温室气体CH4卫星遥感监测初步研究

来源 :中国气象科学研究院 | 被引量 : 20次 | 上传用户:jbdh2009
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甲烷是一种重要的大气微量成分,其浓度变化对大气的化学过程具有重要的作用,同时它也是一种重要的温室气体,甲烷在空气中的含量远远低于二氧化碳,大约1.7ppmv。最新的第四次IPCC评估报告指出:全球温室效应中甲烷所起的作用约占20%,仅次于CO2。但单位浓度CH4的温室效应比CO2大20倍,大气CH4持续增长会对地球的辐射平衡产生效应,直接影响气候变化。CH4还是大气中最重要的化学活性含碳化合物,与对流层OH自由基作用,在大气O3和HxOy的化学中起着重要作用,影响大气化学过程和人类生存环境。全球各个地面观测站包括我国瓦里关站多年观测结果显示大气中CH4浓度呈增长态势,目前其浓度已是工业化前的两倍多,为了深入研究甲烷的源和汇及其变化规律,近10年来各国科学家开始大力开展卫星遥感监测工作。目前国内对大气痕量成分的高光谱卫星探测研究处于起步阶段,星载高光谱卫星探测仪已经开始研制,未来几年有望升空投入试验应用,急需开展包括CH4在内的多种痕量大气成分反演方法以及地基验证的研究工作。鉴于此,本论文在对美国、加拿大以及欧洲当前高光谱大气成分遥感探测仪调研基础上,对可以用于CH4遥感的TES、ACE-FTS、MIPAS、IASI、MOPITT、SCIAMACHY等卫星遥感器以及用于地基观测的傅立叶变换红外光谱仪,从仪器参数、指标性能、资料反演方法、CH4遥感产品及应用等方面进行了综述。重点分析和比较了权重吸收光谱(WFM-DOAS)、优化拟合(OEM)和人工神经网络(SA-NN)方法原理和特点。考虑到已投入研制的我国星载高光谱仪器的特点,本文对反演CH4廓线的优化拟合方法(OEM)进行了研究,在分析了CH4红外、近红外波段吸收特性后,利用欧洲Metop卫星IASI红外光谱资料,选择合适的红外波段进行了反演算法的试验研究,并把CH4柱总量反演结果与欧洲官方神经网络反演结果比较验证,同时利用国家卫星气象中心地基高光谱大气成分FTIR平台开展的CH4柱总量结果对卫星遥感结果进行了验证。最后,利用国外卫星遥感产品对中国区域CH4时空分布特征进行了分析,得到了初步结果,主要结论如下:1)CH4在红外、近红外波段主要有三个较强吸收波段可用于卫星遥感,分别为:7.6um(1200~1400 cm?1 ) ,3.3um(2900~3150 cm?1 )和2.3um(4100~4500 cm?1 )。由于CH4吸收波段存在H2O、N2O、O3、CO等吸收成分的吸收带重迭,将一定程度上影响CH4廓线的反演精度。2)利用辐射传输模式模拟分析卫星星下和临边观测结果表明:1在红外7.6um波段,对5~15km高度的CH4敏感性最高;而3.3um和2.3um波段,则对0~5km高度处的CH4敏感性最高。因此采用7.6um与3.3um或者7.6um与2.3um波段进行组合的方式进行遥感,可以包含不同高度的CH4浓度信息。2同星下观测方式比较,临边遥感方式,受低层大气发射的影响要弱得多,有利于减少干扰气体的影响;另一方面,临边方式可以采用多组扫描角度(不同的切线高度),观测光谱中包含的目标大气成分垂直分布信息自由度较高,因此临边遥感方式有利于获得高层CH4廓线信息。理论上来说临边、星下联合卫星观测方式可以更好的进行CH4遥感反演。3)对CH4吸收波段不同光谱分辨率卫星观测模拟分析表明:采用0.0Xcm?1量级分辨率观测光谱能够很好的捕捉到大气CH4吸收特征。4)本论文,基于IASI红外7.6um波段观测光谱,为减弱H2O、N2O干扰成分的影响,选择了(1320~1360cm?1)微窗口用于反演,开发了使用优化拟合算法进行CH4廓线和总量反演的SATFIT程序,用于实际反演。在选择的三个北半球中高纬不同区域上比较SATFIT与欧洲官方神经网络CH4柱总量反演结果,得到很好的一致性结果;IASI反演结果与国家卫星气象中心大气成分高光谱地基FTIR初步观测结果比较,CH4柱总量偏差控制在20%以内,进一步验证了SATFIT反演结果的有效性。由于使用SATFIT进行物理反演过程中遇到反演结果不稳定和反演耗时的问题,考虑到两种主要反演方法(统计反演和物理反演)的优缺点,同时兼顾实际业务运行的需求,建议采用统计反演与物理反演相结合方式进行反演数据处理。5)利用SCIAMACHY、AIRS、TES遥感产品分析中国区域近年来CH4的时空分布特征,结果表明:1中国区域CH4均匀混合比东南部平均含量较高,青藏高原地区为低值中心;一年四季存在明显的季节波动,夏季最高,冬、春季含量最低。2中高层CH4混合比内陆西北地区含量较高,东部、南部等地区含量较低;表现出明显的季节变化特征,夏季最高,春季最低;内陆青藏高原地区在夏季季风时段有明显的高值凸出。3中国区域中高层CH4廓线高值时段有空间和持续时间延伸的趋势,并且强度有所增强,而低层表现相对不太明显。本论文的主要特色:1)系统回顾并比较了当前国际上用于温室气体CH4探测的卫星遥感器和反演算法;有益于我国温室气体卫星遥感监测研究。2)分析了CH4在红外、近红外波段的吸收特性,根据模拟结果定性给出CH4卫星遥感的理想光谱观测。3)开发了基于优化拟合的CH4物理反演算法,用于实际反演,与官方反演结果比较一致性较好;并首次在中国区域开展地基FTIR大气成分遥感监测研究,用于卫星反演产品的地基验证。4)利用国外卫星数据给出中国区域CH4时空分布变化特征。本论文研究只是一个开端,卫星遥感反演CH4难度较大,国内有关研究相对匮乏,随着我国卫星的发展,需要深入研究卫星遥感CH4所需要的最佳光谱选择,为我国大气成分遥感器的设计制造提供参考资料;进一步完善SATFIT资料处理方法,在卫星产品地基验证的基础上,对中国区域CH4时空分布特征进行监测,并给出分析结果,为政府决策提供科学依据。
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