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CO2是當(dāng)今國際社會普遍關(guān)注的熱點問題。傳統(tǒng)的CO2測量是地基觀測方法缺乏進(jìn)行全球大范圍實時探測的能力。衛(wèi)星觀測可以覆蓋全球，獲得穩(wěn)定連續(xù)、時空一致性較好的、全球和區(qū)域尺度的數(shù)據(jù)，具有較大的優(yōu)勢和發(fā)展前景。對全球大氣CO2觀測數(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，正因為如此，目前專門用于大氣CO2

2、探測的衛(wèi)星提出的目標(biāo)精度都高于1％。對于如此高精度的要求，國際上將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，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。本文以我國高分5號衛(wèi)星CO2反演需求為應(yīng)用背景，對大氣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)過大氣和地面作用的太陽輻射量。CO2反演即是剝離接收信號中其它影響因素提取CO2濃度信息的過程。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，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，對環(huán)境參量與反演誤差關(guān)系進(jìn)行分析，對各種環(huán)境參量進(jìn)行分

4、類，使主成分分析結(jié)果相對準(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，是從光子傳輸過程的路徑長度研究光譜輻射傳輸與大氣中CO2濃度關(guān)系的方法。針對反演方法應(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強吸收帶2.0um開發(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、以提高反演因子對環(huán)境的適應(yīng)能力，最后實現(xiàn)利用CO2的1.58um吸收帶反演CO2濃度的目的。
　　本文為驗證反演方法的可行性，首先在光學(xué)厚度較低時進(jìn)行驗證，此時選用塔克拉瑪干沙漠2013年的數(shù)據(jù)進(jìn)行驗證，結(jié)果顯示，在氣溶膠光學(xué)厚度較小時，相對于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)厚度較小時算法的反演精度可以控制在1％以內(nèi);其次再驗證光學(xué)厚度較大時，結(jié)果顯示:在光學(xué)厚度較小時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，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目前兩通道光子概率密度存在的不足;最后和地基站點TCCON數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，利用2016年1月-2016年4月的TCCON站點附近的GOSAT衛(wèi)