高光谱遥感仪器的光谱参数和信噪比需求

卫星短波红外CO₂遥感获得大气低层CO₂浓度信息,已成为目前国际热点研究领域。结合气候变化及碳源、汇观测需求,利用高精度大气辐射传输模式研究了高光谱分辨率、高精度CO₂探测目标的可实现性。针对高光谱CO₂探测器光栅分光、阵列探测器特点,分析了光谱分辨率、光谱采样率等关键技术指标对CO₂探测的可能影响;基于辐射敏感度因子分析了不同探测精度要求下的信噪比需求。结果表明:高光谱CO₂探测器首先应具有足够高的光谱分辨率,以便从太阳反射连续谱段中分辨出CO₂吸收线;为保证CO₂光谱的准确性,光谱仪所用探测器面元应该保证光谱采样率大于2;尽管探测边界层内CO₂浓度1%变化所要求的信噪比难以达到,但探测整层大气CO₂浓度1%的变化所需要的信噪比是可以实现的。     

碳卫星高光谱二氧化碳探测仪基于太阳夫琅禾费吸收线的在轨波长定标

大气二氧化碳（CO₂）探测仪（ACGS, Atmospheric Carbon dioxide Grating Spectrometer）搭载于中国全球二氧化碳观测科学试验卫星（TanSat）,通过探测0.76 μm、1.61 μm、2.06 μm波段的反射太阳光谱,采用最优估计算法反演大气CO₂浓度。满足高光谱分辨率和高精度CO₂浓度反演需求,精确探测光谱波长的变化非常重要。本文以高分辨率太阳参考光谱的夫朗禾费吸收线作为参考基准,利用ACGS对太阳的观测光谱计算了ACGS三个谱段通道中心波长位置在一年内的变化情况。结果显示,三个谱段的波长变化在光谱分辨率10%以内,满足光谱定标精度需求。这种变化可能是由于仪器在轨状态变化引起,特别是在轨运行温度变化引起的。ACGS波长的微小变化需要在产品反演中进行修正。基于独立太阳夫琅禾费吸收线的在轨光谱定标方法不仅可以有效监测ACGS的光谱稳定性,还可以为L2产品的处理的提供参考信息。     

卫星高光谱大气CO2遥感反演精度地基验证研究

利用TCCON网站提供的北半球7个地面观测站CO₂干空气混合比（XCO₂）数据,对3种卫星反演的XCO₂产品进行了验证,包括SCIAMACHY产品、NIES-GOSAT产品和ACOS-GOSAT产品。结果表明：卫星CO₂遥感反演产品与地基遥感资料具有较一致的季节性周期变化,一年中月平均浓度最高值均出现在4月和5月,最低值均出现在8月和9月;相对于地面观测,3种卫星产品均低估了XCO₂;ACOS-GOSAT产品与NIES-GOSAT产品的精度大体相当,误差标准差分别为2.26×10^-6和2.27×10^-6;SCIAMACHY产品的精度略差,误差标准差为2.91×10^-6。     

近红外CO2高光谱探测仪通道选择

近红外波段 (1.6 μm) 遥感可探测大气CO₂含量信息,应用于碳循环研究中。宽波段、高分辨率不但对仪器研制是一个挑战,而且巨大的数据量对观测的正演、反演也是一个挑战性课题。该文应用自由度及信息量分析法,对近红外高光谱波段中探测通道进行CO₂信息量分析,选择前20~100个高信息量的CO₂探测通道,并进行了反演模拟测试。结果表明:前20个高信息量通道占所有通道总信息量的76.4%,仅用所选的前20个通道进行反演,与所有通道参加反演的结果相比,误差增加0.3×10-6;通道数增至60时,信息量增加,通道数再增加,信息量则增加不显著;CO₂反演误差存在相似的关系。在高CO₂信息量分布上,弱吸收性质的1.6 μm波段和强吸收性质的2.06 μm波段表现出不同特点。     

基于SCIAMACHY反演数据的全球CO2浓度时空变化特征研究

通过卫星观测光谱反演计算是当前观测全球CO₂浓度水平,分析其变化趋势的重要手段,但是由于观测条件及反演方法的限制,基于卫星观测光谱反演计算只能得到离散的CO₂浓度数据,需要借助空间插值方法才能获得空间连续的CO₂浓度数据。本文以SCIAMACHY研究团队发布的XCO₂浓度数据为基础数据,首先对比分析了空间分析中常用的3种经典插值方法（反距离加权法,克里格法,样条函数法）在XCO₂空间内插中的精度,综合分析平均绝对值误差、绝对值误差最大值和均方根误差3个指标,结果表明反距离加权插值法为最优内插方法。基于该方法生成2003年1月-2012年4月共计112个月的全球大陆XCO₂浓度分布数据集,并对全球大陆范围内XCO₂浓度的时空变化特征进行分析,发现在此时段内全球各个大陆XCO₂均表现出增加的趋势;在全球大陆平均水平上,XCO₂浓度增加幅度为17.43×10^-6,XCO₂年平均值增加速率约为2×10^-6,总体上呈现北半球增加速率高于南半球的特点。     

面向我国碳中和、碳达峰的大气甲烷观测卫星现状与发展趋势分析

甲烷（CH₄）是辐射强迫仅次于二氧化碳（CO₂）的重要温室气体,减少CH₄排放是控制全球增温,实现碳中和目标的必要手段。面对碳中和战略需求,快速定位排放源并定量监测CH₄排放量,准确估算全球和区域CH₄源汇分布,对减排措施的制定、实施和评价均具有重要的现实意义。此外,结合长期CH₄观测数据和气候系统模型探索大气CH₄浓度变化规律,是预测和积极应对气候变化的前提。IPCC 2006年国家温室气体清单指南2019修订版正式提出了利用“自上而下”方法计算通量、核验排放清单的方法,表明获取全球范围内的高精度高时空分辨率CH₄观测数据势在必行。为了实现碳中和目标,本文首先从大气CH₄研究需解决的几个关键科学问题入手,分析了CH₄的星载探测需求,总结了CH₄星载探测的现状和发展趋势,并简要介绍了中国第二代碳卫星的设计思路。同时,星载CH₄探测还依赖于高精度的反演算法提供可靠的数据产品,以实现监测和实际应用的目的。因此,本文进一步阐述了卫星遥感CH₄反演算法及相应数据产品在排放量监测和通量反演中的应用,论述了提升反演算法计算效率和精度,开发甲烷烟羽快速识别算法和建立通量反演算法的必要性。最后,本文从探测、数据获取和应用的角度进行总结,表明了CH₄卫星观测在碳中和目标实践中的科学应用潜能。     

地基傅立叶红外高光谱遥感观测大气成分平台建设及其反演技术研究

利用国际大气成分地基观测网络(NDACC)通用的德国BRUKER公司生产的傅立叶红外(FTIR)高分辨率地基光谱仪器IFS 120M,在国家卫星中心建立了地基高光谱观测平台,进行高光谱数据获取及其反演技术初步研究.阐述了地基高光谱观测平台的建设,高光谱仪器的调试和观测参数化研究结果,并且阐述了光谱的预处理和定标研究,利用地基高光谱在可见光波段的观测结果,进行了气溶胶光学厚度反演技术的初步研究.     

风云三号卫星红外高光谱探测技术及潜在应用

高光谱大气探测仪具有高光谱分辨率、高灵敏度和高精度光谱辐射定标等特点,在大气温湿度廓线反演、数值天气预报同化、气候变化研究以及大气痕量气体探测等应用上有显著的优势。我国风云三号极轨气象卫星的FY-3A/B/C三颗卫星上成功装载了自主研制的通道式红外探测仪器—红外分光计(IRAS),获取了从可见光到红外波长范围内26个通道的辐射观测,并应用于资料同化、全球大气温度和水汽廓线反演等。从FY-3D星开始将装载红外高光谱大气探测仪以替代IRAS,标志着红外高光谱大气垂直探测系统新纪元的开始。以风云三号卫星红外高光谱大气探测仪为例,介绍了卫星红外高光谱探测技术的进展和地面应用系统预处理过程的关键技术环节,给出了红外高光谱资料的潜在应用,并对在数值天气预报同化和大气探测应用方面的难点问题进行了分析和探讨。     

利用高光谱红外探测资料反演大气参数

文章介绍了红外高光谱的卫星探测技术以及利用现有的机载和星载高光谱资料的反演方法，着重讨论了美国NASA地球观测系统上携带的大气红外探测仪AIRS的反演方法。     

华北平原固城站NO2对流层柱浓度变化特征

基于2008年9月—2010年9月河北固城生态与农业气象试验站多轴差分吸收光谱仪 (multi-axis differential optical absorption spectroscopy, MAX-DOAS) 获得的太阳散射光谱观测,反演计算该地区NO₂对流层柱浓度,分析其季节、日变化特征以及不同来源输送的影响,并与同期NO₂地面观测资料和卫星产品进行对比分析。发现固城站NO₂对流层柱浓度冬高 (5.14×1016 cm-2) 夏低 (1.28×1016 cm-2);日变化形态在四季均呈现中午低、傍晚高的特征,且冬季最明显。与北京城市区域同期的观测相比,冬季固城站观测值略低,而在春、夏季则偏低较显著。地面风玫瑰图分析显示,来自SW, SSW, NE方向及ENE方向的污染输送对其贡献最大。与地面、卫星NO₂观测的对比表明,MAX-DOAS反演的NO₂柱浓度与地面观测浓度具有一致的季节和日变化特征,卫星反演的NO₂对流层柱浓度产品在华北平原农村地区存在系统性低估。     

鄂尔多斯盆地CO2地质封存适宜性与潜力评价

针对目前利用层次分析法对CO₂地质封存进行适宜性评价过程中,极少结合研究区域实际计算低层次评价指标权重,对适宜性评价结果又缺少进一步的分析,结合鄂尔多斯盆地的地质特征,通过计算指标组成权重和适宜性得分对盆地开展了CO₂地质封存适宜性评价,并以适宜区杏子川油田长4+5盖层为例,开展了盖层封闭性评价实验研究。同时,采用相应的计算方法对鄂尔多斯盆地深部咸水层和油藏的CO₂地质封存潜力进行了计算。结果表明：鄂尔多斯盆地在三叠系开展CO₂地质封存的适宜性最好,石炭-二叠系和奥陶系则次之;杏子川油田三叠系延长组长4+5盖层对区域开展CO₂地质封存具备良好的封闭性;鄂尔多斯盆地深部咸水层和油藏的CO₂有效封存量分别为1.33×10 ¹⁰ t和1.91×10 ⁹ t,且在延长石油吴起、靖边及杏子川油田共有56个CO₂地质封存适宜区,其CO₂有效封存量可达1.77×10 ⁸ t。     

利用GOME卫星资料分析北京大气NO2污染变化

利用GOME (Global Ozone Monitoring Experiment, 全球臭氧监测实验) 1996年1月—2002年12月NO₂对流层柱浓度月平均卫星遥感资料以及根据北京市2001年1月1日—2002年12月31日NO₂污染指数数据计算出的地面NO₂日均质量浓度值, 分析了北京市城市大气NO₂污染变化的季节变化特征以及年际变化, 并将2001年1月—2002年12月北京上空GOME NO₂对流层柱浓度月平均值变化与北京市地面NO₂日均质量浓度月平均值变化进行了比较, 结果表明两者随时间的变化趋势具有较好的一致性, 据此可以利用GOME NO₂对流层柱浓度月平均卫星遥感资料来分析特定区域大气NO₂的季节变化和年际变化。     

长江下游农业生态区CO2通量的观测试验

利用2001年6月10日~7月20日在安徽省全椒县稻田和2002年6月10日~7月20日在肥西县农作物混作区观测的近地层CO₂和能量通量资料，对农作物混作区和稻田CO₂通量特征进行了比较。结果表明:平均情况下，观测期内稻田白天(夜间)吸收(放出) CO₂为55.16 g·m-2(14.19 g·m-2)；农作物混作区白天(夜间)吸收(放出) C02为22.67 g·m”(12.40 g·m-2)；稻田白天吸收的CO₂通量随水稻生长而逐渐增加，夜间放出的CO₂在拔节期最高；农作物混作区CO₂通量在整个观测期并没有显著改变；稻田和农作物混作区均为大气CO₂的汇。对CO₂通量与光合有效辐射的关系分析表明:白天稻田吸收的CO₂通量与到达地面的光合有效辐射存在着显著的负相关关系。文中结果为数值模拟稻田与近地层大气CO₂交换提供了重要依据。     

基于飞行阶段的精细化航空二氧化碳排放因子研究

航空运输是交通领域CO₂排放增长最快速的部门。文中选择中国民航使用频率较高的超大型、大型、中型和小型飞机的典型机型,基于不同飞机在起飞、爬升、巡航、接近和滑行阶段引擎油耗速率、运行时间和油耗量的变化,计算航空飞机CO₂排放因子。同时结合各机型碳排放因子、额定载客量与客座率评估旅客搭乘不同飞机时的人均CO₂排放量（即单位客运周转量CO₂排放因子)。结果显示,超大型飞机、大型飞机、中型飞机和小型飞机在其航程区间内的平均CO₂排放因子分别为49.8、31.7、16.2和8.5 kg CO₂/km;满载条件下单位客运周转量CO₂排放因子均值分别为102.6、95.2、81.7和112.4 g CO₂/(人∙km)。起飞和爬升阶段引擎油耗速率约为巡航阶段油耗速率的2.6~3.4倍和2.0~2.8倍,飞机CO₂排放因子随飞行里程的提高而降低。航空运输是高碳客运方式,相同里程条件下,航空单位客运周转量CO₂排放因子显著高于高铁、道路机动车等其他客运方式。提升燃油效率、减少短途航运、合理安排航线以提高客座率并减少中途转机是降低航空碳排放量的有效途径。     

供热行业碳排放基准线研究——以沈阳市为例

根据沈阳市72家供暖企业调研数据,利用IPCC温室气体清单方法核算供热企业碳排放量。结果表明：在151 d供暖期内,不同热源形式碳排放强度差异显著,小型分散锅炉房平均碳排放强度为58.25 kg CO₂/m²,区域锅炉房为53.42 kg CO₂/m²,热电联产为49.87 kg CO₂/m²,组合式热源（燃煤锅炉+热泵）为34.49 kg CO₂/m²,清洁能源为21.58 kg CO₂/m²。基于不同热源形式碳排放强度和清洁发展机制推荐的基准线确定方法,设置了实际排放、历史排放、单体容量40 t/h以上区域锅炉房排放、热电联产排放、技术水平领先前30%和40%企业排放6种基准线情景。通过各个碳排放基准线值比较,结合沈阳市的经济技术发展水平和未来碳交易市场计划,建议选择技术水平领先前40%企业排放情景下的碳排放基准值46.57 kg CO₂/m²作为沈阳市2013年供暖行业的碳排放基准线。以此基准线为起始基准线,对2014-2020年的碳排放基准线进行了预测。     

华北冬小麦品种演变过程中CO2补偿点变化分析

CO₂补偿点是作物生长模型中最基本的关键模型参数之一,本文利用Licor-6400便携式光合作用测定仪,对1949年以前和1949-2005年中国华北地区不同年代冬小麦主要品种的生理生态参数进行大量的系统测定,在此基础上,对华北地区不同冬小麦品种的光合作用模型进行拟合,以确定不同年代不同品种冬小麦CO2的补偿点。结果表明：中国华北地区冬小麦CO₂补偿点随光强升高而降低,在800 μmol·m^-2·s^-1光量子通量密度条件下,野生麦种CO₂补偿点最高,达123.40 μmol·mol^-1。1949-2005年华北地区不同冬小麦品种中泰山1号CO₂补偿点最高,达107.07 μmol·mol^-1;红秃头CO₂补偿点最低,为57.25 μmol·mol^-1;不同品种冬小麦CO₂补偿点最高值和最低值差值为49.82 μmol·mol^-1,说明华北地区冬小麦随品种演化CO₂补偿点变化明显。建立了中国华北地区7个典型冬小麦品种包含CO₂因子的直角双曲线光合作用模型,确定了不同年代不同品种冬小麦CO₂的补偿点,为进一步建立包含CO₂直接作用的气候变化影响评估机理模型提供基础数据。