大气CO2浓度卫星遥感进展

大气CO2是重要的温室气体,CO2浓度及其空间分布是全球气候变化评估中的主要不确定性因素之一。从1998年以来,卫星遥感大气CO2成为获取全球CO2的重要手段。本文阐述了现阶段大气CO2浓度卫星遥感反演进展情况,包括CO2探测载荷、反演算法和算法验证等。同时,论文详细介绍了近红外波段和热红外波段的反演算法特点和不确定因素,并针对CO2反演应用需求提出了展望。     

短波红外CO2反演过程约束研究及初步反演结果

短波红外通道卫星CO2遥感是近年国际研究热点。首先,开展了卫星观测对气溶胶及大气温度的敏感性研究;其次,针对基于最优化理论的非线性迭代反演方法反演过程中的不收敛问题,提出了修正的阻尼牛顿方法(MDNM),并利用模拟数据评估了MDNM方法的有效性;最后,利用GOSAT卫星数据反演CO2的垂直混合比浓度,并与地基TCCON站点数进行比对。研究结果表明:短波近红外CO2卫星遥感受气溶胶散射及温度影响明显;通过地基比对初步验证了MDNM具有良好的精度,两者的相关性R2达到了0.729。     

北京城市下垫面大气CO2反演算法

大气温室气体监测仪GMI（Greenhouse gases Monitor Instrument）是高分五号（GF-5）卫星载荷之一,主要用于全球温室气体含量监测和碳循环研究。高精度反演是卫星大气CO₂遥感的基本需求。地表反射率影响卫星遥感辐射量及辐射传输过程中的地气耦合过程,严重制约着CO₂的反演精度,针对GMI开发高精度的大气CO₂反演算法,地表反射是一个需要重点考虑的因素。城市是CO₂重要的发射源,且城市下垫面存在明显的二向反射特性,加上城市大气条件不良,复杂的地气耦合效应存在这都考验反演算法的准确性和鲁棒性。本文针对北京城市地区,利用2011年—2016年共5年的MODIS（MODerate-resolution Imaging Spectroradiometer）地表二向反射分布函数BRDF（Bidirectional Reflectance Distribution Function）数据,构建了适合利用单次观测数据反演的BRDF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550 nm波长处气溶胶光学厚度AOD（Aerosol Optical Depth）小于0.4时,大部分GMI模拟数据的反演误差控制在0.5%（~2 ppm）内。利用GOSAT （Greenhouse gases Observing SATellite）实测数据的反演结果与修正后的日本国立环境研究所NIES（National Institute for Environmental Studies）反演结果进行对比,其平均误差为1.25 ppm,相关性达到0.85。本算法满足GMI数据在北京城市区域高精度CO₂反演的需求,并使得反演高值气溶胶区域数据成为可能,增加了GMI观测数据的利用率。     

大气CO2浓度时空变化卫星遥感监测的应用潜力分析

GOSAT卫星观测反演大气CO2浓度精度已经提高到了1—2 ppm,而卫星数据能否准确地揭示全球和区域大气CO2浓度变化特征还缺乏充分的评价与分析。本文针对已经连续运行观测3年的GOSAT卫星,收集了来自美国NASA-OCO团队(ACOS)和日本环境研究所GOSAT团队(NIES)基于各自算法反演的两套大气CO2柱浓度数据,描述并分析了全球大气CO2时空变化特征。分析结果表明,从XCO2反演的绝对值结果来看ACOS总体上比NIES的高出约2 ppm左右,但从时空的相对变化上它们揭示了相近的大气CO2浓度时空变化特征。两套数据显示出全球平均大气CO2浓度在2010年—2012年的3年期间年增量分别为1.8 ppm和2.0 ppm;季节变化幅度,北半球最大4—6 ppm,南半球最大约2 ppm,这与地面观测结果基本一致。进一步将EDGAR 4.2人为排放总量格网化数据与GOSAT卫星观测反演的CO2浓度进行相关统计分析,结果指出两套数据对人为排放量有着微弱的响应。本文结果指出目前GOSAT卫星观测反演的XCO2可以检测出全球和区域大气CO2浓度的年变化、季节变化和区域空间变化的特征;GOSAT卫星10.5 km空间分辨率的观测虽难于检测出点源的浓度变化,但从区域上对人为排放的累积效应的监测显示了一定的应用潜力。     

利用走航式数据对南大洋大气CO2廓线遥感反演

利用中国第24次南极考察期间获取的南大洋上空走航式大气CO₂数据和大气红外探测器(AIRS)探测的辐射率, 进行基于纬度分类下的统计回归, 其结果作为物理反演的初始猜测场。通过逐线积分辐射传输模式, 利用AMSU大气温度廓线和AIRS中13个通道的辐射测值反演南大洋上空的大气CO₂浓度廓线, 与WDCGG提供的固定站点下的大气CO₂浓度进行比较, 反演精度随纬度的变化而变化, 从低纬到高纬相对误差分别为0.31%、1.17%、2.63%。与同期国外卫星产品CO₂/AIRS比较, 相对误差为1.11%、1.07%。     

GOSAT卫星数据监测中国大陆上空CO2浓度时空变化特征

中国地区大气CO2浓度对全球气候变化有重要的影响。本文基于日本GOSAT卫星短波红外CO2的长期观测数据,对2010年-2016年中国大陆上空CO2浓度的分布特征和变化趋势进行分析研究。利用高精度的地基TCCON站点CO2观测对GOSAT CO2数据进行精度验证,结果表明,GOSAT CO2具有较高的精度,相对TCCON CO2的偏差为-1.04±2.10 ppm,两者的相关系数高达0.90;利用中国地区7年的GOSAT CO2观测数据分析研究显示,CO2浓度高值主要分布在中国的浙江-江苏-安徽地区、京津冀地区和湖南-湖北-河南-陕西地区;截至2016年,中国大部地区CO2浓度超过400 ppm;中国大陆CO2平均浓度呈现明显的逐年增长趋势,从2010年的387.76 ppm增长到2016年的402.18 ppm,年增长率约为2.31 ppm/a,略高于同期全球平均水平。     

O2-O2云反演算法及其在TROPOMI上的应用

利用遥感技术对大气环境污染进行监测时,云是影响痕量气体反演精度的重要因素,因此在痕量气体反演中需要对云的影响进行校正,通常使用的云参数主要是有效云量和云压。本文基于O₂-O₂ 477 nm吸收波段构建了O₂-O₂云反演算法：首先,根据有效云量和云高与连续反射率和O₂-O₂斜柱浓度之间的对应关系,结合假定的云模型利用VLIDORT辐射传输模型建立关于有效云量和云压的查找表;然后,通过差分吸收光谱技术拟合卫星载荷观测的大气层顶辐射,获得O₂-O₂斜柱浓度并计算连续反射率;最后,结合辅助数据,根据查找表进行插值反演获得有效云量和云压。通过将算法应用到OMI观测数据,将反演结果与OMCLDO2产品进行对比验证,有效云量和云压空间分布一致,相关系数R均超过0.97;并还将该算法应用于下一代大气成分监测仪器TROPOMI,与FRESCO+产品对比,有效云量和云压空间分布基本一致,当地表类型为海洋时,有效云量相关系数R大于0.97,云压相关系数R大于0.94,云压反演结果存在一定的区别;通过将O₂-O₂云反演算法和FRESCO+云压反演结果与CALIOP Cloud Layer产品进行对比,结果表明,在低云情况下,O₂-O₂云反演算法线性回归方程斜率为0.782,截距为198.0 hPa,相关系数R为0.850,算法表现优于FRESCO+。而在高云情况下,FRESCO+反演结果更接近CALIOP云压结果。在OMI和TROPOMI上的应用表明O₂-O₂云反演算法在大气云反演中具有较高的准确性和可行性,可以为大气痕量气体反演的校正提供云参数,并为中国同类型卫星载荷的云反演算法提供算法参考。     

CO2 concentration and its spatiotemporal variation in the troposphere using multi-sensor satellite data,carbon tracker,and aircraft observations

Satellite-based atmospheric CO₂ observations have provided a great opportunity to improve our understanding of the global carbon cycle. However, thermal infrared (TIR)-based satellite observations, which are useful for the investigation of vertical distribution and the transport of CO₂, have not yet been studied as much as the column amount products derived from shortwave infrared data. In this study, TIR-based satellite CO₂ products – from Atmospheric Infrared Sounder, Tropospheric Emission Spectrometer (TES), and Thermal And Near infrared Sensor for carbon Observation – and carbon tracker mole fraction data were compared with in situ Comprehensive Observation Network for Trace gases by AIrLiner (CONTRAIL) data for different locations. The TES CO₂ product showed the best agreement with CONTRAIL CO₂ data resulting in R² ~ 0.87 and root-mean-square error ~0.9. The vertical distribution of CO₂ derived by TES strongly depends on the geophysical characteristics of an area. Two different climate regions (i.e., southeastern Japan and southeastern Australia) were examined in terms of the vertical distribution and transport of CO₂. Results show that while vertical distribution of CO₂ around southeastern Japan was mainly controlled by horizontal and vertical winds, horizontal wind might be a major factor to control the CO₂ transport around southeastern Australia. In addition, the vertical transport of CO₂ also varies by region, which is mainly controlled by anthropogenic CO₂, and horizontal and omega winds. This study improves our understanding of vertical distribution and the transport of CO₂, both of which vary by region, using TIR-based satellite CO₂ observations and meteorological variables.     

高分五号大气痕量气体差分吸收光谱仪对流层NO2柱浓度遥感反演研究

搭载于“高分五号”（GF-5）卫星上的痕量气体差分吸收光谱仪（EMI）是一台星下观测的高光谱载荷,测量紫外和可见光光谱范围的地球后向散射辐射,设计用于大气痕量气体的探测。本研究基于EMI在VIS1通道的实测光谱,利用差分光学吸收光谱（DOAS）方法进行了对流层NO₂柱浓度反演,展示了基于EMI载荷的对流层NO₂柱浓度反演结果,与同类载荷产品进行交叉验证,并利用地基观测结果进行了地基验证。研究表明,EMI反演结果与OMI、TROPOMI具有较好的空间分布一致性和较低的相对偏差,与TROPOMI具有较好的时间变化一致性。地面验证结果表明EMI NO₂反演结果具有较高的精度。本研究证明了EMI在全球NO₂监测方面的能力,可以为中国后续污染气体探测载荷的设计和反演算法的开发提供参考。     

草地植被净第一性生产力及固碳释氧量的估算

草地植被净第一性生产力表征了草地生态系统的物质量,是评价草地生态系统物质生产能力的重要指标。本文基于ERDAS和ArcMap软件平台,由1990、2000和2007年ETM+影像数据提取出NDVI值,结合相应时段的气候数据,对陕北农牧交错带草地生态系统净第一性生产力及固碳释氧量进行测算,研究并分析了1990-2007年间其NPP及固碳释氧量的时空变化特征。     

珠江三角洲地区SO2浓度卫星遥感长时间序列监测

利用卫星OMI(Ozone Monitoring Instrument)数据获得的长时间序列SO₂浓度,分析广州亚运会从申办到成功举办期间珠江三角洲地区近地面SO₂浓度的变化过程,以及亚运会举办期间珠江三角洲SO₂浓度分布状况。结果表明OMI能够反映近地表的SO₂浓度变化趋势,广州亚运会从申办到成功举办期间珠江三角洲地区近地面SO₂浓度表现出明显的季节变化,且亚运会期间该地区近地面SO₂浓度比以往年同期要低,说明珠江三角洲地区联动的空气质量保障措施明显降低了该地区近地面的SO₂浓度。     

高分五号大气痕量气体差分吸收光谱仪观测数据的火山喷发SO2总量反演

火山喷发产生的高浓度SO₂气体及其远距离输送会对全球气候变化和航空飞行安全产生重要影响。卫星遥感技术以大面积连续观测、高时空分辨率等优势成为大气SO₂监测的重要手段之一。作为中国第一颗紫外可见光波段的高光谱载荷,高分五号卫星大气痕量气体差分吸收光谱仪（GF-5 EMI）通过探测地球大气或表面反射、散射的紫外辐射来解析SO₂总量的分布和变化。本文首先基于大气辐射传输模型SCIATRAN,选择中低纬地区地表类型均一的海洋区域像元,模拟了典型大气条件下的晴空天顶反照率,用以评价EMI载荷天顶观测光谱的精度。其次,基于TROPOMI L1 Radiance辐亮度数据和DOAS反演原理,经477 nm O₄云筛选、光谱定标、慢变剔除、斜柱转垂直柱等步骤后,获得同一火山喷发区域的SO₂总量反演结果并与TROPOMI官方offline L2 SO₂产品进行对比分析。最后,利用GF-5 EMI UV-2通道观测数据,采用DOAS算法反演获得GF-5 EMI大气SO₂总量,并将反演结果与国际同类载荷S5P/TROPOMI SO₂总量结果进行比较分析,评判GF-5 EMI在全球火山活动SO₂变化监测方面的能力。结果显示,300—400 nm波段范围内,海洋区域采样点EMI观测光谱值低于SCIATRAN模拟光谱值,EMI与TROPOMI观测光谱呈现出相似的系统性偏差。基于高空间高光谱分辨率的TROPOMI L1 Radiance辐亮度数据、315—327 nm、325—335 nm和360—390 nm共3个波段窗口、以及上述DOAS反演原理获得的SO₂结果与TROPOMI官方发布的offline L2 SO₂产品结果相关性较高,两者的相关系数可达到0.97—0.99,相对偏差在3%—9%。GF-5 EMI能够获取火山喷发SO₂排放的时空分布特征,并与国际同类载荷TROPOMI反演结果具有较高的空间一致性,能够满足全球火山喷发监测、预警及其气候影响研究的应用需求。     

基于垂直订正和湿度订正方法估算川渝地区逐小时PM2.5

针对PM_2.5污染比较严重的川渝地区,本研究利用日本静止葵花卫星(Himawari-8)反演的气溶胶光学厚度(AOD)进行垂直订正和湿度订正估算川渝地区2017年—2018年09:00—16:00时的PM_2.5浓度。首先,基于气象观测的能见度(vis)数据与消光系数σa(λ)之间的关系,引入“标高(Ha)”对气溶胶光学厚度进行垂直订正;其次,根据匹配的气象和环境监测数据对每一个站点逐一拟合1—12月份的吸湿增长因子,并采用反距离加权空间插值(IDW)方法构建吸湿订正因子网格,从而进行湿度订正估算。研究结果表明,经垂直订正和湿度订正后,相比AOD与PM_2.5之间的相关性,“干”消光系数σ_dry与PM_2.5的相关性显著提高,相关系数(r)由0.12—0.45提高至0.32—0.69;验证09:00至16:00时卫星估算结果,相关系数(r)均大于0.7,均方根误差(RMSE)为18.59±2.26μg/m³;提取所有观测站点进行验证,r=0.82,RMSE=18...     

多源卫星遥感的华北平原大气NO2浓度时空变化

为探讨1996年以来华北平原对流层NO_2柱浓度变化的空间特征,基于GOME、SCIAMACHY和OMI卫星传感器的监测数据,以SCIAMACHY的NO_2柱浓度为基准,根据建立的GOME和SCIAMACHY,SCIAMACHY和OMI之间的相关关系,校正GOME和OMI监测的NO_2数据;利用线性正弦曲线模型拟合方法研究1996年—2016年长时间序列华北平原对流层NO_2变化的空间分布特征。结果显示,华北平原对流层NO_2浓度自1996年开始持续上升,到2011年达到最高值,然后呈现下降趋势。该变化趋势主要受经济发展和环保政策的双重影响。1996年—2011年,NO_2柱浓度高值区分布在北京市、天津市、河北唐山市和保定市、山东德州市和济南市、安徽滁州市以及江苏南京市、常州市和无锡市,并且具有较高增长率;2012年—2016年NO_2柱浓度平均值远高于1996年—2011年NO_2柱浓度平均值,高值地区范围扩大,分布在河北南部、河南北部和山东西部,但华北平原地区NO_2柱浓度均呈现负增长,表明"十二五"规划提出的大气环保政策取得了显著成效。同时,对流层NO_2柱浓度可以反映典型环保事件如北京奥运会、国庆阅兵和南京青奥会时期大气环保政策的实施效果。     

MODIS卫星遥感估计福州地区近地面PM2.5浓度

卫星遥感反演气溶胶光学厚度已被广泛应用于近地面空气污染遥感监测。为揭示福州地区细颗粒物污染的空间分异趋势,利用2014年—2015年的地基监测细颗粒物(PM_(2.5))浓度数据、MODIS 3 km气溶胶光学厚度(AOD)卫星数据以及GEOS-FP气象数据,分别构建了估计福州地区近地面PM2.5浓度的日校正模型和站点一日校正模型,并利用十折交叉验证方法对2个模型进行评价验证。结果表明:(1)日校正模型和站点一日校正模型分别能够解释福州地区PM2.5浓度76.2%和81.4%的变异,反演的2014年—2015年福州地区近地面PM2.5浓度和地面实测站点数据之间的相关性R~2分别为0.724(RMSE=10.993μg·m~(-3))和0.781(RMSE=9.687μg.m~(-3));(2)分别针对不同下垫面环境的城市站点和县郊站点数据进行模型拟合验证,两个模型反演的PM2.5浓度值与地面实测值之间皆具有良好的相关性,R~2最高可达0.808;(3)将模型反演的PM2.5浓度季均值与地面实测季均值进行对比分析,结果也显示二者高度相关,据此反演的2015年福州地区年平均PM2.5浓度分布图可清晰地揭示福州地区PM_(2.5)浓度分布的空间变化情况。由此可见,基于MODIS 3 km AOD产品和气象数据建立的近地面PM_(2.5)浓度遥感估算模型能够很好地反演出福州地区近地面PM2.5浓度分布情况。     

2005年-2014年京津冀对流层NO2柱浓度时空变化及影响因素

基于臭氧监测仪OMI对流层NO₂柱浓度产品研究了京津冀城市群2005年-2014年NO₂时空变化及影响因素:(1)10年柱浓度年均增长率为3.35%,且年度波动较大。忽略2008年国家奥运会的环境治理所引起的变化,2005年-2011年NO₂呈逐渐升高趋势;2012年-2014年呈逐渐降低趋势,以2014年下降最为显著。(2)呈西北低东南高的趋势。燕山-太行山山系以北的承德和张家口市浓度较低,山系以南主要有北京-天津-唐山与石家庄-邢台-邯郸两个污染中心。(3)京津冀北部三面环山不利于NO₂的扩散,夏季丰富的降水对NO₂具有显著湿沉降作用。(4)通过相关性分析、文献及国家政策印证等方法,发现地区产业及能源结构很大程度上决定了地区的污染来源。北京市10年来第三产业一直处于主导且稳步提高,煤炭消耗量低,但汽车保有量增加了1.5倍,主要来源为机动车尾气排放;天津市第二产业比第三产业比重略高,煤炭消耗量是北京的两倍之余,但汽车保有量仅是北京市的一半,由此可知工业排放和机动车是共同来源;河北省第二产业比重很高,燃煤量占京津冀地区的80.6%,河北省工业排放是NO₂的主要来源,但近几年随着机动车保有量的剧增,其尾气排放分担率不可小觑。     

基于卫星遥感的近地面PM2.5浓度反演进展

细颗粒物PM_2.5(Fine Particulate Matter)是影响空气质量和公共健康的关键因素之一。高时空分辨率的PM_2.5数据是公共健康风险评估和流行病学研究的基本需求。相较于地面站点,卫星遥感技术具有连续观测、宽覆盖和低成本的优势,基于卫星气溶胶光学厚度AOD (Aerosol Optical Depth)反演PM_2.5质量浓度的方法已成为热点。本研究概述了卫星AOD产品反演PM_2.5浓度的原理,介绍了用于PM_2.5反演的主要卫星AOD产品及其反演精度;总结了现有的PM_2.5估算方法及其优缺点,指出目前PM_2.5反演研究存在的问题;提出未来PM_2.5反演方向主要集中在高时空分辨率的PM_2.5浓度重建、基于激光雷达数据的三维PM_2.5浓度反演及PM_2.5化学组分反演等方向。比例因子法、物理机理模型和统计模型这3种方法都能在不同时期不同程度...     

基于OMI的亚洲地区对流层NO2高分辨率反演产品POMINO v2.1及其与其他产品的定量对比

对流层二氧化氮(NO₂)是一种重要的痕量污染气体。现有基于OMI卫星探测器、覆盖亚洲地区的NO₂公开产品QA4ECV、OMNO2和POMINO受到广泛使用,然而对于这3个产品的差异的定量认识仍然不足。我们将前期开发的POMINO产品进行了改进和优化,更新至v2.1并将反演区域扩大至覆盖东亚、东南亚和南亚大部分地区,随后定量分析了QA4ECV、OMNO2 v4和POMINO v2.1对流层NO₂垂直柱浓度在2015年—2020年在不同采样条件下的异同。结果显示,POMINO版本的更新对自身NO₂柱浓度反演结果的整体影响较小(<10%)。当3个产品均基于POMINO v2.1进行一致采样时,产品之间在整个亚洲区域的平均差异约为10%,在京津冀等污染地区的差异最高可达40%。3个产品均显示,京津冀地区NO₂柱浓度在五年间下降了约30%,而长三角地区的变化趋势较小。当3个产品进行分别采样时,POMINO v2.1的有效数据量比其他两个产品增加了11%—44%,特别是更好地保留了重...     

太赫兹临边探测O3与HCl敏感性分析

臭氧(O_3)是平流层大气最重要的成分之一,而随着人类活动增加的影响,平流层O_3不断减少。在O_3的衰减循环中,Cl化合物是最主要的介质,而氯化氢(HCl)是活性氯的储存库,因此同时探测O_3与HCl对进一步认清平流层O_3的源与汇具有重要意义。本文基于太赫兹临边探测辐射传输软件包ARTS(Atmospheric Radiative Transfer Simulator),模拟研究太赫兹临边探测O_3与HCl的敏感因子量化大气辐射传输及其他大气成分对O_3和HCl的影响。结果表明:(1)在太赫兹波段,O_3与HCl分别在切高大于8 km与大于10 km处,具有很高的敏感性,可以探测O_3与HCl垂直廓线;(2)太赫兹临边探测对于探测目标O_3和HCl,在10 km及以下高度,对目标的浓度变化不敏感,而在中高空则很敏感;温度与水汽的变化对O_3与HCl的探测影响不大,而传感器的天线半带宽及光谱分辨率对于O_3与HCl的探测有一定的影响。     

G0分布下基于白化滤波的极化SAR图像CFAR检测

在已有的极化合成孔径雷达(PolSAR)图像恒虚警(CFAR)检测方法中,存在着高分辨下杂波模型适用性差的难题。为解决此问题,提出了一种G_0分布下虚警概率具有闭合解析表达形式的CFAR检测方法,并定义虚警损失率(CFAR Loss, C_L)参数用以量化评估CFAR检测方法的恒虚警保持效果。首先,在乘积模型框架下,引入了逆Gamma纹理变量假设,推导出了多视极化白化滤波(MPWF)检测量的概率密度函数(PDF)。然后,对MPWF检测量的概率密度函数积分得到了虚警概率关于CFAR检测阈值的解析表达式,并设计了相应的CFAR检测流程。最后,采用仿真数据和AIRSAR实测数据对已有方法和新方法进行了算法运行时间、检测量拟合性能及目标检测性能对比。实验结果表明,方法运行时间比已有方法缩短3至30倍,具有良好的实时性;日本玉野地区的AIRSAR实测数据结果表明G_0分布对高分辨不均匀海区具有良好的拟合性能,且新方法在G_0分布和非G_0分布海区均能有效检测出目标,鲁棒性较强,相比其他检测方法品质因数(FoM)平均高出15.78%;C_L分析结果表明新方法具有良好的恒虚警保持性能,同时指出杂波对数累积量散点距离G_0分布曲线越近,新方法的恒虚警保持效果越好。