大气CO2反演中云和气溶胶的影响及其校正方法

论文摘要

人类活动导致大气温室气体含量不断增加,由此引起全球变暖、极端恶劣气候频发等现象,正成为当今社会广泛关注的热点问题。CO2作为重要温室气体,探测其浓度分布及变化,是全球气候变化研究的基础。卫星大气CO2遥感具有全球范围内长时间序列和广空间范围的特点,有其它探测技术无法替代的优势。CO2是大气中长驻气体,浓度低、梯度小,只有高精度观测结果才能在气候研究中发挥作用,因此,卫星大气CO2遥感的关键在于高精度,反演是其中的关键技术。反演作为从遥感数据中提取CO2浓度信息的技术,面临着云污染、大气和地表参量具有不确定性等诸多因素的干扰,因此,目前反演中存在着精度难以提高和结果不够稳定的问题。本文就大气CO2反演面临的问题,分析和提出了克服云、气溶胶和地表等对反演影响的算法,并在此基础上完成了 CO2反演的完整流程。从统计结果上看,天空绝大部分被云所覆盖,在大气CO2反演中,被云所覆盖的遥感数据不能用于反演,因此,进行云筛选是提高反演效率、保障反演质量的基础工作。目前遥感数据云检测方法较多,各种方法均存在一定的优势和不足,本文在分析现有方法特点和所能利用数据信息的基础上,提出了多载荷协同筛选的方法,我们称之为 CGDC 算法（Combined GMI and DPC Cloud-screening）。这种方法将氧气在大气中高度均匀性与偏振光谱对云辐射敏感性相结合,以此提高温室气体反演中的云筛选效率。该算法应用于我国高分5号卫星温室气体探测仪GMI（Greenhouse-gases Monitoring Instrument）全球 1 6 天在轨实测数据,检测GMI观测点77581个,筛选出晴空观测点9508个,占比12.26%。利用融合后的MODIS云掩膜和卷云反射率数据集验证该算法云检测的正确率,在陆地上可以达到92.93%,海洋上可以达到81.91%。气溶胶和卷云改变了大气辐射过程的分布状态和传输路径,成为影响反演精度的重要因素。本文从影响机理出发,利用MODIS全球气溶胶模式和GHM卷云模型仿真GMI观测数据。分析在典型亮度地表情况下,主要模式气溶胶和卷云光学厚度不确定性引起的反演误差。并进一步研究了光学厚度垂直分布不同对反演结果的影响,指导着我们反演过程中对气溶胶廓线的选择与处理。针对气溶胶模式在反演过程中的重要影响,本文引入聚类分析技术,对全球气溶胶特性和分布进行总结与归类,构建了适用GMI全球反演的气溶胶模式数据库。服务于GMI的CO2反演,降低了 CO2反演误差、提高全球反演结果的可比性。地表反射辐射复杂性成为影响大气CO2反演精度的重要原因。地表反射辐射的复杂性表现为辐射空间分布不同和地气耦合差异,由此改变辐射传输过程,进而影响着大气C02反演精度,因此地表不同方向反射特性的准确描述成为提高CO2反演精度的重要手段。鉴于全球范围研究的巨大工作量,本文以京津冀地区为例开展相关研究。京津冀地区地表类型丰富,气溶胶时空分布复杂,属于人类强活动影响下的气溶胶高值区域,因此,在地表、大气和CO2源等方面具有代表性。本文针对研究对象的差异,研究区域分为城区和非城区。城区以北京城市为例,利用2011到2016五年的MODIS地表二向反射分布函数BRDF数据,构建了适合利用单次观测数据反演的地表模型,并提出一种同时反演地表BRDF参数和大气CO2含量的算法。结果表明在气溶胶光学厚度小于0.4时,大部分GMI模拟数据的反演误差控制在0.5%（约2 ppm）内。利用GMI光谱带宽截断的GOSAT数据反演结果与修正后的GOSATNIES反演结果进行对比,其平均误差为1.25 ppm,相关性达到0.85。对于非城市区域,利用RPV模型代替Lambertian模型,反演了气溶胶光学厚度小于0.4的观测点,结果相关性为0.788,平均误差为1.50 ppm。区域性反演方法精细化满足了 GMI数据在京津冀区域高精度C02反演的需求,并使得反演气溶胶高值区域成为可能,提高了 GMI观测数据的利用率。本文提出了 PPDF因子从O2-A带到CO2-1带的转化和数据后筛选方法,并完整地构建了适合GMI数据的三层PPDF模型反演算法。反演2018年9月GMI的观测数据,与OCO-2、GOSAT卫星产品和TCCON地面测量结果进行对比。结果表明,PPDF算法反演值整体略高于GOSAT,其中和GOSAT产品的平均偏差为1.72ppm,相关性为0.926;PPDF算法反演值和OCO-2产品交叉对比的平均偏差为-2.25 ppm,误差较大的区域集中在高纬度地区,总体相关性为0.911。与高精度地基观测站TCCON站对比的结果表明,GMI反演结果与6个TCCON站的相关性为0.741,平均偏差为-0.85 ppm,反演结果和在北极圈附近的Sodankyla站点数据相差较大,在对比中剔除该站点,GMI整体反演结果和TCCON的相关性上升为0.869,平均偏差降低为-0.3 ppm。整体上,三层PPDF算法在GMI数据上的反演结果稳定,与国际上同类传感器的反演结果相关性高。在纬度大于60°后,由于GMI载荷的信噪比降低,反演结果与TCCON实测结果偏差略大,表明随着未来遥感探测技术的提高,该反演方法的应用能力有望进一步提高。

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ABSTRACT

第1章绪论

1.1 研究背景及意义

2'> 1.1.1 温室效应与大气CO₂

2'> 1.1.2 卫星监测大气CO₂

1.2 温室气体卫星载荷的发展现状

1.2.1 热红外高光谱传感器发展

1.2.2 短波近红外高光谱传感器发展

1.2.3 主动激光雷达传感器发展

1.3 短波近红外反演算法的发展现状

1.3.1 经验统计算法

1.3.2 物理反演方法

1.3.3 反演中云和气溶胶的影响

1.4 研究内容和意义

1.4.1 研究方法和意义

1.4.2 主要完成的工作

第2章大气辐射传输理论基础

2.1 大气分层

2.2 大气中气体吸收理论

2分子吸收'> 2.2.1 大气O₂分子吸收

2分子吸收'> 2.2.2 大气CO₂分子吸收

2.3 大气中散射理论

2.3.1 瑞利散射

2.3.2 洛伦兹-米散射

2.3.3 几何光学散射计算

2.4 云和气溶胶相关理论

2.4.1 云和气溶胶概述

2.4.2 云物理特性

2.4.3 气溶胶物理特性

2.5 前向模型与仿真

第3章协同云检测方法研究

3.1 GMI观测点的指向配准

3.1.1 海岸线数据提取

3.1.2 GMI指向配准算法

3.1.3 海陆阈值与校正结果

3.1.4 多源数据时空匹配

3.2 协同云筛选算法

3.3 云检测结果与检验

3.4 本章小结

2反演参数敏感性分析'>第4章大气CO₂反演参数敏感性分析

4.1 卷云和气溶胶参数敏感性分析

4.1.1 光学厚度敏感性分析

4.1.2 垂直分布敏感性分析

4.2 全球气溶胶模式设定和误差分析

4.3 地表反射影响

4.3.1 研究区概况

4.3.2 地表反射率模型

4.3.3 京津冀地表BRDF模型

4.3.4 反演误差分析

4.4 本章小结

2反演算法和结果验证'>第5章大气CO₂反演算法和结果验证

5.1 概述

5.2 物理反演算法中的地表模型优化

5.2.1 物理反演方法

5.2.2 状态向量的先验值和预处理

5.2.3 先验协方差矩阵构建

5.2.4 反演中地表反射率模型优化

5.3 卷云和气溶胶散射校正

5.3.1 三层PPDF模型构建

2-A通道反演PPDF参数'> 5.3.2 O₂-A通道反演PPDF参数

5.3.3 模型散射校正有效性评估

2含量反演'> 5.3.4 大气CO₂含量反演

5.3.5 反演结果检验

5.4 本章小结

第6章总结与展望

6.1 主要研究内容和结论

6.2 论文创新点

6.3 存在的问题和展望

参考文献

附录

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果

文章来源

类型: 博士论文

作者: 吴浩

导师: 王先华

关键词: 遥感,云检测,大气散射,地表模型,反演算法

来源: 中国科学技术大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑

专业: 气象学,气象学,环境科学与资源利用,环境科学与资源利用

单位: 中国科学技术大学

分类号: P426.5;P402;X513;X87

DOI: 10.27517/d.cnki.gzkju.2019.000379

总页数: 159

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大气CO2反演中云和气溶胶的影响及其校正方法

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