国产傅立叶变换红外光谱温室气体在线监测仪及其在大气本底监测中的初步应用

大气温室气体的监测,是掌握温室气体浓度时空变化特征及其影响因素依据。而大气本底监测反映了较大范围内,因人类活动而造成的大气成份长期变化,是温室气体监测的基础数据。大气本底站附近温室气体浓度相对较低,年变化范围小,从而对温室气体连续监测技术精度与稳定性提出了更高的要求。本文基于傅立叶红外技术与WHITE型多次反射池技术方法,研究大气本底温室气体CO2、CH4、N2O超低浓度检测系统。针对CO2、CH4、N2O的分子吸收光谱特征,采用碳化硅作为光源,将测量波段选择在1900-2600区间;采用模拟仿真,模拟不同透过系数和多种气体混合干扰状态下的仪器理论测量精度,根据验证结果,傅里叶红外仪器在CO2、CH4、N2O测量方面表现良好,满足超低浓度温室气体的监测需求。     

基于GMI数据的植被荧光反演研究

太阳诱导叶绿素荧光直接指示植被生理状态,而植被作为重要的碳汇,若能利用温室气体卫星遥感数据反演出植被叶绿素荧光,则对于分析大气温室气体源、汇具有重要意义。利用氧气吸收线拟合法,基于GF-5卫星“大气主要温室气体监测仪(GMI)”及美国OCO-2遥感数据,针对亚马逊森林、撒哈拉沙漠和非洲草原地区2019年1月和7月GMI卫星遥感数据开展了叶绿素荧光反演研究,并将结果与OCO-2数据荧光产品进行对比分析。反演结果表明：以OCO-2荧光产品为基准,在三个研究区域的两个研究时段内,GMI数据能够较好地反演叶绿素荧光强度。     

长春光机所获得二氧化碳监测科学实验卫星载荷研制任务

据www.ciomp.ac.cn网站报道,由于温室气体排放引发的全球变暖效应已经受到世界各国的普遍关注,由此带来了对CO2等温室气体含量探测的迫切需求。针对此需求,科技部发布了"全球二氧化碳监测科学实验卫星与应用示范"     

卫星遥感温室气体的大气观测技术进展

全球、区域及城市的碳浓度、碳源汇信息是应对气候变化、达成双碳目标、完善国际谈判、支持治理政策制定与执行的重要依据。国际认可的“自上而下” 方法将卫星观测作为基础的通量计算技术, 是验证温室气体排放清单的重要手段。系统介绍了温室气体的卫星探测载荷原理、类别和发展, 以及反演、估算CO2、CH4 和N2O 的浓度和排放通量的方法, 还有探测缺失和误差存在的影响因素等; 分析了对卫星探测温室气体能力提高的迫切需求, 浓度反演和排放量估算精度不足, 以及N2O、氟化物等其他温室气体遥感研究缺乏、地基遥感验证能力薄弱等问题; 最后总结了我国温室气体卫星遥感技术的发展趋势, 主要是面向主被动高时空分辨率卫星的研制应用、高精度多尺度排放量估算(特别针对城市、小区域和点源尺度)、氟化物遥感评估等主题, 以加强对碳排放的量化观测, 并增强对碳循环的理解, 提高感知和应对气候变化的能力。     

LEO-LEO红外激光掩星CO_2浓度测量技术研究

利用基于近地轨道(LEO)卫星组网的红外激光掩星(LIO)技术,可对地球大气温室气体垂直廓线进行主动探测,为全球温室气体浓度廓线的测量提供新手段。介绍了基于LIO技术的大气温室气体浓度廓线的测量原理,针对最主要的温室气体CO_2建立了LIO信号链路模型,通过仿真分析了工作波数对CO_2探测精度的影响,并基于误差最小的仿真结果对CO_2探测波数进行优化选择。采用所选波数对LIO技术的探测性能进行分析,最终得到可用于CO_2浓度廓线探测的波数为4771.6215 cm~(-1)和4772.0240 cm~(-1)。在5～35 km高度的有效探测范围内,实现了0.6～1.4 km的垂直分辨率,CO_2浓度探测的相对随机误差小于0.8%,最小相对随机误差(0.229%)出现在10 km处。研究结果为星载LIO大气探测系统原理样机的设计提供了重要参考。     

印度将发射两颗极轨专用卫星以研究气候变化

据www.thaindian.com网站报道,印度将发射两颗极轨卫星以通过对温室气体的研究和探测来研究气候变化。这两颗卫星将于2010年和2011年发射,其中第一颗为用于开展大气研究的50kg重的微小卫星,第二颗为用于监测甲烷和二氧化碳之类温室气体的发射的遥感卫星。     

我国周边国家和地区的CO2本底浓度及对比分析

利用世界温室气体数据中心（WDCGG）数据资料和WMO资料,对中国大陆及周边国家和地区的主要温室气体CO2浓度等进行了初步分析。分析结果表明：总体而言,中国大陆瓦里关全球大气本底站与中国香港、日本、俄罗斯、韩国等周边国家和地区CO2浓度水平相近,变化趋势一致;中国香港和韩国CO2的浓度较高,日本、俄罗斯和中国瓦里关的浓度较低。多年观测数据的研究分析显示,北半球CO2平均浓度呈现逐年升高态势,且CO2平均年变化幅度与观测站所处海拔高度成反比。中国瓦里关全球本底站与美国Mauna Loa、Barrow、Trinidad Head全球大气本底站CO2浓度水平和变化趋势较为一致,年际变化幅度略高于Mauna Loa站,低于Barrow站。中国上甸子区域大气本底站CO2浓度变化比瓦里关及美国Mauna Loa、Barrow、Trinidad Head站剧烈,显示出上甸子站受区域排放影响较强的特性。     

基于短波红外波段吸收的CO2垂直柱浓度地基遥测反演方法研究

温室气体引起的全球变暖、气候变化等问题已成为国际关注的热点,其中CO2是重要的温室气体之一,CO2的监测与控制已经成为各国关注的重点。结合CO2在1.6 μm处的光谱吸收结构,利用加权函数修正的差分吸收光谱技术（weighted function modified difference absorption spectroscopy, WFM-DOAS）研究大气中CO2垂直柱浓度的反演方法。利用大气辐射传输模型仿真研究了不同参数对加权函数（weighted function, WF）计算灵敏度的影响,分别对观测高度、太阳天顶角、太阳方位角、地表反照率、光谱分辨率等参数对CO2 WF系数的影响进行了详细的计算分析。并以一整天测量的太阳光为例,对仪器的性能、CO2的垂直柱浓度及干扰气体CH4及H2O的垂直柱浓度进行了分析,初步分析得到的反演误差优于1%。     

温室气体及碳同位素比值傅里叶变换红外光谱分析的温度依赖关系研究

为了研究温度变化对温室气体及碳同位素比值光谱定量分析的影响,首先从理论上分析得出温室气体浓度及13CO2值的定量反演主要取决于吸收系数,并研究了吸收系数的计算方法.其次结合HITRAN数据库,研究了温度对线强、展宽以及吸收系数的影响规律,结果表明:压强为1 atm(1 atm=1.013105 Pa)恒定条件下,温度变化时,吸收系数受线强变化的影响强于受展宽变化的影响.最后通过实验验证了温室气体和碳同位素比值傅里叶变换红外光谱(FTIR)反演的温度依赖关系,其中碳同位素比值受温度变化影响幅度最大,单位温度变化对13CO2值的影响为14.37.文中结果为高精度温室气体及碳同位素比值红外光谱监测装置中的温度监控系统设计提供了理论依据.     

空气质量卫星遥感监测技术进展

随着全球及区域尺度内空气污染问题的日益突显,利用卫星遥感进行大气探测的技术也得到了不断发展。分别介绍了气溶胶、灰霾、近地面颗粒物、污染气体、温室气体的遥感反演原理,及近年来国内外算法和应用进展情况。同时,阐述了建立多源卫星空气质量监测系统的追切性,及其国内外发展现状。最后,针对目前我国空气质量卫星监测技术的需求,指出了目前大气遥感技术在我国发展的不足之处,并为进一步提升卫星遥感技术在大气监测领域的应用和扩展提出了一些建议。     

温室气体监测仪星上光谱定标及不确定度分析

大气主要温室气体监测仪(greenhouse gases monitoring instrument, GMI)采用空间外差干涉技术,能有效探测759~2058 nm波段大气高分辨率吸收光谱信息。星上定标是GMI光谱图像数据定量化应用的基础,在阐述了GMI成像和光谱定标原理的基础上,探讨了星上光谱定标方法,确定了外部光源特征谱线法的星上光谱定标方案。通过对模拟数据的计算,进一步分析了定标不确定度,得出星上光谱定标不确定度为0.030 nm。定标结果显示定标不确定度主要受定标光源不确定度,以及回归不确定度影响,该方法满足仪器的定标要求,为大气主要温室气体的定量化反演提供了依据。     

基于卫星遥感的中国地区XCO2 和XCH4 时空分布研究

人为活动排放的以CO2 和CH4 为主的大量温室气体是造成全球增温的主要因素。由于地面观测站点稀少, 卫星遥感为监测CO2 和CH4 的时空分布及变化趋势提供了新的技术手段。本文验证了GOSAT、OCO-2 卫星的大气 CO2 和CH4 柱浓度遥感产品XCO2 和XCH4 的精度, 并分析了我国XCO2 和XCH4 的时空分布和变化趋势, 主要结论 如下: (1) 在所用XCO2 遥感产品中, OCO-2 ACOS 与地面观测的相关性最高(达0.93); 而XCH4 产品中GOSAT OCPR 的相关性最高(达0.78)。(2) 在研究的时间跨度内, XCO2 浓度呈逐年上升趋势, 如我国OCO-2 XCO2 年均浓度由2014 年的396.92 × 10−6 增长到2021 年的414.72 × 10−6; CO2 浓度高值主要分布在城市和工业集中的中国东部地区, 西北 地区塔克拉玛干沙漠的高值与气溶胶散射影响有关; 同时, 受人为源和自然源的季节变化影响, XCO2 具有冬春高、夏 秋低的时间特征。(3) XCH4 浓度同样呈逐年上升趋势, 但与XCO2 不同, XCH4 浓度高值主要分布在天然气和煤炭开 采集中的四川东部、重庆西部、陕西与山西的中部地区, 以及工业集中的华北地区, 季浓度呈现夏秋高、春冬低的特 征。(4) 2020 年XCO2 高值区发生偏移; 相对于2020 年, 2021 年CO2 增速有所回升, 但增幅相对于2019 年之前仍有 所减小。     

短波红外通道CO2观测的温度敏感性分析

近红外通道观测大气CO2含量是利用其对太阳辐射的吸收作用,温度是影响吸收气体吸收的一个重要因子,文中讨论了CO2观测的温度敏感性.首先阐述了温度对气体吸收谱线的强度、增宽的影响;然后根据CO2反演过程中使用的大气温度产品的精度水平,利用逐线积分辐射传输模型模拟计算了1K的随机温度误差对垂直大气观测的影响,以及由此导致的CO2反演误差,并与模拟的1 ppm和2 ppm的CO2浓度变化所造成的观测与反演变化量进行了比较.通过对比分析六种大气模式下的模拟计算结果,得出1K大气随机温度误差是影响高精度大气CO2观测反演的重要因子.     

基于可调谐半导体激光吸收光谱技术对开放式长光程大气CO2的测量

CO2是地球大气中第三大含量的痕量气体,对温室效应影响最大,主要来源于人类的日常活动,测量大气CO2浓度对了解地区CO2的周期性变化与气候变化的内在规律有重要意义。基于可调谐半导体激光吸收光谱（tunable diode laser absorption spectroscopy, TDLAS）技术,系统选择CO2在2004 nm附近的吸收线,采用直接吸收光谱处理方法,对开放式长光程大气下的CO2进行了连续测量。通过与手持CO2测量仪的对比测量,二者的相关系数达到0.8371,二者的标准偏差为7.204 ppm,测量结果的变化趋势符合较好,证明了实验系统的可行性,为国内激光遥测CO2提供了一种重要的思路与方法。     

空间外差光谱技术及其在大气遥感探测中的应用

基础研究表明大气微量气体成分的精确反演需要超高分辨率光谱数据,空间外差光谱技术是近年来得以迅速发展的新型超光谱分析技术,综合了光栅及傅里叶变换光谱技术的特点。对空间外差光谱技术基本原理进行了分析,阐述了空间外差干涉数据复原光谱信息流程。针对大气主要温室气体CO2开展空间外差光谱技术在大气遥感探测方面的应用研究,通过地基遥感观测实验,分析空间外差光谱系统的探测灵敏度,验证超光谱数据对大气微量气体浓度变化检测能力。实验表明空间外差光谱技术在大气遥感探测尤其是微量气体成份探测中具有针对性和优越性。     

星载大气痕量气体差分吸收光谱仪0~1数据处理研究

星载大气痕量气体差分吸收光谱仪(Environmental trace gases monitoring instrument, EMI)于2018年5月9日成功发射升空,目前在轨运行状态良好,能够有效获取全球紫外-可见波段地球大气散射光信号(Digital number, DN)值(0级数据)。为对遥感数据定量化应用, EMI输出的DN值需要完成光谱定标、几何定位、辐亮度定标等处理,得到1级数据产品,1级数据用于反演获取全球大气NO$_2$、SO$_2$和O$_3$等2级产品,进而应用于定量监测全球空气质量变化以及污染气体的分布输运过程。     

Measuring trace gases in plumes from hyperspectral remotely sensed data

A method [joint reflectance and gas estimator (JRGE)] is developed to estimate a set of atmospheric gas concentrations in an unknown surface reflectance context from hyperspectral images. It is applicable for clear atmospheres without any aerosol in a spectral range between approximately 800 and 2500 nm. Standard gas by gas methods yield a 6% rms error in H/sub 2/O retrieval from Airborne Visible/Infrared Imaging Spectrometer (AVIRIS) data, reaching several tens percent for a set of widespread ground materials and resulting from an simplifying assumption of linear variations of the reflectance model within gas absorption bands and partial accounting of the gas induced signal. JRGE offers a theoretical framework consisting in a two steps algorithm that accounts for sensor characteristics, assumptions on gas concentrations and reflectance variations. It estimates variations in gas concentrations relatively to a standard atmosphere model. An adaptive cubic smoothing spline like estimation of the reflectance is first performed. Concentrations of several gaseous species are then simultaneously retrieved using a nonlinear procedure based on radiative transfer calculations. Applied to AVIRIS spectra simulated from reflectance databases and sensor characteristics, JRGE reduces the errors in H/sub 2/O retrieval to 2.87%. For an AVIRIS image acquired over the Quinault prescribed fire, far field CO/sub 2/ estimate (348 ppm, about 6% to 7% rms) is in agreement with in situ measurement (345-350 ppm) and aerosols yield an underestimation of total atmospheric CO/sub 2/ content equal to 5.35% about 2 km downwind the fire. JRGE smoothes and interpolates the reflectance for gas estimation but also provides nonsmoothed reflectance spectra. JRGE is shown to preserve various mineral absorption features included in the AVIRIS image of Cuprite Mining District test site.