一种光腔衰荡光谱仪温室气体数据质控方法及系统与流程

本发明涉及气象分析，更具体地，涉及一种光腔衰荡光谱仪温室气体数据质控方法及系统。

背景技术：

1、温室气体本底观测数据是气象部门独有的气候资料，在气候、环境和生态领域科学研究中发挥着举足轻重的作用，而高质量的观测数据又是深入开展应对气候变化科研与业务工作的前提和基础。面对温室气体观测业务高质量发展的新形势和新要求，有必要研制一套科学合理本底站使用的大气本底温室气体数据质量控制算法，以支撑温室气体本底观测数据的更好应用。

2、在本发明技术之前，国际上普遍采用picarro仪器开展温室气体在线监测，也出台了一些规范性文件给出picarro仪器正常运行参数、温室气体标准气体溯源、全球观测的网络兼容性目标等建议和方案，此外，也建立了大气本底观测网长期业务化运行的完整链条及相应的质量管理体系，但无针对picarro光腔衰荡光谱原理的数据质控方法，难以快速的得到准确、可靠的大气co2、ch4和co浓度数据。

技术实现思路

1、鉴于上述问题，本发明提出了一种光腔衰荡光谱仪温室气体数据质控方法及系统，对利用picarro仪器设备进行在线监测获得大气中co2、ch4和co浓度原始数据，通过数据质量控制算法，得到准确、可靠的大气co2、ch4和co浓度数据。

2、根据本发明实施例第一方面，提供一种光腔衰荡光谱仪温室气体数据质控方法。

3、在一个或多个实施例中，优选地，所述一种光腔衰荡光谱仪温室气体数据质控方法包括：

4、设置picarro采样方式及采样数据组成，进行样气中目标物质的浓度值；

5、对picarro仪器的光腔压力、光腔温度以及水汽测量结果进行判定，剔除异常数据；

6、对co2和ch4参数进行数据剔除，形成分钟级基础数据；

7、根据所述分钟级基础数据进行异常标记，并剔除异常数据，作为分钟级分析数据；

8、根据所述分钟级分析数据进行小时数据提取，并剔除异常标准差数据形成，标准小时数据；

9、根据近十年的标准小时数据，将不满足气候极值的阈值的数据剔除。

10、在一个或多个实施例中，优选地，所述设置picarro采样方式及采样数据组成，进行样气中目标物质的浓度值，具体包括：

11、picarro采样方式包括标气和空气样气，其中，标气包括工作标气w和目标标气t，空气样气包括高层样气h和低层样气l；

12、每间隔6小时设置一个标气和样气的测量顺序；

13、对于每个5mins的进样时长，前3mins用于清除，后2mins数据用于计算平均值；

14、测定的co2、ch4工作标的气浓度值，对空气样气后2mins的秒级数据，将超过mean±3σ范围的秒级数据剔除；

15、寻找每次采样数据之前24h内最邻近的工作标气，同样计算得到标气响应值，记为rw1；

16、寻找每次采样数据之后6h范围内的工作标气，并计算标气响应值，记为rw2，读取工作标气的标称值，记为cw；

17、利用第一计算公式计算当前样气中目标物质的浓度值；

18、若发生更换标气瓶则利用第二计算公式计算当前样气中目标物质的浓度值；

19、所述第一计算公式为：

20、cx=rx×cw/((rw1+rw2)/2)

21、其中，cx为当前样气中目标物质的浓度值，rx为当前样气中目标物质的响应值，cw为工作标气的标称值，rw1为某次采样数据之前的工作标气的响应值，rw2为某次采样数据之后的工作标气的响应值；

22、所述第二计算公式为：

23、cx=rx×(cw1/rw1+cw2/rw2)/2

24、其中，cw1为前一个工作标气的标称值，cw2为另一个工作标气的标称值。

25、在一个或多个实施例中，优选地，所述对picarro仪器的光腔压力、光腔温度以及水汽测量结果进行判定，剔除异常数据，具体包括：

26、对picarro仪器的光腔压力不满足第三计算公式进行筛选则剔除；

27、对picarro仪器的光腔温度不满足第四计算公式进行筛选则剔除；

28、对picarro仪器的水汽含量不满足第五计算公式进行筛选则剔除；

29、所述第三计算公式为：

30、139.9 psi＜a＜140.1 psi

31、其中，a为光腔压力

32、所述第四计算公式为：

33、45.02℃＜b＜44.98℃

34、其中，b为光腔温度

35、所述第五计算公式为：

36、c<0.05%

37、其中，c为水汽含量。

38、在一个或多个实施例中，优选地，所述对co2和ch4参数进行数据剔除，形成分钟级基础数据，具体包括：

39、判断co2的浓度不满足第六计算公式则剔除；

40、判断ch4的浓度不满足第七计算公式则剔除；

41、所述第六计算公式为：

42、300≤xo2≤1200 ppm

43、其中，xo2为co2的浓度；

44、所述第七计算公式为：

45、1500≤xh4≤4000 ppb

46、其中，xh4为ch4的浓度。

47、在一个或多个实施例中，优选地，所述根据所述分钟级基础数据进行异常标记，并剔除异常数据，作为分钟级分析数据，具体包括：

48、对缺测数据进行时间序列补齐和去重；

49、分类台站，具体包括全球站与区域站；

50、对所述全球站判断若不满足第八计算公式，则认为存在偏差，应将目标标气对应时刻及前后3h的co2/ch4数据进行异常标记，并剔除异常数据；

51、对所述区域站判断若不满足第九计算公式，则认为存在偏差，应将目标标气对应时刻及前后3h的co2/ch4数据进行异常标记，并剔除异常数据；

52、先将仪器故障的无效数据剔除，并将分层时段的高层异常数据剔除，其中，分层时段的高层异常数据具体为每个5mins的进样时长中前3mins对应的采集数据；

53、将剔除异常数据后的全部分钟数据作为分钟级分析数据；

54、所述第八计算公式为：

55、

56、其中，f为当前的co2目标标气浓度，f0为前一个co2目标标气浓度，g为当前的ch4目标标气浓度，g0为前一个ch4目标标气浓度，；

57、所述第九计算公式为：

58、。

59、在一个或多个实施例中，优选地，所述根据所述分钟级分析数据进行小时数据提取，并剔除异常标准差数据形成，标准小时数据，具体包括：

60、1h内的分钟级有效数据达到50%及以上，则计算当前小时的当前站点对应物质的浓度平均值；

61、小时变率为相邻两个小时间的差值，计算小时变率；

62、若当前小时与前一小时的差值超过阈值，则将当前小时数据进行标记并剔除；

63、若前一小时浓度平均值为空时，则当前小时浓度平均值同样被标记，并剔除；

64、将删除后的数据，作为标准小时数据。

65、在一个或多个实施例中，优选地，所述根据近十年的标准小时数据，将不满足气候极值的阈值的数据剔除，具体包括：

66、根据近十年的标准小时数据，逐一分析每个站点的co2的10年最大值和10年最小值；

67、根据近十年的标准小时数据，逐一分析每个站点的ch4的10年最大值和10年最小值；

68、在每次计算获得新的标准小时数据后，若当前站点的co2不在10年最大值和10年最小值之间，则剔除；

69、在每次计算获得新的标准小时数据后，若当前站点的ch4不在10年最大值和10年最小值之间，则剔除。

70、根据本发明实施例第二方面，提供一种光腔衰荡光谱仪温室气体数据质控系统。

71、在一个或多个实施例中，优选地，所述一种光腔衰荡光谱仪温室气体数据质控系统包括：

72、气体控制模块，用于设置picarro采样方式及采样数据组成，进行样气中目标物质的浓度值；

73、参数质控模块，用于对picarro仪器的光腔压力、光腔温度以及水汽测量结果进行判定，剔除异常数据；

74、极值控制模块，用于对co2和ch4参数进行数据剔除，形成分钟级基础数据；

75、偏差检查模块，用于根据所述分钟级基础数据进行异常标记，并剔除异常数据，作为分钟级分析数据；

76、时间检查模块，用于根据所述分钟级分析数据进行小时数据提取，并剔除异常标准差数据形成，标准小时数据；

77、气候剔除模块，用于根据近十年的标准小时数据，将不满足气候极值的阈值的数据剔除。

78、根据本发明实施例第三方面，提供一种计算机可读存储介质，其上存储计算机程序指令，所述计算机程序指令在被处理器执行时实现如本发明实施例第一方面中任一项所述的方法。

79、根据本发明实施例第四方面，提供一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器用于存储一条或多条计算机程序指令，其中，所述一条或多条计算机程序指令被所述处理器执行以实现本发明实施例第一方面中任一项所述的方法。

80、本发明的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：

81、本发明方案中，数据质控在时间尺度上从小时级延伸至秒级、分钟数级，基于长序列数据统计分析，获取时间变率、气候极值等指标阈值。

82、本发明方案中，利用设备参数、气候态变化、离群异常、台站记录等多种信息诊断识别错误数据。

83、本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

84、下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。