够覆盖整个地球，并且持续时间能够持续数十年，但这这种情况 下计算次数也变得巨大。
[0011] 本发明的主要目的在于通过由在连续的时间片段上独立执行的并行或同时计算 使流量能够被估计，并且通过在最后步骤能够做出综合计算，来减少计算时间并在可接受 的时段内获得估计结果。在变分法中，研宄持续时间的这种分段被认为是不可能的。
[0012] 根据本发明，在通过对持续时间进行分割而形成的具有重叠部的连续片段上单独 地执行气体运输的模型化，并且模型化结果以被考虑气体浓度的变化的增量形式在每个片 段中表示出来。
[0013] 因此，可由独立的处理器执行计算，并同时在各个片段上执行计算。计算时间或多 或少与将要执行的迭代的次数成正比，比要考虑的时间片段的数量更少。汇编片段结果是 容易的。根据已知的技术在浓度观测值与估计值之间执行相关计算并执行迭代。与气体运 输的模型化不同，这些相关计算是在方法的较高水平上执行，如果根据以下解释的形式对 片段进行汇编，则不需要对研宄持续时间进行分段。从用于将片段进行合适的汇编的研宄 持续时间的开始到其结束都完全地遵守模型的物理的和统计的连贯性。
[0014] 根据可选的但通常是有益的某些特征，重叠部都比较长，这是因为地理空间巨大， 并且在这个空间中的气体运输是缓慢的。利用气体运输的模型化结果以便对于除了首个片 段以外的每一个片段通过不计每一个片段的开始处的重叠部来估计气体浓度，其结果是被 完全利用的。方法包括：将空间一致项加到除了首个片段以外的每一个片段的结果上以便 将所述片段的结果与在重叠部（6)同时获得的之前片段的结果吻合。
【附图说明】
[0015] 现在，将通过以下附图对本发明的不同细节和方面的单纯地说明性实施例进行描 述。
[0016] 图1的模型化表达了待解决的问题的因素以及地理空间的模型化；
[0017] 图2解释了本发明的基本方面。
【具体实施方式】
[0018] 参照图1，可以看到一地理空间，其中出现一确定气体的流量，并且该地理空间具 体包括：这些流量优选地出现的位置1，这些流量被吸收的可能的位置2,以及测量气体密 度的观测站3。观测站3可放置在流量出现或被吸收的同一几何空间中，还位于这个空间附 近。网格4覆盖了所有被考虑的地理空间并且将地理空间划分为小块以用于模型化。
[0019] 在继续的描述中，待确定的变量称为X(以矢量表示的气体流量），这些变 量X的最优值称为xa，x的误差矩阵的协方差称为A，变量x以贝叶斯（Bayesian)形 式的概率分布表示，变量的先验估计称为一并且其协方差矩阵称为B;流量演变的 数值模型称为H，其雅克比（Jacobian)矩阵为H(该矩阵的系数对应于模型H的 偏导数的局部值）并且其误差矩阵为R。模型的参数包括气象现象的测量值或其 他估计值，例如风速和方向、温度、压强等，以便评估在地理空间中以及其边界上的 被考虑的气体运输。最优估计理论指出xl#应于成本函数J(X)的最小值，其中
[0020] 寻找这个最小值意味着迭代，其中每一次迭代都会修改未知量X，还意味着要计算 成本函数J的梯度，即
[0021] 最后，矩阵A可根据下式进行计算：
[0022] 发明人已经证明了这些法则的应用（参见F. CHEVALLIER等人2005年12月29日 在地理考虑杂志（Journal of Geographical Research) vol. 110, D 24309 中发表的《根据 卫星观测推断C02源和宿的方法与对T0VS数据的应用》(inferring C02sources and sinks from satellite observations:Method and application to TOVS data))。
[0023] 本方法采用线性化数值算子H。确实能够证明下式
[0025] 其中S c(t)是包括在时间t处的浓度增量的矢量，~(t')是包括流量增量和侧边 界条件（地理空间中气体的出现和消失，以及在执行计算的地理空间的边界处气体的入口 和出口）的增量的矢量。H〗.是线性算子，其将在所考虑的时间处的浓度增量连接到流量增 量并连接到侧边界条件的增量。是线性算子，其将在所考虑的时间处的浓度增量连接到 起点处的浓度增量。和H〗是通用矩阵H的块。
[0026] 本发明包括将计算划分到连续的片段5中（如图2所示，图2是时间轴图表）。每 一个片段5具有起点t使得在每一个片段内先前的表达式变为：
[0028] 其中5 b(t，t)是表示在时间t处存在的浓度增量在时间t处 的平均数的标量。 由于气体可能的化合作用或化学破坏，Sb(T，t)依赖于时间t。然而，如果气体是化学性 质稳定的（在CCV倩况下），S b ( T，t)不依赖于时间t，并且因此贯穿片段S b ( T，t)保持 恒量。整个方法的物理的和统计的连贯性依赖于对这项的合适的处理。
[0029] 数值模型H是已知的，容易计算出在每一个片段5内的值Sc(t);知(0是已知 的，然后汇编片段以便确定出Sc(t)贯穿研宄持续时间的全部演变，从而获得在模型的所 有区域上和所有时间上气体浓度c的估计值并且通过成本函数执行在先的计算。汇编片段 然后相当于对贯穿研宄持续时间的浓度Sc(t)中的变量进行评估，并且然后基于这些变 量的和对浓度C(t)进行估计。通过朝着使成本函数最小化的值的方向收敛流量估计值或 朝着浓度测量值的方向收敛浓度估计值的连续迭代，将数值模型再次应用到片段上。公式 (5)的计算确实能在每个片段5上互相独立地执行。然而，片段5具有持续时间At的重 叠期6,其原因在于存在第二项（即系数Sb(T，t))。
[0030] 可能出现两种情况。在不具备气体入口或出口的侧边界条件的地理空间中，尤其 是覆盖整个地球的模型的情况下，首个片段之后的每个片段5的Sb(T，t)项是从前一片 段5通过对Sc(T)的值取平均数得到的。例如，对于从时间T2处开始的第二片段，从时 间T2处开始，针对该地理空间的全部考虑区域对首个片段中获得的Sc(T)的值取平均 数，以便得到Sb(T2,T2)，然后Sb(T2,T2)在贯穿剩下的第二片段中作为修正项使用。 Sb(T，t)可以是随时间的恒量或者是关于化学吸收进行修正的（如甲烷的情况）。同样 的操作可在下列所有重叠部6上进行。因此，片段5的重叠部6提供贯穿研宄持续时间的 SC(t)的计算之间的链接。在地理空间上常数Sb(T，t)的选择表达了一种假设，也就是 假设气体从任何一点开始的运动在足够的时间之后都能将其带向模型的任何其它点，并且 稳定分布是似合理的且可能带来统计上令人满意的结果。
[0031] 对于包括侧边界条件（就是包括气体在所考虑的地理空间与临近空间之间的运 动的相互作用）的模型，由于Sb(T，t)项可被完全忽略，所以情况更加简单。确实能够认 为在足够长时间之后地理空间的每一个区域中的大气是被完全更新的，使得起点（T)的 影响变得不存在了。然后假设各个片段5之间的计算是完全独立的，并且它们的值没有被 任何修正项调整。然而，重叠部6仍然是必要的，这是因为片段5的开始部分仍然遵从用于 开始计算的起点条件，但是在这些重叠部6期间在片段5的开始处得到的结果并未被考虑。
[0032] 选择重叠部6的持续时间要考虑到太短的重叠部会导致很大的计算误差，而太长 的重叠部会导致更多不必要的计算。
[0033] 在具体实施例中，已经使用了上述文章提到的本发明人的变分法。所使用的运输 模型是本领域已知的大气环流模型LBDZ。以将白天和黑夜分隔开的8天的时间分辨率在全 球模型化网格（通常按照3. 75° x 2.5°建立网格）上对流量进行估计。先验流量包括每 年的人为排放，海洋气候流量，由生物质燃烧造成的排放以及生物界与大气之间交换的流 量的估计。观测值是1979至2010年间C0 2在干燥空气中的摩尔分数，其中CO 2在陆地上和 海面上被收集入瓶并登记在NOAA地球系统研宄实验室档案中。除了首个片段以外的每个 片段的持续时间是从每年的十月到下一年的十二月是十五个月，且具有三个重叠月，首个 片段持续了贯穿首个研宄年（1979)的十二个月。
[0034] 通过本发明，计算可在几天内完成，而在没有在片段5上执行并行计算的情形下 会需要几个月的时间执行计算。然而，在减少的从1979到1992这个持续时间段，实现常规 的方法。其结果与本发明的结果之间的偏差减小（最多20%)。根据本发明的方法执行的 第二计算（但使用十八个月的片段，其中六个重叠月）给出与前一计算差异非常小的结果， 因此我们可以估计出在时间片段5之间的三个月重叠是足够的。
[0035] 在具有例如城镇大小的地理空间的情况下，重叠部最多是几天。如果在所考虑的 空间中气象现象（尤其是气体运输）很快，则重叠部可以更短。反之，如果气象现象缓慢， 则重叠部将会更长。
[0036] 即使对于几个月的片段，这些重叠值都是有效的。
[0037] 本发明的方法原则上可用于本领域中使用的任何模型。尤其通过所考虑的气象和 物理现象（风，温度，压力，对流，与外部以及尤其与高层大气的交换），空间的离散化（水平 地和垂直地，模型能被应用于地表面之上的几个连续的层）和所选择的数值算子（例如欧 拉（Eulerian)或拉格朗日（Lagrangian))，能够将已知的模型彼此区别开。这些模型试图 精确地（这种精确尤其依赖于所使用的参数的数量，有效观测的量以及用于补偿测量或已 知数据的缺乏而做出的假设）描述气体运输。成本函数能够以多种方式进行表达；如果浓 度的估计值与这些相同浓度的测量值（观测值）之间的差比较大，成本函数则会更大。
【主权项】
1. 一种用于确定地理空间中出现或消失的气体流量的方法，所述方法包括： 对所述流量进行先验估计； 测量⑶气体浓度（C); 在流量确定时间到测量时间之间的研宄持续时间内，对包括所述地理空间中的风向和 风速在内的气象现象进行测量； 根据测量的气象现象，基于所述地理空间中的流量估计和气体运输的模型化，应用数 值模型⑶，以给出在测量时间（yi，y2,…）的气体浓度估计；所述应用是迭代的，以便将流 量估计朝着真实流量进行收敛； 其特征在于，所述气体运输的模型化在通过所述研宄持续时间而形成的具有重叠部 (6)的连续片段（5)上被单独地执行，并且具有以气体浓度（δ c(t))变化表示的结果。2. 根据权利要求1所述的用于确定气体流量的方法，其特征在于，在所述地理空间巨 大并且空间中的气体运输缓慢的情况下，所述重叠部比较长。3. 根据权利要求1或2所述的用于确定气体流量的方法，其特征在于，针对除首个片段 以外的每个片段，利用气体运输的模型化结果来在不计每个片段起始处的重叠部的前提下 对气体浓度进行估计，并充分利用所述估计的结果。4. 根据权利要求3所述的用于确定气体流量的方法，其特征在于，所述方法包括：将空 间一致项（S b(t))加到除首个片段以外的每个片段的结果上，以便将所述片段的结果与 在重叠部（6)同时获得的之前片段的结果吻合。5. 根据前述权利要求中任一项所述的用于确定气体流量的方法，其特征在于，气体浓 度变化由下式进行估计：其中t是时间，τ是片段的起点时间，是所述模型（H)在确定的时间和地点 处的线性化算子，和^是流量和边界条件的增量，S c是浓度变化，以及Sb是标量。6. 根据权利要求5所述的用于确定气体流量的方法，其特征在于，对于首个片段，通过 下式估计气体浓度变化：其中T是所述研宄持续时间的起点。
【专利摘要】本方法用于根据先验流量、气体浓度值的物理观测值，使用表示气体行为，尤其表示气体的运动的数字模型，来确定地理空间中出现和消失的气体流量，所述方法包括迭代计算和朝着使成本函数最小化的解的方向对流量的连续确定值进行收敛，其特征在于，对应于大气反演模型的所述模型在时间片段(5)上进行操作，所述时间片段(5)是一个接一个地连续排列并且具有能够修正每一个片段(5)的不准确的计算起点的重叠部(6)。因为计算涉及参数的增量，尤其涉及浓度值的增量，所以核对所述片段结果并不困难。本方法应用于气体(例如二氧化碳，即，温室气体)源的定位。
【IPC分类】G06Q50/26, G06Q10/04
【公开号】CN104903920
【申请号】CN201380058661
【发明人】弗雷德里克·舍瓦利耶
【申请人】原子能和替代能源委员会
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2013年11月12日
【公告号】EP2917884A1, US20150302118, WO2014072528A1
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种用于通过定位或绘图来确定地理空间中的气体流量的方法。气体 流量为被考虑的气体在这个空间的各个区域中出现或消失的量。
【背景技术】
[0002] 这些方法可用于检测特别是由人类的活动涉及的燃烧所产生的某些气体（例如 甲烷或二氧化碳）的发源地。还存在例如由植物（如果植物吸收了这些气体）造成的对应 于这些气体的消失的负流量。
[0003] 所述确定能够通过使用数值模型来实现，数值模型根据下列各项来表达在地理空 间被离散化的区域中的气体浓度：这些区域中产生的正流量或负流量，特别地由风造成的 气体运输，以及影响气体并等同于仍在原地产生或破坏气体的附加流量的化合或分解的化 学反应。然而，在二氧化碳（高稳定性气体）的情况下，几乎不存在这些化学反应。数值 模型的结果是与观测值相关的，观测值是在地理空间的特定位置处（或甚至在这个空间之 外）以及在特定时间气体浓度的测量值。如果由模型推导出的气体浓度对应于其置信区间 中的观测值并且如果这些流量对应于其置信区间中的先验流量，则在该模型中引入的气体 流量被看作是最佳的。换言之，在给定每条信息的精确性条件下，如果这些流量在与观测浓 度的一致性和与先验流量的一致性之间是最佳折衷的，则这些流量是最佳的。从数学的角 度上讲，最佳流量和其不确定性由贝叶斯定理表达。
[0004] 在实践中，存在二种类型的方法用于确定最佳流量：
[0005] 分析法，其中通过使用代数公式来直接使用模型；
[0006] 通过系综的方法，其依赖于模拟的统计系综；和
[0007] 变分法，其依赖于对所谓的成本函数进行最小化，成本函数表示观测值和浓度估 计值之间的总体差异与被确定的流量和先验流量之间的总体差异的总和。
[0008] W. Peter等人于2009年1月1日在地球物理学研宄杂志（Journal of Geophysical Research) vol. 110, D24304第1-18页中发表的文章《从大气微量气体观测值估计0)2地 表通量的系综数据同化系统》（An ensemble data assimilation system to estimate C02surface fluxes from atmospheric trace gas observations) (XP055079774)中记载 了通过系综的方法，其中在时间片段的系综上执行模型化计算，每个计算在缺少在先系综 的最早时间片段但具有刚刚位于在先系综之后的新的时间片段的系综上执行。因此，计算 是在重叠的系综上执行，这些系综朝着研宄持续时间的结束进行连续地移动。因此，每个时 间片段被进行计算的次数就是这个时间片段所属的系综的个数，这能够使朝着浓度的正确 评估进行收敛。然而，时间片段没有任何重叠的部分。计算必须是在每个时间系综上连续 地执行，并且因此，计算次数或多或少是与时间片段系综的个数成比例，在实践中计算次数 是非常多的。
【发明内容】
[0009] 本发明的方法是第三类方法（变分法）的改进。本发明的方法将是针对单一气体 进行描述，但该方法也可应用于多种气体。
[0010] 变分法是能够最佳地实现高空间和时间分辨率以及根据将要得到的大量数据进 行的流量估计。地理空间能够覆盖整个地球，并且持续时间能够持续数十年，但这这种情况 下计算次数也变得巨大。
[0011] 本发明的主要目的在于通过由在连续的时间片段上独立执行的并行或同时计算 使流量能够被估计，并且通过在最后步骤能够做出综合计算，来减少计算时间并在可接受 的时段内获得估计结果。在变分法中，研宄持续时间的这种分段被认为是不可能的。
[0012] 根据本发明，在通过对持续时间进行分割而形成的具有重叠部的连续片段上单独 地执行气体运输的模型化，并且模型化结果以被考虑气体浓度的变化的增量形式在每个片 段中表示出来。
[0013] 因此，可由独立的处理器执行计算，并同时在各个片段上执行计算。计算时间或多 或少与将要执行的迭代的次数成正比，比要考虑的时间片段的数量更少。汇编片段结果是 容易的。根据已知的技术在浓度观测值与估计值之间执行相关计算并执行迭代。与气体运 输的模型化不同，这些相关计算是在方法的较高水平上执行，如果根据以下解释的形式对 片段进行汇编，则不需要对研宄持续时间进行分段。从用于将片段进行合适的汇编的研宄 持续时间的开始到其结束都完全地遵守模型的物理的和统计的连贯性。
[0014] 根据可选的但通常是有益的某些特征，重叠部都比较长，这是因为地理空间巨大， 并且在这个空间中的气体运输是缓慢的。利用气体运输的模型化结果以便对于除了首个片 段以外的每一个片段通过不计每一个片段的开始处的重叠部来估计气体浓度，其结果是被 完全利用的。方法包括：将空间一致项加到除了首个片段以外的每一个片段的结果上以便 将所述片段的结果与在重叠部（6)同时获得的之前片段的结果吻合。
【附图说明】
[0015] 现在，将通过以下附图对本发明的不同细节和方面的单纯地说明性实施例进行描 述。
[0016] 图1的模型化表达了待解决的问题的因素以及地理空间的模型化；
[0017] 图2解释了本发明的基本方面。
【具体实施方式】
[0018] 参照图1，可以看到一地理空间，其中出现一确定气体的流量，并且该地理空间具 体包括：这些流量优选地出现的位置1，这些流量被吸收的可能的位置2,以及测量气体密 度的观测站3。观测站3可放置在流量出现或被吸收的同一几何空间中，还位于这个空间附 近。网格4覆盖了所有被考虑的地理空间并且将地理空间划分为小块以用于模型化。
[0019] 在继续的描述中，待确定的变量称为X(以矢量表示的气体流量），这些变 量X的最优值称为xa，x的误差矩阵的协方差称为A，变量x以贝叶斯（Bayesian)形 式的概率分布表示，变量的先验估计称为一并且其协方差矩阵称为B;流量演变的 数值模型称为H，其雅克比（Jacobian)矩阵为H(该矩阵的系数对应于模型H的 偏导数的局部值）并且其误差矩阵为R。模型的参数包括气象现象的测量值或其 他估计值，例如风速和方向、温度、压强等，以便评估在地理空间中以及其边界上的 被考虑的气体运输。最优估计理论指出xl#应于成本函数J(X)的最小值，其中
[0020] 寻找这个最小值意味着迭代，其中每一次迭代都会修改未知量X，还意味着要计算 成本函数J的梯度，即
[0021] 最后，矩阵A可根据下式进行计算：
[0022] 发明人已经证明了这些法则的应用（参见F. CHEVALLIER等人2005年12月29日 在地理考虑杂志（Journal of Geographical Research) vol. 110, D 24309 中发表的《根据 卫星观测推断C02源和宿的方法与对T0VS数据的应用》(inferring C02sources and sinks from satellite observations:Method and application to TOVS data))。
[0023] 本方法采用线性化数值算子H。确实能够证明下式
[0025] 其中S c(t)是包括在时间t处的浓度增量的矢量，~(t')是包括流量增量和侧边 界条件（地理空间中气体的出现和消失，以及在执行计算的地理空间的边界处气体的入口 和出口）的增量的矢量。H〗.是线性算子，其将在所考虑的时间处的浓度增量连接到流量增 量并连接到侧边界条件的增量。是线性算子，其将在所考虑的时间处的浓度增量连接到 起点处的浓度增量。和H〗是通用矩阵H的块。
[0026] 本发明包括将计算划分到连续的片段5中（如图2所示，图2是时间轴图表）。每 一个片段5具有起点t使得在每一个片段内先前的表达式变为：
[0028] 其中5 b(t，t)是表示在时间t处存在的浓度增量在时间t处 的平均数的标量。 由于气体可能的化合作用或化学破坏，Sb(T，t)依赖于时间t。然而，如果气体是化学性 质稳定的（在CCV倩况下），S b ( T，t)不依赖于时间t，并且因此贯穿片段S b ( T，t)保持 恒量。整个方法的物理的和统计的连贯性依赖于对这项的合适的处理。
[0029] 数值模型H是已知的，容易计算出在每一个片段5内的值Sc(t);知(0是已知 的，然后汇编片段以便确定出Sc(t)贯穿研宄持续时间的全部演变，从而获得在模型的所 有区域上和所有时间上气体浓度c的估计值并且通过成本函数执行在先的计算。汇编片段 然后相当于对贯穿研宄持续时间的浓度Sc(t)中的变量进行评估，并且然后基于这些变 量的和对浓度C(t)进行估计。通过朝着使成本函数最小化的值的方向收敛流量估计值或 朝着浓度测量值的方向收敛浓度估计值的连续迭代，将数值模型再次应用到片段上。公式 (5)的计算确实能在每个片段5上互相独立地执行。然而，片段5具有持续时间At的重 叠期6,其原因在于存在第二项（即系数Sb(T，t))。
[0030] 可能出现两种情况。在不具备气体入口或出口的侧边界条件的地理空间中，尤其 是覆盖整个地球的模型的情况下，首个片段之后的每个片段5的Sb(T，t)项是从前一片 段5通过对Sc(T)的值取平均数得到的。例如，对于从时间T2处开始的第二片段，从时 间T2处开始，针对该地理空间的全部考虑区域对首个片段中获得的Sc(T)的值取平均 数，以便得到Sb(T2,T2)，然后Sb(T2,T2)在贯穿剩下的第二片段中作为修正项使用。 Sb(T，t)可以是随时间的恒量或者是关于化学吸收进行修正的（如甲烷的情况）。同样 的操作可在下列所有重叠部6上进行。因此，片段5的重叠部6提供贯穿研宄持续时间的 SC(t)的计算之间的链接。在地理空间上常数Sb(T，t)的选择表达了一种假设，也就是 假设气体从任何一点开始的运动在足够的时间之后都能将其带向模型的任何其它点，并且 稳定分布是似合理的且可能带来统计上令人满意的结果。
[0031] 对于包括侧边界条件（就是包括气体在所考虑的地理空间与临近空间之间的运 动的相互作用）的模型，由于Sb(T，t)项可被完全忽略，所以情况更加简单。确实能够认 为在足够长时间之后地理空间的每一个区域中的大气是被完全更新的，使得起点（T)的 影响变得不存在了。然后假设各个片段5之间的计算是完全独立的，并且它们的值没有被 任何修正项调整。然而，重叠部6仍然是必要的，这是因为片段5的开始部分仍然遵从用于 开始计算的起点条件，但是在这些重叠部6期间在片段5的开始处得到的结果并未被考虑。
[0032] 选择重叠部6的持续时间要考虑到太短的重叠部会导致很大的计算误差，而太长 的重叠部会导致更多不必要的计算。
[0033] 在具体实施例中，已经使用了上述文章提到的本发明人的变分法。所使用的运输 模型是本领域已知的大气环流模型LBDZ。以将白天和黑夜分隔开的8天的时间分辨率在全 球模型化网格（通常按照3. 75° x 2.5°建立网格）上对流量进行估计。先验流量包括每 年的人为排放，海洋气候流量，由生物质燃烧造成的排放以及生物界与大气之间交换的流 量的估计。观测值是1979至2010年间C0 2在干燥空气中的摩尔分数，其中CO 2在陆地上和 海面上被收集入瓶并登记在NOAA地球系统研宄实验室档案中。除了首个片段以外的每个 片段的持续时间是从每年的十月到下一年的十二月是十五个月，且具有三个重叠月，首个 片段持续了贯穿首个研宄年（1979)的十二个月。
[0034] 通过本发明，计算可在几天内完成，而在没有在片段5上执行并行计算的情形下 会需要几个月的时间执行计算。然而，在减少的从1979到1992这个持续时间段，实现常规 的方法。其结果与本发明的结果之间的偏差减小（最多20%)。根据本发明的方法执行的 第二计算（但使用十八个月的片段，其中六个重叠月）给出与前一计算差异非常小的结果， 因此我们可以估计出在时间片段5之间的三个月重叠是足够的。
[0035] 在具有例如城镇大小的地理空间的情况下，重叠部最多是几天。如果在所考虑的 空间中气象现象（尤其是气体运输）很快，则重叠部可以更短。反之，如果气象现象缓慢， 则重叠部将会更长。
[0036] 即使对于几个月的片段，这些重叠值都是有效的。
[0037] 本发明的方法原则上可用于本领域中使用的任何模型。尤其通过所考虑的气象和 物理现象（风，温度，压力，对流，与外部以及尤其与高层大气的交换），空间的离散化（水平 地和垂直地，模型能被应用于地表面之上的几个连续的层）和所选择的数值算子（例如欧 拉（Eulerian)或拉格朗日（Lagrangian))，能够将已知的模型彼此区别开。这些模型试图 精确地（这种精确尤其依赖于所使用的参数的数量，有效观测的量以及用于补偿测量或已 知数据的缺乏而做出的假设）描述气体运输。成本函数能够以多种方式进行表达；如果浓 度的估计值与这些相同浓度的测量值（观测值）之间的差比较大，成本函数则会更大。
【主权项】
1. 一种用于确定地理空间中出现或消失的气体流量的方法，所述方法包括： 对所述流量进行先验估计； 测量⑶气体浓度（C); 在流量确定时间到测量时间之间的研宄持续时间内，对包括所述地理空间中的风向和 风速在内的气象现象进行测量； 根据测量的气象现象，基于所述地理空间中的流量估计和气体运输的模型化，应用数 值模型⑶，以给出在测量时间（yi，y2,…）的气体浓度估计；所述应用是迭代的，以便将流 量估计朝着真实流量进行收敛； 其特征在于，所述气体运输的模型化在通过所述研宄持续时间而形成的具有重叠部 (6)的连续片段（5)上被单独地执行，并且具有以气体浓度（δ c(t))变化表示的结果。2. 根据权利要求1所述的用于确定气体流量的方法，其特征在于，在所述地理空间巨 大并且空间中的气体运输缓慢的情况下，所述重叠部比较长。3. 根据权利要求1或2所述的用于确定气体流量的方法，其特征在于，针对除首个片段 以外的每个片段，利用气体运输的模型化结果来在不计每个片段起始处的重叠部的前提下 对气体浓度进行估计，并充分利用所述估计的结果。4. 根据权利要求3所述的用于确定气体流量的方法，其特征在于，所述方法包括：将空 间一致项（S b(t))加到除首个片段以外的每个片段的结果上，以便将所述片段的结果与 在重叠部（6)同时获得的之前片段的结果吻合。5. 根据前述权利要求中任一项所述的用于确定气体流量的方法，其特征在于，气体浓 度变化由下式进行估计：其中t是时间，τ是片段的起点时间，是所述模型（H)在确定的时间和地点 处的线性化算子，和^是流量和边界条件的增量，S c是浓度变化，以及Sb是标量。6. 根据权利要求5所述的用于确定气体流量的方法，其特征在于，对于首个片段，通过 下式估计气体浓度变化：其中T是所述研宄持续时间的起点。
【专利摘要】本方法用于根据先验流量、气体浓度值的物理观测值，使用表示气体行为，尤其表示气体的运动的数字模型，来确定地理空间中出现和消失的气体流量，所述方法包括迭代计算和朝着使成本函数最小化的解的方向对流量的连续确定值进行收敛，其特征在于，对应于大气反演模型的所述模型在时间片段(5)上进行操作，所述时间片段(5)是一个接一个地连续排列并且具有能够修正每一个片段(5)的不准确的计算起点的重叠部(6)。因为计算涉及参数的增量，尤其涉及浓度值的增量，所以核对所述片段结果并不困难。本方法应用于气体(例如二氧化碳，即，温室气体)源的定位。
【IPC分类】G06Q50/26, G06Q10/04
【公开号】CN104903920
【申请号】CN201380058661
【发明人】弗雷德里克·舍瓦利耶
【申请人】原子能和替代能源委员会
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2013年11月12日
【公告号】EP2917884A1, US20150302118, WO2014072528A1
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