大氣二氧化碳遙感模型的構建與高精度反演方法研究

《大氣二氧化碳遙感模型的構建與高精度反演方法研究》是依託中國科學院合肥物質科學研究院，由王先華擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：大氣二氧化碳遙感模型的構建與高精度反演方法研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：王先華
• 依託單位：中國科學院合肥物質科學研究院

項目摘要

為滿足氣候研究需求，大氣CO2濃度測量精度必須優於1％。高精度的探測需求，對反演中的誤差控制提出了極高要求，然而，影響因素的複雜性和各因素間的相互作用，使得反演精度難以達到。日本溫室氣體探測衛星GOSAT兩年來反演結果始終不能滿足精度要求的實際表明，反演技術已成為大氣CO2衛星遙感發展的難點。.本項目擬從衛星遙感過程考慮大氣CO2反演，採用遙感模型進行系統誤差控制和利用光譜相關性進行誤差校正的綜合方式，實現反演精度的提高。在模型系統誤差控制上，結合申請者已完成的國家基金項目有關遙感模型建立與套用的成功經驗，建立大氣CO2遙感模型，進而在模型基礎上發展反演方法。在光譜誤差校正上，探索地物與大氣光譜不同波段上的聯繫及其對大氣CO2反演的校正作用。通過模型與校正的有機結合，擺脫目前反演方法在遙感過程上環節分離引起不同誤差源累積、且難以協調與消除的困境，為實現高精度大氣CO2反演探索一條新的途徑。

結題摘要

為滿足氣候研究需要，衛星大氣CO2遙感都提出了很高目標，如日本GOSAT為3.8ppm、美國OCO為1ppm，如此高目標，對大氣CO2反演方法是一個極大的挑戰。在衛星遙感過程中，地表、大氣和遙感器都對CO2遙感數據產生影響，這種影響因素的參量通常難以全面、準確把握，所以大氣反演基本是病態過程。認識遙感中各環節基本特性，通過模型和算法對參量不足的影響進行克服或削弱，是本項目主要工作。項目執行過程中，針對遙感過程三個部分即大氣輻射、地表反射和遙感器特性開展工作，它們涵蓋了整個遙感過程的影響因素，是進行相關反演與校正的基礎。大氣輻射是通過光譜吸收和散射表現出來的，項目針對性研究了大氣CO2吸收譜帶分布、譜線特徵、與非吸收譜帶關係等，分析不同譜帶吸收強弱、隨CO2變化敏感度、隨高度變化敏感度等與對CO2反演較為密切的特性。對於遙感信號中地面反射部分，開展了大量實驗和廣泛調研，包括地表反射率與地物種類、地表狀態、物候變化和太陽輻照條件關係，以及地表雙向反射規律等，為反演方法中降低光譜輻射不確定性影響奠定基礎。衛星遙感器是大氣CO2輻射信號直接展示者，其本身特性直接滲透到遙感數據中。項目以衛星載荷樣機為手段，從與遙感數據相關的輻射回響、光譜回響、波長位置等進行較為完整的定標、檢測實驗與科學分析。在此基礎上，項目開展了衛星遙感模擬研究，分析了大氣CO2反演參量需求，模擬結果深刻展示了國際衛星如GOSAT和OCO參量設計和對遙感數據要求的深層次原因，也為項目開展CO2反演方法研究奠定了基礎。 項目基於對遙感過程重要環節的研究基礎，在大氣CO2反演方法上取得了重要進展。首先利用大氣CO2吸收譜與非吸收譜在遙感過程中的變化特點，構建了針對光譜輻射定量不確定性問題的反演模型與反演方法，解決了遙感環節對光譜輻射量差異性影響而在反演中又難以控制的問題。項目利用大氣中的穩定因素如氧氣含量，依據同時反演模型中相關影響相近性的原理，校正了大氣CO2反演中難以克服的不穩定性因素、降低了系統誤差。參考現有反演方法的新成果,利用並改進光傳輸過程分布機率密度分析手段，進行了大氣CO2反演。現有國內外反演方法基本上要求氣溶膠光學厚度小於0.3，項目組正致力於將本項目研究成果套用到我國氣溶膠高值頻發情況下的CO2反演。