大氣CO2輻射傳輸特性與反演方法研究.pdf

1、大氣CO2作為重要的溫室氣體，其空間分布和源匯變化對(duì)氣候預(yù)測(cè)和人類生產(chǎn)生活有著重要的影響。然而，由于大氣CO2含量少且時(shí)空變化幅度較小，對(duì)其進(jìn)行監(jiān)測(cè)非常困難。相比于地基網(wǎng)絡(luò)，天基觀測(cè)平臺(tái)可以具有更大的空間覆蓋范圍，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)全球碳循環(huán)的監(jiān)測(cè)。我國(guó)作為碳排放大國(guó)，目前在天基大氣CO2遙感方法上的研究仍處于起步階段，研究天基大氣CO2遙感中的輻射傳輸特性及反演方法，對(duì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和環(huán)境外交具有重要的意義。本文首先就大氣CO2輻射傳輸特性進(jìn)行分析

2、，在此基礎(chǔ)上開展反演方法的研究，最后通過衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)反演實(shí)踐進(jìn)行檢驗(yàn)。
　　 在大氣輻射傳輸過程中，大氣分子和其它粒子會(huì)使輻射能量發(fā)生改變，準(zhǔn)確表征這種變化是進(jìn)行大氣遙感的基礎(chǔ)。本文從輻射傳輸基本原理出發(fā)，結(jié)合輻射傳輸計(jì)算工具對(duì)不同波段影響因素進(jìn)行模擬。通過對(duì)比，證明近紅外1.6um弱吸收帶受其它氣體影響最少，且不易飽和，相比于其它波段更適合天基CO2遙感探測(cè)。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)際儀器模型，探討觀測(cè)光譜分辨率退化的原因，對(duì)選定

3、波段內(nèi)不同分辨率觀測(cè)光譜進(jìn)行了敏感性分析。分別計(jì)算了近紅外和熱紅外波段的CO2權(quán)重函數(shù)垂直分布，通過對(duì)比揭示了近紅外和熱紅外波段在不同高度上的敏感性差異。
　　 在輻射傳輸特性研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合前人研究成果開展了反演方法的研究，特別是在算法速度和精度改進(jìn)方面進(jìn)行了新的探索。針對(duì)正演模型中高分辨率光譜逐線積分運(yùn)算復(fù)雜、耗時(shí)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了以波數(shù)、溫度、壓力為變量的吸收截面三維查找表。吸收截面查找表顯著加速了氣體吸收計(jì)算，并使得權(quán)

4、函數(shù)計(jì)算、正演模型與反演算法的集成成為可能。在方法設(shè)計(jì)上，首先探討了使用差分吸收原理的大氣CO2柱濃度反演算法，并證明該算法對(duì)隨機(jī)噪聲不敏感;通過在CO2廓線反演中引入最大后驗(yàn)概率約束，保證了反演值的合理性和正確性。此外，針對(duì)高分辨率光譜容易受到譜對(duì)準(zhǔn)偏差影響的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了基于非線性優(yōu)化理論的譜對(duì)準(zhǔn)偏差校正算法，該方法可以有效減小譜對(duì)準(zhǔn)造成的系統(tǒng)誤差。
　　 使用GOSAT衛(wèi)星實(shí)際觀測(cè)光譜對(duì)反演算法進(jìn)行驗(yàn)證，將反演結(jié)果與Pa

5、rkFalls地基站點(diǎn)高精度觀測(cè)結(jié)果、GOSAT Level2反演產(chǎn)品進(jìn)行對(duì)比，得到了一致的季節(jié)變化趨勢(shì)。在CO2廓線真值難以獲得的情況下，使用模擬反演證明了最大后驗(yàn)概率約束在CO2廓線反演中的可行性。
　　 分別使用近紅外、熱紅外波段進(jìn)行CO2廓線反演，證明了不同波段的敏感性差異。將雙波段聯(lián)合反演與單波段反演進(jìn)行比較，反演結(jié)果表明同時(shí)使用近紅外和熱紅外波段對(duì)CO2廓線進(jìn)行約束可以更好的重構(gòu)大氣CO2垂直分布。
　　 最