遥感产品误差在海—气界面CO2通量估算中的传递与贡献分析

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海-气界面CO2通量的估算对于碳的生物地球化学循环和“温室效应”等研究具有重要的意义。目前实现该研究的方法主要为现场测量的方式,但是由于现场测量操作繁琐,测定时间长,覆盖率低,不能满足大范围监测的需求等不足,而发展了更能适合大面积同步观测的遥感监测技术。基于遥感监测的碳通量估算实现了海表面碳通量时空变异性的研究。但是由于大量不确定性的存在限制了海-气界面CO2通量遥感估算产品在决策应用上的可靠性。本文从现场测量出发,在分析现场测量误差源的基础上,重点分析了遥感产品误差在基于遥感监测的海-气界面CO2通量过程中的传递性和贡献性。本文主要的研究内容和结果为: (1)现场测量误差分析。介绍了目前海-气界面CO2通量计算的相关现场测量方法和过程,在此基础上,分析了现场测量中可能存在的各种误差源,将现场误差分为三类:采样策略误差、人为随机误差和仪器平台误差,并建立了现场测量误差框架图。 (2)基于遥感监测的误差分析。介绍了基于遥感测量的主要数据来源,并对遥感数据源精度进行评价。同时,针对基于遥感监测的原理,介绍了海-气界面CO2通量直接控制参量(气体交换速率k、海表面CO2溶解度S和海表面C02分压pC02sw)的参数化方法,并以此建立了海-气界面CO2通量估算直接控制参量(k、S及pC02sw)误差结构图。 (3)现场测量仪器误差传递及贡献分析。文中针对目前常用的pC02走航监测系统G08050-Li-Cor NDIR(7000)及相关仪器的误差,利用Monte Carlo模拟,进行了传递及贡献分析。分析主要针对可通过仪器直接获取的参量,主要包括8个参数:风速U10m、海表面实际温度tinsitu、表层海水盐度SAL、表层海水中C02摩尔分数xC02sw、平衡器中水汽平衡之后的压力Peq、平衡器中的温度Teq、大气中C02摩尔分数xC02air、现场大气压力Pair等。通过分析发现,现场测量中水蒸气压力pH20和未进行温度校正的海面C02分压pCO2sw’的误差传递为正态分布传递,其他初级参量因子的传递规律为非正态分布传递,误差经模型传递后的分布规律近似为指数分布;现场测量仪器误差分布值在±0.2mmol C·m-2·day-1之间,按照实际监测通量的计算范围为±15mmol C·m-2·day-1来估算,由测量平台造成的通量建模计算的误差至少约占实际通量结果的1.3%。同时对四个直接控制参量(k、S、pC02sw、pC02air)进行了单因子零误差敏感性分析,结果表明:误差改进最为敏感的还是气体交换系数,其次是海水CO:分压,其他两项参数对通量计算结果的影响都不是很大。 (4)基于遥感监测的误差传递及贡献分析。根据已建立的直接控制参量(k、S及pCO2sw)误差结构图,以通量估算影响的主要因子—海表温度(SST)为例,建立了SST在通量计算中的误差传递流程图,并采用Monte Carlo方法模拟了SST误差在通量计算中的传递规律和对最终误差的贡献。结果表明在遥感SST误差为±0.5℃并为正态分布的假设下,误差在k、S计算中的传递为指数分布和近似指数分布,而在pCO2sw模型计算中为正态分布,最终在通量结果中的传递为指数分布;在大气CO2分压数据为固定值370μatm的情况下,SST对最终的通量结果带来的误差为±1.2mmol C·m-2·day-1左右,约占实际通量结果的8%左右。本文以SST为例,提供了一种通量计算中遥感参数误差传递和贡献的计算方法,可以为其他遥感获取的参量提供分析依据和参考。
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