The First Global Carbon Dioxide Flux Map Derived from TanSat Measurements

Space-borne measurements of atmospheric greenhouse gas concentrations provide global observation constraints for top-down estimates of surface carbon flux.Here,the first estimates of the global distribution of carbon surface fluxes inferred from dry-air CO_2 column (XCO_2) measurements by the Chinese Global Carbon Dioxide Monitoring Scientific Experimental Satellite (Tan Sat) are presented.An ensemble transform Kalman filter (ETKF) data assimilation system coupled with the GEOS-Chem global chemistry transport model is used to optimally fit model simulations with the Tan Sat XCO_2 observations,which were retrieved using the Institute of Atmospheric Physics Carbon dioxide retrieval Algorithm for Satellite remote sensing (IAPCAS).High posterior error reduction (30%–50%) compared with a priori fluxes indicates that assimilating satellite XCO_2 measurements provides highly effective constraints on global carbon flux estimation.Their impacts are also highlighted by significant spatiotemporal shifts in flux patterns over regions critical to the global carbon budget,such as tropical South America and China.An integrated global land carbon net flux of 6.71±0.76 Gt C yr~(-1) over12 months (May 2017–April 2018) is estimated from the Tan Sat XCO_2 data,which is generally consistent with other inversions based on satellite data,such as the JAXA GOSAT and NASA OCO-2 XCO_2 retrievals.However,discrepancies were found in some regional flux estimates,particularly over the Southern Hemisphere,where there may still be uncorrected bias between satellite measurements due to the lack of independent reference observations.The results of this study provide the groundwork for further studies using current or future Tan Sat XCO_2 data together with other surfacebased and space-borne measurements to quantify biosphere–atmosphere carbon exchange.     

基于GOSAT反演的中国地区二氧化碳浓度时空分布研究

卫星遥感监测大气二氧化碳柱平均干空气体积混合比(XCO₂)是实现碳源汇全球监测的最有效手段,本文对国际上4种应用GOSAT卫星观测的短波红外反演算法进行了介绍和结果分析。首先对于4种反演产品的有效数据量的分析表明:现有单一反演产品还不足以支撑XCO₂时空分布研究。其次利用集合平均方法,综合使用4种反演产品研究了2010年中国地区XCO₂时空分布特征,结果表明:XCO₂呈现显著的地理分布和季节变化,不同地区季节变化趋势基本一致,均在春季达到最高值、夏季达到最低值,多数地区全年高于380 ppm (×10-6);在地理分布上,东部和西部地区存在较明显的差异,东部地区人口密集、工农业生产等人为活动旺盛,周边多被森林和草地覆盖,碳源汇强度大,因此XCO₂季节变化幅度较大,全年约8 ppm;中、西部地区受人类活动影响较少,植被覆盖稀疏,XCO₂全年变化仅5 ppm。     

Model-Simulated Atmospheric Carbon Dioxide: Comparisons with Satellite Retrievals and Ground-Based Observations

Atmospheric CO2 concentrations from January 2010 to December 2010 were simulated using the GEOS-Chem（Goddard Earth Observing System-Chemistry） model and the results were compared to satellite Gases Observing Satellite（GOSAT） and ground-based the Total Carbon Column Observing Network（TCCON） data. It was found that CO2 concentrations based on GOSAT satellite retrievals were generally higher than those simulated by GEOS-Chem. The differences over the land area in January and April ranged from 1 to 2 ppm, and there were major differences in June and August. At high latitudes in the Northern Hemisphere in June, as well as south of the Sahara, the difference was greater than 5 ppm. In the high latitudes of the Northern Hemisphere the model results were higher than the GOSAT retrievals, while in South America the satellite data were higher. The trend of the difference in the high latitudes of the Northern Hemisphere and the Saharan region in August was opposite to June. Maximum correlation coefficients were found in April, reaching 0.72, but were smaller in June and August. In January, the correlation coefficient was only 0.36. The comparisons between GEOS-Chem data and TCCON observations showed better results than the comparison between GEOS and GOSAT. The correlation coefficients ranged between 0.42（Darwin） and 0.92（Izana）. Analysis of the results indicated that the inconsistency between satellite observations and model simulations depended on inversion errors caused by data inaccuracies of the model simulation＇s inputs, as well as the mismatch of satellite retrieval model input parameters.     

基于ENVISAT/ASAR资料的土壤湿度反演方法

提出了利用ENVISAT/ASAR/AP模式VV极化的低入射角数据和黄土高原陆面过程试验资料对黄土高原平凉试验区表层土壤湿度进行反演的方法。结果表明:在相对平坦的混合地表类型区域,反演的土壤湿度与地面实测值平均误差<0.02 cm3.cm-3,绝对误差均在0.04 cm3.cm-3范围内,该结果能较好地对黄土高原塬区土壤湿度进行干旱监测;但在陡峭山坡及塬边等地形起伏较大的区域,结果较差。     

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。     

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.     

卫星遥感结合数值模式估算金塔绿洲非均匀地表能量通量

针对遥感在面上计算的特点,将模式模拟的气象要素区域分布替代以往使用的单点观测值作为遥感估算蒸散发模型的初始场,引入到SEBS(Surface Energy Balance System)模型中,利用EOS/MODIS遥感资料对金塔绿洲非均匀下垫面地表能量通量进行了估算。对比估算结果与实测值表明,引入数值模拟结果后,绿洲地表感热通量的估算误差平均减小了5.8%,潜热通量的误差平均减小了5.5%,说明数值模拟结果的引入比较成功。通过分析地表通量的区域分布特征表明,数值模拟结果的引入在一定程度上更加细致地刻画了荒漠绿洲能量平衡的分布特征,在戈壁荒漠地区,潜热通量非常小,而绿洲集中的地区及水库附近出现了潜热通量的极大值。     

Spatial and Temporal Distributions of Atmospheric CO2 in East China Based on Data from Three Satellites

East China(23.6°–38.4°N, 113.6°–122.9°E) is the largest developed region in China. Based on CO₂ products retrieved from the Greenhouse Gases Observing Satellite(GOSAT), the spatial and temporal distributions of CO₂ mixing ratios in East China during 2014–17 are discussed, and the retrieved CO₂ from AIRS(Atmospheric Infrared Sounder) and OCO-2(Orbiting Carbon Observatory-2), as well as WLG(Waliguan) background station observations, are compared with those of GOSAT...     

ArcInfo下卫星遥感火点空间定位算法研究

应用ArcInfo地理信息系统和MapObjects组件空间分析技术、数据库技术,对森林火点卫星遥感信息的地理定位技术进行了研究,结合1:250000地理信息数据,研制了快速获取火点周围地理信息的技术流程及计算方法,开发了业务化系统,实现了自动化操作。尤其在多火点的情况下更能显示出其优越性,相同情况下,比手工地理定位提高了定位精度,工作效率提高了10倍以上。投入业务运行以来,在森林防火工作中发挥了重要作用,为火点监测赢得了时间,取得了明显的社会效益。     

从FY-4A卫星遥感数据和GFS资料估算全天空状况下的地表长波辐射通量

本文介绍一种利用FY-4A成像仪遥感数据和全球预报系统(GFS)资料估算全天空地表长波辐射通量的反演方法。该方法通过辐射传输模拟和统计回归计算建立云天地表下行长波辐射通量的反演模式,并基于GFS资料处理云覆盖地区的地表上、下行长波辐射通量。这种全天空状况下两种通量的反演结合了FY-4A晴空地表长波辐射业务产品和本文反演模式处理的云天地表上、下行长波辐射通量。2018年9月1日的处理结果与Aqua/CERES同类产品相对比,精度为:RMSE=20.52 W·m^-2,R=0.9481,Bias=3.3 W·m^-2(夜间地表下行辐射通量对比);RMSE=25.58 W·m^-2,R=0.9096,Bias=5.4 W·m^-2(白天地表下行辐射通量对比);RMSE=10.97 W·m^-2,R=0.9762,Bias=-3.3 W·m^-2(夜间地表上行辐射通量对比);RMSE=19.97 W·m^-2,R=0.9283,Bias=5.0 W·m^-2(白天地表上行辐射通量对比)。这些结果表明本文发展的方法能够反演出精度较好的云天上下行长波辐射通量资料,为今后利用FY-4后续星处理生成全天空状况下的地表长波辐射通量产品奠定了理论基础。     

利用MERIS和AATSR资料估算黄土高原塬区蒸散发量研究

基于陆面能量平衡原理,通过对搭载在欧洲空间局环境卫星(Environmental Satellite,ENVI-SAT)上中分辨率影像光谱仪(Medium Resolution Imaging Spectrometer,MERIS)2005年6月7,11和27日的遥感观测资料进行大气纠正等预处理后,得到估算瞬时蒸散发量所需要的地表反照率和植被覆盖度等值,并利用分裂窗法和ENVISAT上搭载的先进的沿轨迹扫描辐射计(Advanced Along-TrackScanning Radiometer,AATSR)的观测资料进行了地表温度的反演,进一步估算出黄土高原塬区午间瞬时净辐射、感热通量和土壤热通量。结合与卫星遥感观测资料同期研究区域气象站的太阳辐射、气温、日照时数和风速等气象要素资料,充分考虑到植被冠层和陆地表面对蒸散发量的不同影响,发展了一个可以估算陆面潜热的简化模型,并将瞬时蒸散发量转化为日蒸散发量。对卫星遥感估算的潜热通量,利用黄土高原塬区陆面过程野外观测试验(Loess Plateau land surface process field Experiments,LOPEXs)的地面通量观测资料进行验证,结果表明:二者最大相对差异为10.9%,最小相对差异为4.8%,并对差异误差产生的原因进行了分析和探讨。     

珠穆朗玛峰北坡高寒草甸生态系统CO2通量日变化与月变化特征

采用涡度相关法,对珠穆朗玛峰北坡高寒草甸生长季与非生长季(2005年5～7月、10月、11月及2006年2月、3月)的CO2通量进行了观测.分析结果表明,在生长季,CO2通量存在明显的日变化,08:00～19:00(北京时,下同)为CO2净吸收,20:00～09:00为C02净排放.6月,CO2通量峰值出现在11:00左右为-0.61g·m-2·h-1;而7月,CO2通量峰值出现在14:00,达到-0.86g·m-2·h-1.从月变化来看,5月为CO2净排放,月总量为89g·CO2·m-2,6月和7月均为CO2净吸收阶段,月吸收总量分别为70g·CO2·m-2和104g·CO2·m-2;而10月,植物枯黄,生态系统转为碳排放,月排放量约为50g·CO2·m-2,与次年3月份月总量(52g·Co2·m-2)接近,而11月份与次年2月份的月排放量接近(分别是23g·CO2·m-2,25g·CO2·m-2).非生长季(2月)CO2通量日变化振幅很小,除14:00～19:00少量的CO2净排放外(0.14g·m-2·h-1左右),其余时间CO2接近零.     

The Variability of Air-sea O2 Flux in CMIP6: Implications for Estimating Terrestrial and Oceanic Carbon Sinks

The measurement of atmospheric O₂ concentrations and related oxygen budget have been used to estimate terrestrial and oceanic carbon uptake. However, a discrepancy remains in assessments of O₂ exchange between ocean and atmosphere (i.e. air-sea O₂ flux), which is one of the major contributors to uncertainties in the O₂-based estimations of the carbon uptake. Here, we explore the variability of air-sea O₂ flux with the use of outputs from Coupled Model Intercomparison Project phase 6 (CMIP6). The simulated air-sea O₂ flux exhibits an obvious warming-induced upward trend (~1.49 Tmol yr^?2) since the mid-1980s, accompanied by a strong decadal variability dominated by oceanic climate modes. We subsequently revise the O₂-based carbon uptakes in response to this changing air-sea O₂ flux. Our results show that, for the 1990?2000 period, the averaged net ocean and land sinks are 2.10±0.43 and 1.14±0.52 GtC yr^?1 respectively, overall consistent with estimates derived by the Global Carbon Project (GCP). An enhanced carbon uptake is found in both land and ocean after year 2000, reflecting the modification of carbon cycle under human activities. Results derived from CMIP5 simulations also investigated in the study allow for comparisons from which we can see the vital importance of oxygen dataset on carbon uptake estimations.     

陆地生态系统固碳速率立体监测方法:进展与挑战

全球CO₂浓度增加造成的全球变暖已成为人类亟需解决的问题,陆地生态系统在过去几十年一直扮演着重要的碳汇角色,吸收了30％左右的人类活动排放CO₂。本文调研分析了陆地生态系统固碳速率空间估算方法,包括样地调查、通量监测、模型模拟、遥感估算等,梳理了各种估算方法的研究现状与进展。样地调查、通量观测等方法可以提供点尺度的固碳速率直接测量信息,但存在观测样本有限、空间代表性不足等问题。模型模拟方法可以从机理的角度描述陆地碳、水、能量循环,模拟预测陆地生态系统固碳速率的状态和变化。然而,在模型建立过程中,抽象和简化会引入结构与假设的不确定性,以及模型驱动数据引入的不确定性等问题是碳循环模型模拟方法面临的重大挑战。卫星遥感具有全球覆盖、分辨率精细、时间序列观测等优点,结合机器学习方法,为地球大数据驱动的全球碳源汇估算提供了新的研究范式。但是,当前各种固碳速率的监测方法还没有满足高度时空异质性的陆地生态系统固碳量监测需求,未来需要整合地面观测、模型模拟和卫星遥感等多种技术手段,提供区域和全球尺度的陆地生态系统碳汇精确估算方法体系和科学数据产品。     

基于风云三号气象卫星微波亮温资料反演东北地区土壤湿度及其对比分析

土壤湿度在陆面过程中发挥着重要作用,是联系陆地水循环和能量循环的纽带和关键环节。遥感技术可以实时地对土壤湿度进行长期、大区域动态监测,已成为监测土壤湿度的有效手段。本文基于风云三号气象卫星（FY3B）微波亮温资料,利用基于微波能量辐射传输方程的陆面参数反演模型（LPRM）反演了中国东北地区的土壤湿度（FY3B_LPRM）。把反演获得的FY3BLRPM土壤湿度与中国气象局农业气象站土壤湿度观测资料、NCEP和ERA-Interim土壤湿度再分析资料、欧洲空间局多卫星融合ECV（Essential Climate Variable）土壤湿度产品和国家卫星气象中心FY3B官方土壤湿度产品（FY3B_offical）进行了对比分析。结果表明:（1）本文反演的FY3B土壤湿度与农业气象站观测资料有较高的一致性;卫星土壤湿度整体上呈现自西向东逐渐增加的空间变化,与农业气象站观测资料较为一致;在季节变化上,两者高度相关,在大部分地区的相关系数都达到0.7以上。（2）在大兴安岭和东北三省东部等地表相对湿润的地区,FY3B_LPRM土壤湿度与NCEP、ERA-Interim和FY3B_offical土壤湿度呈现较强的负相关;再分析资料和FY3B_offical土壤湿度均无法反映该地区土壤干湿状况的季节性变化,甚至与观测资料呈反位相变化特征。FY3B_LPRM土壤湿度与欧洲空间局研发的多卫星融合ECV土壤湿度产品在绝大多数地区有较好的一致性。本文基于风云三号极轨气象卫星微波亮温反演的土壤湿度资料,可用于干旱监测、数值同化与天气预报、水文水资源等领域。     

在华北玉米生育期观测的16 m高度CO2浓度及通量特征

利用中国气象局固城农业气象生态试验站2004年玉米生育期通量观测资料,分析了CO2浓度和通量随玉米生长的变化,并估算了玉米生育期陆地与大气CO2净交换量。结果表明:CO2浓度变化对农户活动和作物生长极其敏感;浓度在整个生育期始终有明显的日变化规律,峰值（谷值）出现在日出（日落）前后,通量仅在7月中旬至10月上旬之间出现明显的日变化特点,且位相超前于浓度,开花期通量最大;玉米播种期、苗期和成熟后地面向大气净排放碳, 拔节至成熟前地面从大气净吸收碳;开花期碳吸收最强,其后依次为吐丝－乳熟期和拔节期。比较分析了目前流行的通量计算方法对碳吸收估计的影响,结果显示不同计算方法能产生高达160%的碳吸收估计偏差,应当引起重视。生态系统碳平衡分析结果表明,玉米地在生长季表现为弱碳汇（大约660 kg/hm2）,但这一结果可能低估了实际的碳汇强度,低估程度有待研究。     

一种基于卫星遥感和数值预报产品的雾预报方法

以气象卫星云图为基础, 应用云雾光谱特征和结构特征进行雾区的动态检测和提取;并利用地面自动气象站资料,采用诊断分析方法探讨雾区变化与多气象要素的关系。分析表明:雾区移动速度与地面风速有关,一定的相对湿度、地气温差和风速大小等要素阈值可以作为雾的排空条件。利用经修正的中尺度数值天气预报模式输出的气象要素产品,对卫星遥感雾区进行0~2 h的外延预报,进而建立了一个大雾短时临近预报业务平台,对2009年和2010年多雾季节的1—4月大雾过程应用统计结果表明,该方法对大雾短时临近预报具有一定的效果。     

基于遥感数据的夏玉米高温热害监测评估

玉米作为一种重要的粮食作物,其产量对于国家粮食安全的影响至关重要。该文结合遥感与地面实测气温数据,基于地表温度与气温具有显著的线性相关关系,构建我国夏玉米主产区高温热害评估模型,并对该模型进行精度检验。结果表明：平原区域日平均气温的模拟结果决定系数在0.8以上,达到0.001显著性水平,均方根误差在1.8℃左右的小范围内波动;平原区域精度略高,山区精度略低（均方根误差为2.4℃）。利用该模型对2008—2018年黄淮海夏玉米主产区高温热害进行评估,发现2017年和2018年夏玉米受高温热害影响最严重,高温热害区主要分布在河北省东南部、河南省大部以及山东省西部,该结果与实际情况相符。     

FY-3A陆表温度反演及高温天气过程动态监测

采用FY-3A/VIRR数据,利用Becker局地分裂窗改进算法反演得到逐日陆表温度 (LST), 对2009年一次高温天气过程进行动态监测, 并分析不同下垫面的热环境变化。结果显示:此过程中可见光红外扫描辐射计 (VIRR) 陆表温度产品在敦煌辐射校正场地两次验证的误差为-0.17 K和1.77 K,与同时间过境的MODIS产品均方根误差为2.64 K,直方图对比陆表温度的频数分布基本一致;对高温天气过程监测发现,此次出现以华北的石家庄、郑州、北京等地和西北地区东部的西安等地为中心的两个陆表温度高值区, 部分地区达到了320.2 K以上;城市剖面资料证实城市热岛现象存在,并发现工矿用地的热岛效应不容忽视,主要是大面积的工矿用地周围植被破坏严重,地表增温更为显著。