氣溶膠高值條件下二氧化碳反演方法研究.pdf

1、二氧化碳(CO2)是大氣中一種重要的溫室氣體，其溫室效應(yīng)導(dǎo)致的氣候變暖，引發(fā)了頻繁而劇烈的極端惡劣氣候，因此，高精度探測(cè)CO2是當(dāng)今國(guó)際社會(huì)普遍關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題。傳統(tǒng)的CO2測(cè)量是地基觀測(cè)方法缺乏進(jìn)行全球大范圍實(shí)時(shí)探測(cè)的能力。衛(wèi)星觀測(cè)可以覆蓋全球，獲得穩(wěn)定連續(xù)、時(shí)空一致性較好的、全球和區(qū)域尺度的數(shù)據(jù)，具有較大的優(yōu)勢(shì)和發(fā)展前景。對(duì)全球大氣CO2觀測(cè)數(shù)據(jù)的精度只有達(dá)到1％或更高，才能較好地應(yīng)用與全球氣候研究，正因?yàn)槿绱耍壳皩ｉT用于大氣CO2

2、探測(cè)的衛(wèi)星提出的目標(biāo)精度都高于1％。對(duì)于如此高精度的要求，國(guó)際上將CO2反演的大氣條件限定在光學(xué)厚度小于0.3晴空天氣，目前仍存在著一定的困難。在我國(guó)，大氣較為混濁的情況較多，要使反演精度達(dá)到如此高精度，則面臨著更大的困難。本文以我國(guó)高分5號(hào)衛(wèi)星CO2反演需求為應(yīng)用背景，對(duì)大氣CO2衛(wèi)星遙感基本原理進(jìn)行分析，構(gòu)建高值氣溶膠條件下的大氣CO2反演模型，在此基礎(chǔ)上探索氣溶膠高值條件下的大氣CO2反演方法。
　　大氣CO2衛(wèi)星遙感得到是

3、經(jīng)過(guò)大氣和地面作用的太陽(yáng)輻射量。CO2反演即是剝離接收信號(hào)中其它影響因素提取CO2濃度信息的過(guò)程。在氣溶膠高值條件下，大氣本身及其與地面耦合的復(fù)雜性，在輻射傳輸方程上表現(xiàn)為解的不唯一性，在反演上表現(xiàn)為結(jié)果不穩(wěn)定或無(wú)法正常收斂現(xiàn)象，使衛(wèi)星遙感CO2反演精度難以提高。針對(duì)CO2反演方法是在區(qū)間尋求最佳結(jié)果的基本技術(shù)特點(diǎn)，本文在方法建立上是利用主成分分析為后續(xù)反演提供初值。在主成分分析中，對(duì)環(huán)境參量與反演誤差關(guān)系進(jìn)行分析，對(duì)各種環(huán)境參量進(jìn)行分

4、類，使主成分分析結(jié)果相對(duì)準(zhǔn)確。本文與主成分分析方法配合的CO2反演方法是光子概率密度函數(shù)PPDF方法，這是一種從統(tǒng)計(jì)角度考慮光子在傳輸中路徑與被吸收可能性發(fā)生改變的方法，是從光子傳輸過(guò)程的路徑長(zhǎng)度研究光譜輻射傳輸與大氣中CO2濃度關(guān)系的方法。針對(duì)反演方法應(yīng)用于光學(xué)厚度較大情況，本文在基于O2 A波段的PPDF-D的基礎(chǔ)上，拓展到結(jié)合CO2強(qiáng)吸收帶2.0um開(kāi)發(fā)出PPDF-S反演方法，后者利用0.76um和2.0um聯(lián)合反演PPDF因子，

5、以提高反演因子對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力，最后實(shí)現(xiàn)利用CO2的1.58um吸收帶反演CO2濃度的目的。
　　本文為驗(yàn)證反演方法的可行性，首先在光學(xué)厚度較低時(shí)進(jìn)行驗(yàn)證，此時(shí)選用塔克拉瑪干沙漠2013年的數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果顯示，在氣溶膠光學(xué)厚度較小時(shí)，相對(duì)于GOSAT提供的反演結(jié)果，采用PPDF-D反演結(jié)果的偏差為0.5％左右，利用PCA和PPDF-D聯(lián)合反演，得到反演結(jié)果偏差在0.38％左右;同時(shí)其反演方差明顯低于僅用PPDF-D反演偏差。因

6、此基于GOSAT-FTS的數(shù)據(jù)在光學(xué)厚度較小時(shí)算法的反演精度可以控制在1％以內(nèi);其次再驗(yàn)證光學(xué)厚度較大時(shí)，結(jié)果顯示:在光學(xué)厚度較小時(shí)利用主成分分析和兩通道光子概率密度函數(shù)相結(jié)合可以有效校正云和氣溶膠的散射效應(yīng);在光學(xué)厚度較大時(shí)，其校正能力有所下降，但是增加2.0um通道形成的三通道光子概率密度可彌補(bǔ)目前兩通道光子概率密度存在的不足;最后和地基站點(diǎn)TCCON數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，利用2016年1月-2016年4月的TCCON站點(diǎn)附近的GOSAT衛(wèi)