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。     

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。     

基于MAX-DOAS和TROPOMI对北京冬季对流层NO2污染监测和对比分析

利用不同监测平台对大气环境污染进行监测时,不同遥感数据之间的对比验证以及协同观测是准确评估大气污染变化的关键。本文利用北京站点布置的多轴差分吸收光谱仪(MAX-DOAS)光谱仪,反演了2018年11月—2019年2月北京站点冬季的对流层NO₂垂直柱浓度,总结了北京冬季NO₂的日变化和月变化规律。研究中首先利用MAX-DOAS测量光谱结合DOAS反演算法获取不同时刻对流层NO₂垂直柱浓度,与TROPOMI过境时刻的NO₂遥测数据的变化趋势和相关性进行比较,并对卫星过境时地基站点不同的数据平均时间,和星—地间平均采样距离进行敏感性分析,同时将双因素方差分析方法 (Two-way ANOVA)应用于评估风场对区域NO₂浓度变化的影响。结果显示北京地区11月的对流层NO₂平均浓度高于冬季其他月份,最大时均浓度可达到4.04×1016 molec·cm-2,且冬季各月份下午对流层平均NO₂浓度明显高于上午。利用TROPOMI和MAX-DOAS获...     

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。     

动态气溶胶模型的PARASOL多角度偏振卫星气溶胶光学厚度反演算法

在卫星气溶胶反演中,如何确定研究区域的气溶胶模型直接影响目前大多数卫星遥感算法的气溶胶光学厚度反演精度。本文基于气溶胶自动观测网(AERONET)典型类型的动态气溶胶模型,提出了一种基于动态气溶胶模型的气溶胶光学厚度反演算法,并将其运用到PARASOL(Polarization and Anisotropy of Reflectance for Atmospheric Science coupled with Observations from Lidar)卫星的反演中。针对华北地区2012年的PARASOL卫星观测数据,应用动态气溶胶模型反演算法反演气溶胶光学厚度,并与地面观测站点进行对比验证,结果显示通过气溶胶模型选取与反演结果的迭代约束,在865 nm反演的气溶胶光学厚度与地基观测的相关程度(R2)达到0.71,均方根误差(RMSE)为0.15,与PARASOL气溶胶产品相比一定程度提高了反演结果的精度。     

臭氧卫星遥感六十年进展

臭氧已成为中国继PM_2.5之后多地的首要污染物,臭氧污染防治是中国“十四五”及未来大气污染防治的重点。本文回顾了近60年来国内外臭氧卫星观测方面的主要进展,包括卫星探测载荷和臭氧相关的反演应用技术等,分为3个阶段总结了卫星载荷天底、临边和掩星3种探测方式的发展历程。臭氧卫星遥感反演算法和监测应用也随着载荷的发展在不断更新,本文重点介绍了臭氧柱总量和垂直廓线卫星遥感反演算法、近地面臭氧及其前体物观测、平流层臭氧入侵观测和区域传输、臭氧卫星观测数据的精度验证等方面的重要进展。对比国际臭氧卫星遥感监测,中国臭氧监测卫星发展滞后,虽然国家民用空间基础设施规划中陆续发射的高光谱观测卫星、大气环境监测卫星具有初步的臭氧监测能力,但在卫星载荷在功能、性能等方面还有不小差距,比如空间分辨率、信噪比等方面。在算法反演和监测应用方面,目前臭氧柱总量反演精度较高,还存在对流层中低层和近地面臭氧浓度反演精度不够,臭氧污染评估及成因分析不足,如近地面臭氧污染迁移转化过程、平流层臭氧侵入识别分析等问题,是下一步要重点关注的方向。     

VRSS-1卫星数据气溶胶光学厚度反演及精度验证

采用委内瑞拉遥感卫星(VRSS-1)数据进行气溶胶光学厚度(Aerosol Optical Depth,AOD)反演,是VRSS-1卫星数据在环保领域应用的一次尝试。本文采用将VRSS-1卫星数据反演的气溶胶光学厚度结果与NASA(美国航空航天局)公布的MODIS气溶胶标准产品对比的方法进行精度验证,以确定所选择的气溶胶光学厚度算法是否适合VRSS-1卫星数据。     

GLONASS卫星SNR信号的雪深探测

利用GNSS-MR(Global Navigation Satellite System Multipath Reflectometry)技术反演积雪深度是近年来一种新兴的卫星遥感技术。目前大多数研究仅使用GPS(Global Position System)数据限制了该技术的发展,为了扩展GNSS-MR算法的应用,介绍了基于GNSS-MR算法的雪深反演模型。首先,通过多项式拟合分解GLONASS观测数据获取高精度的信噪比残差序列;然后,利用Lomb-Scargle谱分析法对其进行频谱分析可解算雪深值。选取IGS中心的YEL2站2015年11月到2016年6月共243天的GLONASS卫星L1波段反射信号的SNR数据进行实例分析,并以美国国家气象数据中心提供的加拿大Y-H (Yellowknife Henderson)气象站的实测雪深数据为真值,将反演雪深与实测雪深进行对比验证。所得实验结果如下:(1)与GPS卫星的反演值相比,基于GLONASS-MR(GLONASS Multipath Reflectometry)技术反演积雪深度的精度同样能达到厘米级,RMSE仅3.3 cm,反演值与实测值的空间分布趋势一致且相关性较强,其相关系数R2高达0.969;(2)不同的积雪深度对信噪比的振幅频率与垂直反射距离具有直接影响;(3)对同一卫星而言,信噪比的频谱振幅强度峰值与其对应的反演值存在线性相关;(4)在相同条件下,采用多颗GLONASS卫星数据比单颗GLONASS卫星数据反演雪深的效果明显更优。基于反演的高时间分辨率产品,分析该地区雪深日变化的情况,实验结果表明基于陆基CORS站的GLONASS-MR技术在用于实时、连续的雪深变化监测方面具有良好的潜力和可行性。     

基于环境卫星的北京市气溶胶光学厚度时空分布特征

气溶胶作为环境监测的重要指标,采用环境卫星数据对其进行反演时,深蓝算法和暗像元法各有不足。以北京市为研究对象,采用HJ-1卫星数据,使用暗像元法和深蓝算法相结合的方法对北京市气溶胶光学厚度(Aerosol Optical Depth,AOD)进行反演,并分析其时空分布特征。实验结果表明:基于HJ-1卫星数据反演的北京市AOD与AERONET地基观测数据的相关系数达到了0.934;通过HJ-1卫星数据反演的北京市AOD在时间上表现出明显的季节性特征,其中夏季AOD值最大,冬季最小;在空间分布上AOD高值主要集中在人口密集的城区中心,整体分布呈现西北低东南高的趋势;采用MODIS数据对反演结果进行验证分析,结果表明,二者时空变化趋势一致。这些结果说明使用暗像元法和深蓝算法相结合的方法反演北京市AOD是可行的,为北京市AOD反演提供了新思路,有助于北京市环境污染监测和气候变化研究。     

基于OMI卫星数据的对流层O3柱总量时空分布特征分析

利用OMI卫星数据分析了2008-2017年全球及我国O_3柱总量浓度空间分布特征和长时间序列变化,总结了地形、人口密度、城市扩张和前体物NO2等因素对中国地区O_3柱总量浓度产生的影响。结果表明,全球O_3柱总量高浓度区主要位于中低纬度且季节性差异十分显著,冬季的含量相对较低,夏季的含量相对较高。中国地区由于独特的地形条件、渐增的人口数量和稳步增长的经济发展趋势,中国O_3柱总量浓度具有东南高西北低的分布格局,且含量在逐年降低。通过对流层NO2浓度与O_3柱总量浓度的拟合结果发现,前体物NO2对O_3的生成和分布具有重要影响。     

高光谱遥感积雪制图算法及验证

雪盖面积是高山地区和季节雪盖区水文和气象模型的重要输入因子。机载和星载遥感数据提取的雪盖面积是融雪径流模型的重要组成部分。对应不同传感器件的光谱特征，多种分类方法被相继提出。但是，缺乏相对独立的验证手段来评价各种分类方法，其主要原因是缺乏地面真实状态。针对该现状，本研究利用高光谱图像的细分光谱特征，建立高光谱影像及其对应“地面真相”的像对数据库来发展和验证积雪制图算法，并展示MODIS积雪制图算法验证和ASTER混合像元分解雪盖制图算法研究的应用实例。     

Precise orbit determination of BeiDou constellation: method comparison

Chinese BeiDou navigation satellite system is in official service as a regional constellation with five geostationary earth orbit (GEO) satellites, five inclined geosynchronous satellite orbit (IGSO) satellites and four medium earth orbit (MEO) satellites. There are mainly two methods for precise orbit determination of the BeiDou constellation found in the current literatures. One is the independent single-system method, where only BeiDou observations are used without help from other GNSS systems. The other is the two-step GPS-assisted method where in the first step, GPS data are used to resolve some common parameters, such as station coordinates, receiver clocks and zenith tropospheric delay parameters, which are then introduced as known quantities in BeiDou processing in the second step. We conduct a thorough performance comparison between the two methods. Observations from the BeiDou experimental tracking stations and the IGS Multi-GNSS Experiment network from January 1 to March 31, 2013, are processed with the Positioning and Navigation Data Analyst (PANDA) software. The results show that for BeiDou IGSO and MEO satellites, the two-step GPS-assisted method outperforms the independent single-system method in both internal orbit overlap precision and external satellite laser ranging validation. For BeiDou GEO satellites, the two methods show close performances. Zenith tropospheric delays estimated from the first method are very close to those estimated from GPS precise point positioning in the second method, with differences of several millimeters. Satellite clock estimates from the two methods show similar performances when assessing the stability of the BeiDou on board clocks.     

AMSR-E/2观测辐射值反演水成物参数

基于先进的微波扫描辐射计AMSR-E/2观测的辐射值,利用-维变分算法(1D-Var)反演各类水成物(云水、雨水和云冰)的垂直廓线,并对其反演结果进行检验。以2014年8月台风"夏浪"为例,分两步对变分反演的云微物理参数进行了检验。首先,将反演的各类水成物含量补充到辐射传输模式的输入场,观测算子模拟的AMSR-2各通道亮温与实况观测相比非常接近,可以很好地模拟出台风外形、强度及螺旋结构。其次,将反演的水成物廓线与载在Cloud Sat上的云雷达CPR同时段观测的雷达反射率因子进行对比,发现反演出的云水、雨水含量大值区与毫米波云雷达观测的雷达反射率因子高值区一一对应,进一步说明1D-Var反演的水成物参数精度很高。然而,由于星载AMSR-E/2观测通道少且空间分辨率低,对尺度较小、较薄的云不敏感,同时对云层较厚的密闭云区和多层云区反演能力也有限。     

Semi-dynamical Doppler satellite positioning

In semi-dynamical satellite geodesy, the satellite orbit is determined beforehand by dynamical methods, and tracking station coordinates are determined geometrically from satellite observations and the accepted satellite coordinates. This paper analyzes the use of the U.S. Navy Navigational Satellite Doppler (formerly Transit) system in the semidynamical mode, presenting some test network numberical results. Three error sources are considered: errors in the satellite coordinates, refractive errors on the Doppler observations, errors contributed by the tracking receivers. Compensatory techniques are discussed, such as relaxing the satellite orbit, ionospheric and tropospheric refraction reductions, tracking receiver time recovery, translocation.     

热红外遥感地表温度与发射率地面验证进展

地表温度与发射率是地表—大气系统长波辐射和潜热通量交换的直接驱动力,是描述区域和全球尺度上地表能量平衡与水平衡的重要参数,其时空变化信息在气象预测、气候变化、水循环、地质勘探、农林监测和城市热环境等诸多领域具有广泛的应用。热红外遥感作为当前获取区域或全球尺度上地表温度和发射率的最有效手段之一,相较于传统的地面点位测量方法,具有空间覆盖范围大和重复观测等优势。对热红外遥感定量反演的地表温度与发射率产品进行地表真实性验证,有利于发现遥感数据自身或其反演算法的缺陷,确定产品的精度与不确定度,便于遥感产品的应用与推广。本文首先回顾了地表温度和发射率的定义,阐述了热红外遥感可反演、地面可测量的地表温度和发射率的科学内涵,并对利用热红外遥感数据反演地表温度和发射率的理论和方法作了概述;对地表温度和发射率地面验证的框架体系、验证指标进行总结,建立了基于精度、精确度、不确定度、完整性和稳定性的验证评价指标体系;总结了地表温度和地表发射率的地面验证方法、地面测量方法、辅助数据的获取方法、地表温度地面测量的采样方法,以及在验证异质非同温地表时从点到像元尺度的地表温度尺度转换方法等,分析了地面验证过程的主要误差来源;归纳了目前地表温度和地表发射率主要验证站点、观测网络及其空间分布特征;最后,本文讨论了地表温度与发射率地面验证存在的若干问题,并对地表温度与发射率验证工作的发展前景和趋势进行了相关展望。     

GPS超长基线解算的误差特性与精度分析

基于单基站的超长基线定位技术在地壳形变监测、高精度授时等领域具有广泛应用,但仍有诸多因素制约着超长基线解算精度。从观测方程出发,利用单差观测值对长（超长）基线(146～1 724 km)解算中的卫星轨道误差、对流层延迟误差、地球潮汐误差和相位缠绕误差等误差特性进行了详细分析。分析结果表明,当基线小于500 km时广播星历误差可忽略不计;超过500 km时需要采用精密星历,同时需要考虑地球潮汐误差的影响;利用参数估计法同时估计基线两端的天顶对流层延迟误差可获得1～2 cm精度;相位缠绕误差对基线小于2 000 km的解算影响可忽略。基于估计天顶对流层延迟的方法解算了5条长(超长)基线（146 km、491 km、837 km、 1 043 km和1 724 km）。实验结果表明,当基线小于500 km时,采用广播星历可获得水平方向优于0.05 m、高程方向优于0.08 m的定位精度;当基线小于2 000 km时,采用超快速精密星历可获得水平方向优于0.025 m、高程方向优于0.055 m的定位精度。解算的初始收敛时间随着基线长度增加而缩短。     

逐历元GNSS-R测高单差和双差算法

GNSS-R测高是一种高效监测水面高度及其变化的新技术。与传统水面测量技术,如验潮站、卫星测高等相比,其主要优点包括可实现更高时空分辨率的观测、测高结果不受板块垂直运动的影响等。本文提出了一种基于单差观测值组合的cGNSS-R逐历元测高算法,可提高水面高度测量的时空分辨率,并给出了基于双差观测值逐历元cGNSS-R测高算法。利用武汉东湖清河桥上cGNSS-R试验中GPS反射信号观测数据,给出了高精度高时空分辨率的湖面到反射天线相位中心垂直距离,验证了本文算法的准确性,精度可达±2~±4 cm。与水面高实际观测比较结果表明,cGNSS-R单差、双差算法可有效削弱钟差以及电离层和对流层误差对反演水面高度的影响。     

单频到五频多系统GNSS精密单点定位参数估计与应用

全球导航卫星系统(GNSS)已发展至多频多系统时代,特别以我国北斗卫星导航系统(BDS)为代表的四大全球导航卫星系统可全天时、全天候播发十几个频率的伪距、相位和多普勒等观测信息。多频多系统GNSS为用户提供更多的观测数据和组合选择,为精密定位、导航和授时(PNT)应用带来了新的机遇,如高精度位置服务、大地测量、空间天气和灾害监测等。但多频多系统GNSS观测为精密单点定位(PPP)组合模型和系统偏差及大气延迟估计等带来诸多问题和挑战。本文给出了单频到五频多系统GNSS精密单点定位(PPP)模型,估计和评估了单频到五频多系统GNSS PPP定位精度、接收机钟差、对流层延迟、卫星和接收机硬件延迟,以及频间偏差。给出了GNSS PPP最新应用进展,包括GNSS气象学、电离层模拟、时间频率传递、建筑物安全和地震监测及其应用。结果表明,多频多系统极大地提高了GNSS PPP参数估计的精度和可靠性,具有重要的应用价值。最后给出了多频多系统GNSS PPP应用前景与展望。     

气象参数对对流层折射影响的相关研究

对流层折射是卫星导航测量的重要误差源之一。针对卫星导航仿真系统高精度和强实时性的要求,本文利用Hopfield模型和Saastamoinen模型分析了不同气象环境下气象参数对计算对流层天顶折射的影响。研究表明天顶折射量是各气象参数的增函数,在相同气象环境下,对各气象参数的敏感度各不相同。当气象环境改变时,敏感度的变化也不相同:气温的敏感度变化幅度最大,相对湿度次之,而大气压的敏感度保持不变。在此基础上利用距离平方反比插值方法栅格化气象站资料建立全国范围的气象环境。栅格数据的应用可将因气象参数的不准确而导致的对流层天顶折射量误差减小一个量级,对于提高卫星导航仿真系统的精度具有重要意义。     

中国陆地区域陆表温度业务化遥感反演算法及产品运行系统

地表温度反演的裂窗算法已成功应用于NOAA系列卫星热红外遥感数据。目前，裂窗算法中应用较为广泛的一种是Becker等人于1990年提出的局地裂窗算法，主要是通过辐射传输模型模拟不同地表条件和大气状况下，地表温度和发射率对红外辐射亮温的影响，从而发展出一个利用AVHRR4，5通道亮温数据反演地表温度的线性模型。在晴空无云和地表比辐射率能精确估算的情况下，Becker算法反演地表温度的精度在1K以内。Becker算法用Lowtran程序模拟计算地表辐射量，且模型中参数主要针对NOAA-9传感器特性得到。本文在Becker算法的基础上，针对NOAA-16／17传感器热红外通道光谱响应函数特性，利用最新的、计算光谱分辨率更高的MODTRAN程序模拟不同大气状况下，不同地表温度和发射率对NOAAAVHRR4，5通道辐射亮温响应特性的影响，改进Becker算法中模型参数，使之能适用于NOAA-16／17热红外数据。同时，本文利用植被指数NDVI，在中国陆地区域lkm分辨率最新地表分类数据的基础上，得到模型中需要的地表比辐射率参数，将改进的模型应用于1km分辨率NOAA17数据，得到了旬合成中国陆地区域范围地表温度，通过地面气象台站实测数据对比验证．取得了较好的结果。