基于GOSAT卫星观测的大气CO_2浓度与模型模拟的比较

卫星从空间对大气CO2的实时观测可以客观地获取全球和区域大气CO2浓度的变化信息;另一方面,利用全球大气输送模型的数值模式模拟得到时空连续的全球大气CO2浓度是目前科学家们定性和定量地研究大气CO2全球输送过程及时空变化规律的主要途径之一.卫星观测和模型模拟以两种不同的方式为我们提供大气CO2浓度信息,但对于这两种方式所揭示的全球以及区域大气CO2浓度特征的差异还没有一个综合的对比分析与评价.本文收集2009年6月到2010年5月的GOSAT卫星观测数据,利用GEOS-Chem模型模拟了同时期全球大气CO2浓度,对比分析两种方式揭示的大气CO2时空变化特征差异,通过比较中国陆地与同纬度美国陆地区域的差异,评价分析卫星观测和模型模拟各自的合理性和不确定性.结果指出卫星GOSAT观测反演的大气CO2浓度总体低于模型模拟2 ppm左右,与地面观测验证的结果相近.但是两者的差异在不同的区域上明显不同,在中国陆地区域显示了从0.6~5.6 ppm很大的差值变化,而在全球陆地区域为1.6~3.7 ppm、美国陆地区域为1.4~2.7 ppm.卫星GOSAT观测与模型模拟在美国陆地显示了0.81的拟合优度,高于全球陆地区域的0.67和中国区域的0.68.综合分析结果指出在中国区域卫星观测与模型模拟的不一致性高于美国和全球,其原因与卫星观测反演算法中输入参数的不整合所引起的CO2浓度反演误差以及模型模拟中驱动参数数据的准确性有关.     

BRD和DOAS SO_2总量遥感反演算法的比对

大气中SO_2是一种对城市大气环境变化和全球辐射能量平衡有着重要影响的痕量气体.BRD(Band Residual Difference Algorithm)和DOAS(Differential Optical Absorption Spectroscopy)算法是两种主要的SO_2总量遥感反演算法,分别被用于美国和欧洲不同卫星载荷数据的SO_2反演.然而,目前缺少两种算法在相同观测条件下SO_2反演的精度比较及不确定性分析、在物理数学反演机制上的差异追因.因此,本文基于相同的仿真模拟数据和卫星紫外辐射观测数据,反演获得不同大气状况下的BRD和DOAS SO_2总量并进行精度比较验证.从算法反演通道、O_3吸收、气溶胶、地表反射率和观测角度影响等方面,讨论分析BRD和DOAS反演结果差异及反演误差的原因.结果表明,在低浓度SO_2情况下,BRD反演SO_2总量更接近于正演输入SO_2总量,DOAS反演结果存在高估,但相对于BRD算法,DOAS算法长时间序列卫星反演结果更能表现出SO_2的季节变化特征;在高浓度SO_2情况下,BRD(310.8~314.4nm)和DOAS(315~327nm)反演结果的绝对值差异明显且存在低估,BRD(310.8~314.4nm)SO_2反演值及反演精度都低于DOAS(315~327nm)反演结果.基于高光谱分辨率大气辐射传输模型SCIATRAN的反演不确定性分析结果显示,反演通道选择、紫外O_3吸收、气溶胶、地表反射率和观测角度对SO_2总量反演精度的影响较大.本研究对于SO_2卫星遥感反演算法的改进及SO_2反演产品的应用具有重要的科学意义,也可促进中国未来大气成分SO_2卫星遥感产品的研发.     

探讨利用SCIAMACHY数据反演温室气体二氧化碳

自工业革命以来CO2已经成为引起全球气候变暖的一种最主要的人为温室气体,由此引起的全球气候变化是当今社会经济可持续发展面临的最严峻挑战之一.为了更好的研究二氧化碳在时间与空间尺度上的格局及变化,综合分析CO2与太阳辐射、地面反照率、气溶胶等要素之间的关系,本文回顾了以往利用新型卫星传感器获取多源遥感数据的特点,分析了多种反演计算方法的优缺点,并结合地面实测数据进行对比分析的方法与理论,全面阐述国际上有关CO2柱浓度反演的思想.作者认为目前在地面观测站较少的情况下,针对先进的SCIAMACHY传感器数据利用DOAS相关算法及BESD算法进行CO2柱体浓度反演的数据连续,技术成熟,并由此提出了下一步工作中应解决的3个问题.     

基于PPDF方法的气溶胶散射效应参数化模型精度评估

本文讨论分析了O2-A带气溶胶散射效应的估算．利用基于等效理论的光子路径分布概率函数（PPDF）方法,将散射效应对大气有效透过率的影响参数化,通过模拟反演实验分析研究PPDF方法的有效性．首先利用正向模型模拟四种不同气溶胶模式分布情况下02-A带的卫星观测;然后利用非线性最优化迭代方法反演PPDF因子,利用反演得到的PPDF因子重构观测值,最后比对分析了重构观测值和模拟观测真值之间的差异．通过反演实验,验证了PPDF方法对于气溶胶散射效应估算的有效性;同时也表明02-A带可以作为痕量气体卫星遥感的一个有效辅助观测通道．     

针对SCIAMACHY探测器问题的CO柱浓度反演算法改进与地基验证

搭载于ENVISAT卫星上的SCIAMACHY是目前唯一采用近红外波段观测大气温室气体(CO₂,CH₄,CO)的高光谱传感器.与其它热红外卫星传感器如AIRS、MOPITT、IASI等相比,SCIAMACHY用于CO探测的近红外波段对与人类活动密切相关的底层大气具有更高的敏感性.但无论从光谱角度(该波段CO吸收强度较弱,且存在很强的CH₄和H₂O重叠吸收),还是从SCIAMACHY仪器问题的角度(近红外波段探测器容易出现结冰现象),都给CO反演带来很大的挑战.由于探测器结冰问题造成SCIMACHY CO反演误差高达100%,并且该误差随时间和空间而变化.多个研究机构发展了各种不同的算法用于该误差的校正,但校正结果的时间一致性较差.本文基于IMAP-DOAS的CO反演算法,发展了一种针对SCIAMACHY探测器结冰问题的新校正算法,校正后的CO柱浓度反演误差以及时间一致性都比较理想,并与不同地基FTIR观测结果进行了对比,对比结果表明该校正算法的CO反演结果与地基观测一致性较好,相对偏差由校正前的60%减小到了5%,能够准确地获得CO的时空变化信息.经过校正后的CO柱浓度结果不仅可以用于准确获得CO排放源与汇的时空分布信息,还可以为政府部门制定碳减排相关政策提供重要参考,有效控制全球温室效应.     

MODIS陆地气溶胶遥感反演--利用TERRA和AQUA双星MODIS数据协同反演算法

利用卫星数据遥感陆地气溶胶一直是国际上研究的难点与热点.利用新一代传感器MODIS(中分辨率成像光谱仪)数据,DDV(Dark Dense Vegetation)算法反演陆地气溶胶的分布以及性质已经取得了较好的效果.然而,该算法只适用于诸如水体、浓密植被等较低地表反射率区域,大大限制了该算法的实际应用范围,尤其是无法应用于城市等亮地表区域气溶胶的遥感反演.文中提出了基于利用TERRA和AQUA双星MODIS数据的协同反演模型算法(SYNTAM-Synergy of Terra and Aqua MODIS),用以反演陆地气溶胶的光学厚度等信息.该算法实现了地表反射率与气溶胶光学厚度的同时反演,可应用于各种地表反射率类型,包括城市等亮地表区域.通过与国际AERONET的地面观测数据对比做初步的反演验证,结果表明,该算法具有较高的精度,进一步的验证工作还在继续.     

MODIS陆地气溶胶遥感反演

利用卫星数据遥感陆地气溶胶一直是国际上研究的难点与热点. 利用新一代传感器MODIS(中分辨率成像光谱仪)数据, DDV(Dark Dense Vegetation)算法反演陆地气溶胶的分布以及性质已经取得了较好的效果. 然而, 该算法只适用于诸如水体、浓密植被等较低地表反射率区域, 大大限制了该算法的实际应用范围, 尤其是无法应用于城市等亮地表区域气溶胶的遥感反演. 文中提出了基于利用TERRA和AQUA双星MODIS数据的协同反演模型算法(SYNTAM-Synergy of Terra and Aqua MODIS), 用以反演陆地气溶胶的光学厚度等信息. 该算法实现了地表反射率与气溶胶光学厚度的同时反演, 可应用于各种地表反射率类型, 包括城市等亮地表区域. 通过与国际AERONET的地面观测数据对比做初步的反演验证, 结果表明, 该算法具有较高的精度, 进一步的验证工作还在继续.     

苏门答腊两次M>8.0地震前后CO和O_3卫星遥感气体地球化学异常与地面验证

利用印度尼西亚Bukit Koto Tabang(BKT)观测站的地面和大气红外探测仪(AIRS)卫星观测数据,分别提取了该观测站2004年和2005年苏门答腊两次M8.0地震前后地面和卫星观测所获得的CO总量、近地面(1 000 hPa)CO体积分数和O3总量的高光谱气体地球化学信息,对BKT台站附近卫星观测数据和地面观测数据进行了相互验证。结果表明两次大地震前卫星和地面观测均捕获到了CO和O3异常,其中卫星观测获得的CO总量和CO体积分数与地面测得的CO浓度呈强正相关,相关系数分别为0.83和0.75,表明CO浓度异常可能主要源于孕震过程中地下逸出的气体,大气中的化学反应对CO异常的贡献次之。O3卫星观测结果与地面观测结果也呈正相关关系(r=0.49),地震前O3异常可能主要归因于地震前地下逸出的气体在大气中的化学反应。地面观测的CO和O3浓度在两次地震前标准偏差变大,且CO和O3浓度变化与分别以地面观测站和地震震中为中心从卫星数据提取的气体浓度与地面观测数据变化趋势一致。研究结果丰富了利用高光谱卫星数据提取地震前后气体地球化学异常信息的方法。     

华北典型污染地区多轴差分吸收光谱技术的气溶胶反演研究

基于华北典型污染地区的地基多轴差分吸收光谱仪（MAX-DOAS）近4年的观测数据,利用最优估计算法和LIDORT辐射传输模式反演了该区域气溶胶的消光系数垂直廓线和光学厚度（AOD）.MAX-DOAS观测反演的AOD与全球气溶胶观测网络同波段在华北地区的AOD间具有很好的一致性,相关系数都在0.9以上,证明MAX-DOAS具备对华北污染区域气溶胶光学厚度和消光系数垂直廓线的反演能力.AOD的反演误差表现为冬季最大,春夏最小,早晚大于正午,这是因为冬季以及早晚太阳天顶角较大导致信噪比偏小,所以AOD反演误差偏大.反演廓线表明该区域气溶胶主要集中在1 km以下的边界层,浓度随高度呈指数递减,部分情况下峰值出现在300 m处;气溶胶光学厚度夏季最大,冬季最小,正午较大,早晚较小.在东风条件下浓度最高,表明东边（即重工业城市唐山方向）的输送对香河和周边区域的气溶胶积聚有重要贡献.     

基于静止轨道卫星监测中国大气污染物的模拟分析

针对对流层主要污染物(对流层臭氧、NO_2、SO_2及HCHO)的高分辨率、高频次监测需求,开展了基于静止轨道卫星监测中国大气污染物的模拟观测实验.在参考现有极轨卫星载荷的遥感监测能力和仪器参数基础上,根据静止卫星观测模型,利用正演辐射传输模式模拟观测光谱.根据最优估计反演理论,分析光谱仪的主要指标参数对各目标气体的反演敏感性和反演误差.基于各目标气体反演精度需求,提出光谱仪的观测波段、光谱分辨率和信噪比等关键指标参数的建议方案.为评估选定的光谱仪参数能否满足需求,利用大气化学输送模式模拟中国区域大气成分的三维分布,进行中国区域的模拟反演实验.结果表明,针对各目标气体,满足反演需求的实验数目均达到90%左右.臭氧总量和平流层臭氧的反演精度可达到2%,且各气体反演在太阳天顶角高于70°范围内仍可以获得有效数据.因此,我们所提出的静止卫星观测方案和仪器参数方案具有一定可行性,为优化将来中国静止轨道卫星光谱仪仪器指标提供了理论依据和模拟工具.     

多角度成像光谱辐射仪在大气污染研究中的应用回顾

美国宇航局于1999年底发射的多角度辐射成像光谱仪（MISR）采用了独特的多角度观测设计,将9台相机沿卫星航迹方向按照固定角度排列并同时采集反射光.这种设计使其具备了当前其他星载气溶胶遥感设备不具备的在陆地和海洋上空反演包括气溶胶浓度、形状以及组分的多种特性的能力.由于对细颗粒物非常敏感,MISR为研究区域颗粒物空气质量的时空分布特性提供了新的数据来源.首先简要介绍MISR设备、它的气溶胶反演算法及数据结构,然后综合论述了目前MISR气溶胶数据在空气质量研究方面的应用状况包括在污染事件（例如沙尘、火灾以及城市空气污染）中对颗粒物空间分布的观测.MISR高质量的气溶胶数据可以作为颗粒物浓度的定量指标,回顾了目前在估算地面颗粒物浓度方面的研究成果,介绍了使用MISR高级数据对烟尘高度以及颗粒物成份的研究.由于中分辨率成像光谱仪（MODIS）的气溶胶数据在中国有较广泛的使用,讨论中尽可能的与之进行了比较.最后总结了MISR数据在空气质量研究中的优点与不足.相信MISR反演的丰富的高度定量化的气溶胶数据对研究中国空气质量问题具有很大的应用价值.     

基于转动拉曼散射的大气Ring效应差分截面卷积算法研究

Ring效应是指地球大气中的N2和O2分子对太阳光的转动拉曼散射导致夫琅禾费线变短的现象.使用差分吸收光谱算法,反演大气NO2和SO2等痕量气体浓度的时候,Ring效应是影响反演结果精度的一个重要因素.本研究利用卷积算法计算得到的差分Ring光谱截面,与辐射传输模型计算结果比较,得到如下几个结论：（1）直接采用卫星遥感获得太阳光谱数据和大气转动拉曼散射截面,忽略压力展宽,卷积后,可获得Ring光谱.经过除以原始太阳光谱,三次多项式差分后可以得到针对卫星遥感反演痕量气体所需的差分Ring光谱.标准化后与Vountas等利用辐射传输模式计算得到的结果比较,相关系数R2=0.9663.（2）利用两个固定波长与变化波长分别计算得到的Ring光谱,经过差分计算后三者差异非常小;经标准化后与辐射传输模式计算得到的结果比较,R2分别达到0.9624,0.9639和0.9663.因此可以采用反演光谱范围中的固定波长作为一组转动拉曼散射截面进行卷积计算,降低计算量,加快计算速度.在本项研究中,计算量减少为原计算量的0.128%.（3）大气与N2和O2分子的转动拉曼散射截面信号的频谱特征相似,可直接使用N2和O2分子的转动拉曼散射截面代替大气进行卷积运算.     

一种基于卫星遥感AOT估算近地面颗粒物的方法

本文建立了一种基于卫星遥感AOT估算近地面颗粒物浓度的新方法.该方法考虑大气边界层厚度和近地面相对湿度的区域分布变化情况,基于大气边界层模式模拟结果和卫星遥感气溶胶光学厚度进行近地面颗粒物浓度估算.基于RAMS模拟结果和MODIS气溶胶光学厚度数据,利用该方法获得了华北地区近地面PM2.5质量浓度.并用研究区域中16个地面站点的颗粒物浓度监测数据对估算结果进行了评估.结果表明,遥感反演的近地面PM2.5与地面监测数据在趋势上基本一致,二者相关R2达到0.61.与此同时,又利用地面激光雷达和气象仪测量结果对MODIS气溶胶光学厚度数据进行了近地面颗粒物估算,并将估算的结果与新方法得到的估算结果进行了比较.比较结果表明,新方法获得的估算结果与地面监测数据具有更好的相关性,和常规方法相比,相关R2从0.32提高到0.62.     

基于GLONASS-MR技术的雪深探测研究

积雪不仅作为一种关键的淡水存储方式,也是全球气候系统的重要组成部分之一.目前,基于大地测量型接收机的GNSS-MR(Global Navigation Satellite System Multipath Reflectometry)技术遥测地表特征参数的研究已广泛开展.然而,先前大多的研究利用GPS (Global Positioning System)卫星探测积雪深度并获取了良好的结果,但是其仍存在观测数据单一、反演精度偏低等问题.为增加GNSS-MR技术所使用的数据源且GLONASS卫星数量接近GPS系统,本文提出了基于GNSS-MR算法,采用GLONASS卫星L1和L2载波低卫星高度角(小于25°)的信噪比数据测量了加拿大YEL2跟踪站2015年7月至2016年6月的逐日雪深.该反演值分别与GPS的结果和实测雪深对比,从多路径反射信号与雪深变化量的关系、反演精度以及相关性等多方面进行详细分析,验证了基于GLONASS卫星信号反演地表雪深的适用性和可靠性.结果显示:利用GLONASS卫星信噪比数据的反演雪深与实测雪深间具有高一致性.其中,GPS和GLONASS卫星L1载波的反演雪深无明显差异,两者的RMSE皆在4 cm左右;而GLONASS卫星L2-RMSE为2.6 cm,相关系数达到0.98,其雪深反演的效果明显优于前两种方法.因此,该结果表明采用GLONASS卫星反射信号探测地表雪深能进一步扩展GNSS-MR技术的应用.     

基于星载高精度GPS观测数据的大气密度反演

星载高精度GPS观测数据可提供卫星速度和位置信息,而卫星的运行轨迹又与所处位置的大气密度紧密相关,因此可通过求解大气阻力微分方程,由高精度GPS观测数据反演出卫星运行轨迹上的热层大气密度.本文从星载高精度GPS观测数据出发,给出大气密度的反演方法,以及平均平动参数nM、反弹道系数B两个重要参数的解算过程,并以天宫一号为例,给出反演结果与天宫一号观测数据的比对.结果表明,反演结果与观测值符合很好,两者的均方差在2012年1月1日、2月24日分别为8.6%和8.4%,说明利用星载GPS观测数据反演大气密度是有效、可行的,可成为今后获取高精度大气密度的一种方法.     

应用实测光谱估算千岛湖夏季叶绿素a浓度

依据2010年8月的实测数据构建了千岛湖水体夏季叶绿素a浓度的实测光谱数据估算模型,并进行了验证.利用ASD FieldSpec3野外光谱仪获取高光谱数据,计算水体离水辐亮度和遥感反射率.通过寻找反演水体叶绿素a浓度的高光谱敏感波段,采用单波段相关分析、波段比值、微分光谱、三波段模型、BP人工神经网络等多种算法进行比较分析,结果表明:叶绿素a浓度与单波段光谱反射率的相关性不大;596 nm和489 nm波长处反射率比值、545 nm处光谱一阶微分与叶绿素a浓度均呈较显著相关,估测模型决定系数R2分别为0.782、0.590,RMSE分别为0.89、1.98μg/L;三波段模型的反演结果优于传统的波段比值和一阶微分法,R2为0.838,RMSE为0.71μg/L;神经网络模型大大提高了叶绿素a浓度的反演精度,R2高达0.942,RMSE为0.63μg/L.本研究为今后在千岛湖水域的夏季相邻月份进行叶绿素a浓度大范围遥感反演研究奠定了基础.     

电离层TEC卡尔曼滤波成像研究

随着太空探测技术的进步,对TEC(Total Electron Content,简称TEC)探测精度要求越来越高.本文利用COSMOS 2414卫星数据资料获得观测TEC,在电离层NeQuick模型下,得到电离层电子密度,并使用卡尔曼滤波算法反演电子密度,最后结合电离层测高仪数据对实验结果进行判定.结果发现利用卡尔曼滤波反演信标资料算法,可以获得可靠的二维电子密度场.     

昆明全天空流星雷达观测中高层大气温度

利用昆明电波观测站（25.6°N,103.8°E）两台不同工作频率的全天空流星雷达在2011年特殊联合观测试验期间的数据,基于Hocking的方法利用不同的温度梯度,在确定了昆明地区中层顶位于流星峰值高度之上的情况下,反演了昆明地区上空88 km和85 km高度的大气温度,并与Aura卫星观测的温度进行比较.对比研究发现,两台流星雷达可以分别正确获得88 km和85 km高度的大气温度,但其中由全球温度梯度模式反演得到的大气温度与卫星观测温度相关性不是很好,而利用卫星观测的温度梯度,两台雷达反演出的大气温度与卫星观测温度存在很好的相关性.结果表明了准确的温度梯度在流星雷达观测大气温度过程中是至关重要的.     

中国电磁监测试验卫星朗缪尔探针数据反演方法研究

朗缪尔探针是目前国际上广泛应用的一种空间等离子体环境就位探测技术.中国电磁监测试验卫星上搭载的朗缪尔探针,是我国首次将探针技术应用于星载平台.本文基于电磁监测试验卫星朗缪尔探针的观测原理及Irving Langmuir等提出的近似理论公式,针对朗缪尔探针的仪器特点,提出了等离子环境下朗缪尔探针观测数据的简化反演方法,并依据朗缪尔探针鉴定件的等离子体罐试验数据对该方法进行了比较验证.结果表明,该数据反演方法的效果较好,可以作为电磁监测试验卫星朗缪尔探针观测数据反演的基本方法,并为后续数据处理提供技术基础.      

基于GRACE星载加速度计数据的热层密度反演

本文主要研究了利用GRACE星载加速度计数据反演热层密度.首先联合采用GRACE卫星2007—2009年星载加速度计数据和星载GPS数据进行动力学定轨并同时估计加速度计校正参数,依此对加速度计数据进行了校正.根据Sentman稀薄空气动力学方程计算卫星空气动力系数,对校正后的加速度计数据进行处理,反演得到了该时期沿轨热层大气密度.为分析反演密度的精度,将本文反演得到的GRACE-A卫星沿轨密度与Doornbos的解算结果,以及经验密度模型NRLMSISE00,HASDM模型进行比较分析.统计结果表明,本文反演结果比Doornbos系统性偏大约5%~8%,二者间的标准差(STD,standard deviation)在10%以内,具有较好的符合性.其差异主要是由于采用了不同的加速度标校以及空气动力系数计算策略.本文反演得到的热层密度较HASDM模型表现为正的系统性偏差且幅度在4%以内,而Doornbos的结果较HASDM模型约系统性偏小4%~7%,二者与HASDM模型的标准差均为30%左右.另外,本文反演密度与NRLMSISE00模型之间存在约30%~40%的系统性bias,其STD也在30%左右.