植物叶绿素荧光对CO2反演精度的影响

大气散射效应作为CO₂反演的主要误差源,严重影响了大气CO₂卫星测量的反演精度。氧气在大气中含量稳定,大气CO₂反演方法中常利用氧气的这一特性进行散射校正,其中典型的有光子概率密度函数(PPDF)方法。然而,O₂ A吸收带的光辐射中存在的植物叶绿素荧光会在不同程度上影响PPDF因子的反演,进而限制了CO₂反演精度。由于植被荧光信号较弱,在以往CO₂反演中没有引起足够重视。在调研全球植被荧光分布的基础上,模拟分析了荧光对大气CO₂柱含量(XCO₂)的影响。模拟计算无气溶胶条件下,以及气溶胶和地表反照率两者综合条件下荧光的影响,结果显示,当不考虑气溶胶的影响,荧光强度从0.1增加到1.8(mW·m-2·sr-1·nm-1),会给CO₂的反演结果造成0.1~2 (10-6)的偏差;考虑气溶胶与地表反射率的影响时,会给CO₂的反演结果造成(0.1~3)×10-6的偏差。此研究表明,对于具有高精度需求的CO₂反演,植物叶绿素荧光是一个不可忽略的影响因素。     

地表反照率对短波红外探测大气CO2的影响

在卫星短波红外遥感二氧化碳的过程中, 表征地表特征的地表反照率是影响探测精度的重要参数之一. 针对温室气体二氧化碳高精度探测的需求, 本文研究了地表反照率对正演模拟光谱和反演近地面二氧化碳平均柱浓度XCO₂的影响. 模拟计算结果显示, 地表反照率数值增大时, 观察的光谱强度也相应增大, 并且在O₂-A波段造成的光谱差异比1.6 μm波段高出一个数量级, 即地表反照率在O₂-A波段的影响比较大. 选取了两个不同地表类型的实际观测光谱, 仅改变O₂-A波段和1.6 μm波段地表反照率数值, 得出草地点在O₂-A波段地表反照率达到0.25的误差时, 会给XCO₂的反演结果造成大于1%的相对误差, 而1.6 μm波段的地表反照率变化对XCO₂的反演结果造成的误差可以忽略不计, 说明了地表反照率在反演XCO₂过程中的重要性主要来自对O₂-A波段的影响. 此研究表明了地表反照率在卫星遥感温室气体过程中的重要性, 为提高遥感探测二氧化碳的精度提供了重要的理论依据和指导.     

基于三光谱带的大气散射效应校正方法

大气散射效应作为CO₂反演的主要误差源,严重影响了全球大气CO₂卫星产品的应用研究。气溶胶作用以及气溶胶与地表综合作用是大气散射的重要来源。基于O₂-A,CO₂ 1.6和2.06 μm三个光谱带中的强、弱吸收峰和连续谱,从大气气溶胶光学厚度和地表反照率的角度,分析三光谱带具有的相关信息,提出改进的全物理反演方法,对相关性很强的气溶胶光学厚度和地表反照率这两个散射相关参数进行同步反演,实现大气CO₂反演中的散射效应校正。模拟计算气溶胶影响、气溶胶和地表反照率两者综合影响导致的CO₂反演误差,并进行校正,极端情况下导致的8% CO₂反演误差可校正到1% 内,气溶胶类型差异导致最高达10%的散射影响可校正到2%内,显示了方法的有效性,同时通过对校正效果的评估,表明该方法应用于卫星数据高精度反演的潜力,也指出了实际应用时需要关注的问题。     

星载近红外高光谱CO2遥感进展

在应用需求的拉动和高光谱技术发展的驱动下,利用被动式星载近红外高分辨率光谱仪探测大气CO₂分子柱含量已成为一个相当活跃的研究领域。本文介绍了卫星遥感CO₂在科学和社会发展方面的基本需求,分析了被动遥感CO₂的优势和不足;对国际上最新的以美国OCO-2(2014年7月发射)和日本GOSAT(2009年1月发射)为代表的专项CO₂遥感任务进行了综述,包括仪器指标、观测模式和定标模式等方面;着重对OCO-2定标精度需求和多种在轨定标方式进行了阐述;从应用和数据处理角度,简要比较了光栅和傅里叶干涉探测技术探测CO₂的主要特点;最后对定量反演原理进行了概述,并对这一领域的未来发展进行了展望。     

利用便携式FTIR光谱仪研究环境大气中CO2浓度变化

高准确和高精度测量环境大气CO₂浓度,对于监测区域和城市温室气体的排放至关重要。基于傅里叶变换红外（FTIR）光谱技术,利用便携式FTIR光谱仪采集近红外太阳吸收光谱,基于非线性最小二乘算法,反演获得了2016年9月至2020年5月期间合肥地区环境大气的CO₂柱浓度。观测结果表明,CO₂气体的柱浓度有着明显的季节变化,在春季出现最大值,夏季下降速度快,秋季达到最小值。柱平均干空气混合比浓度XCO₂的日均值位于(401.23±0.60)和(418.41±0.31) ppm之间,而2017年观测的月均值有着6.96 ppm的季节幅值。并且,观测期间XCO₂呈现逐年增长的趋势,年平均增长率为(2.71±0.66) ppm·yr-1。为了验证便携式FTIR光谱仪观测的准确性和可靠性,我们将其观测结果与高分辨率FTIR仪器同步测量结果进行比较,发现观测的XCO₂的偏差均值为1.32 ppm,二者的相关系数r为0.97,两个数据显示高度一致性。同时将观测结果与GOSAT卫星数据作了横向比较,两个数据的平均偏差为(0.63±1.76) ppm,二者的相关系数r为0.86,显示出地基数据与卫星数据有高相关性。最后,将合肥站点2020年秋季观测数据与上海站点同期观测数据进行了比较,发现上海站点与合肥站点的CO₂柱浓度变化基本一致,合肥观测点的XCO₂日均值位于(415.09±0.84)和(417.80±0.67) ppm之间,上海观测点的XCO₂日均值位于(411.87±1.07)和(416.63±1.70) ppm之间,表明同步观测期间合肥的CO₂柱浓度略高于上海市。地基FTIR光谱仪的观测结果可为追踪合肥地区温室气体的碳源与碳汇提供基础数据。     

深紫外波段苯的差分光学吸收光谱DOAS定量方法研究

取代基通过取代苯环上的H原子形成不同苯系物（苯、甲苯、二甲苯等）,其共有结构苯环上的不固定π键电子受到激发,使得苯系物在紫外波段240～280 nm具有明显的特征吸收结构,鉴于此大气中的苯及相关的苯系物可以通过差分光学吸收光谱（DOAS）方法来进行定量,但采用该波段测量需要考虑以下问题：首先是氧气（O₂）的吸收干扰问题,苯(C₆H₆)在该波段的吸收截面与O₂在243～287 nm Herzzberg带相互重叠,且O₂的特征光谱结构随O₂的浓度不同而变化, 导致O₂的吸收光学密度与O₂的浓度不成线性关系。其次,苯系物结构上的相似性使其在紫外波段的特征吸收结构差别较小并且相互重叠,从而对C₆H₆的拟合产生干扰。此外,除了O₂和苯系物以外,还有臭氧（O₃）、二氧化硫（SO₂）等干扰。C₆H₆在195～208 nm的深紫外波段具有较大的吸收截面（2.417×10-17 cm2·molecule-1）,为240～260 nm处截面大小（2.6×10-18 cm2·molecule-1）的9倍左右,针对C₆H₆在深紫外195～208 nm波段的吸收特征,开展便携式DOAS定量方法研究,采用该波段进行C₆H₆的光谱定量分析并应用到实际的外场观测。通过建立C₆H₆与干扰气体SO₂,氨(NH₃),二硫化碳(CS₂)和一氧化氮(NO)的差分吸收截面的二维相关性矩阵,获取C₆H₆光谱定量的最优反演波段。通过开展实验室条件下C₆H₆,SO₂和NH₃不同浓度配比的混气实验对195～208 nm波段反演C₆H₆的效果进行评估。实验结果显示,采用195～208 nm波段进行光谱反演的探测限为17.6 μg·m-3,光谱反演浓度与理论浓度的相对测量误差均小于5%且RSD（相对标准偏差）小于3%,同时与240～260 nm波段反演结果进行对比,相对误差小于5%。在外场实际情况下,利用便携式DOAS系统获取190~300 nm的大气测量光谱,通过DOAS方法解析并结合GPS信息,获得了某化工园区C₆H₆的污染浓度分布,实验结果表明采用195～208 nm深紫外波段同样能适用于对C₆H₆的光谱定量,与240～260 nm波段反演结果进行对比,二者的相关性达到了0.98且相对误差小于10%。     

基于GOSAT卫星数据的大气甲烷反演误差分析及校正

大气甲烷(CH₄)高精度反演受到多种因素的影响,其中地表特征和大气状态的不确定性是重要的影响因素,如地表反射率、温度、湿度和压力廓线。地表反射率受到诸多因素的影响,难以获得精确的数据,会给反演结果带来较大误差。温度、湿度和压力廓线的不确定性亦是反演误差的重要来源,由此产生的系统误差难以避免,单独利用CH₄吸收带进行反演难以消除此种误差。针对各种参数不确定性的影响,本文提出比值光谱法和CO₂吸收带校正法进行校正。比值光谱法通过将绝对辐亮度谱转化为比值光谱,抑制地表反射率在反演过程中的作用。CO₂吸收带校正法利用CO₂ 1.61 μm吸收带,将CH₄柱含量转化为CH₄体积混合比,校正温度、湿度和压力廓线不确定性引起的系统误差。通过将两种校正方法结合,可同时抑制地表反射率和温度、湿度、压力廓线不确定性产生的影响,减小反演误差。利用温室气体观测卫星(GOSAT)的观测数据进行大气CH₄反演,采用比值光谱法和CO₂吸收带校正上述误差,结果显示校正后的CH₄体积混合比与GOSAT-Level2产品相当接近,反演精度可达-0.24%,反演结果较为稳健可靠。研究表明,比值光谱法和CO₂吸收带校正法可有效校正地表特征和大气状态参数不确定性引起的误差,提高大气CH₄反演精度。     

探测大气中CO2的Raman激光雷达

基于大气激光后向散射光谱，研究和设计了探测大气CO₂浓度的Raman激光雷达,其发射机采用Nd∶YAG激光的三倍频354.7nm作为工作波长,发射的单脉冲能量350mJ,重复频率20Hz；接收机采用了光电倍增管(量子效率25%)和光子计数器(计数速率200MHz),探测CO₂的Raman散射371.66nm(频移1285cm^-1)信号,(1小时累加)近地面2.5km以内信噪比不小于8.采用组合滤光片来抑制强的354.7nm Mie-Rayleigh后向散射和氧气375.4nm Raman后向散射对信号的严重干扰. 比较分别来自大气CO₂和参考气体N₂的Raman后向散射回波,可反演出大气中CO₂的相对浓度. 关键词： 大气光学 激光雷达 Raman散射光谱 参考气体 Mie-Rayleigh散射     

大气二氧化碳反演中系统误差的分析与校正

二氧化碳（CO2）高精度反演中易受多种因素的影响,其中一部分是系统误差,如温度廓线、压力廓线、水汽以及大气分层等精度不足所带来的影响,仅利用CO2吸收带的光谱信息很难克服由此带来的误差。这种系统误差的波长依赖性小,可以考虑其他波段进行校正。模拟研究表明,上述系统误差对CO2反演的影响经O2校正后有较大程度地减小。利用大兴安岭地区的温室气体观测卫星（GOSAT）观测数据进行CO2反演,采用氧气（O2）A吸收带校正上述系统误差,结果显示反演精度得到明显提高。     

气溶胶光学特性对宽谱差分吸收激光雷达NO2质量浓度反演结果的影响

针对宽谱连续波差分吸收激光雷达(DIAL)的特点,通过仿真不同大气条件下的激光雷达信号,计算分析宽谱DIAL气溶胶消光和后向散射效应引起的二氧化氮(NO₂)质量浓度反演误差。研究结果表明：当大气气溶胶均匀分布时,NO₂质量浓度反演误差主要取决于气溶胶消光效应,而后向散射效应引起的NO₂质量浓度反演误差一般可忽略不计;当大气气溶胶非均匀分布时,气溶胶后向散射效应引起的NO₂质量浓度反演误差依赖于气溶胶非均匀分布程度,且与波长指数成反比。此外,适当增大分段拟合距离可有效降低气溶胶后向散射效应引起的NO₂质量浓度反演误差。利用光谱近似得到宽谱NO₂-DIAL气溶胶消光和后向散射效应引起的NO₂质量浓度反演误差的近似模型,通过对比模拟计算的结果,验证了近似模型评估NO₂质量浓度反演误差的可行性。     

Correction of atmospheric scattering effects in space-based observations of carbon dioxide: Model study of desert dust aerosol

We describe an original methodology for CO₂ retrievals using space-based measurements of reflected sunlight spectra. The effects of optical-path modification by aerosols were considered in terms of photon path-length statistics. First, the general approach was verified using a representative set of photon trajectories produced by the Monte Carlo technique. This method enabled accurate consideration of optical-path modification by aerosols and was effective in CO₂ retrievals if aerosol optical properties were assumed. The next approach involved a limited number of parameters that describe the photon path-length distribution function (PPDF) and which were retrieved simultaneously with the CO₂ amount. This approach was efficient under conditions of strong path modification by desert dust aerosol. The retrieval procedure included the following: estimation of PPDF parameters from radiance spectra in the O₂ A-band; the necessary correction to use these estimated parameters in the 1.6-μm band; and, finally, CO₂ retrievals from the 1.6-μm band. The procedure was verified by numerical simulations using an independent radiative transfer approach to produce radiance spectra expected for the Greenhouse Gases Observing Satellite (GOSAT) sensor.     

Two-dimensional characterization of atmospheric profile retrievals from limb sounding observations

Limb sounders measure atmospheric radiation that is dependent on atmospheric temperature and constituents that have a radial and angular distribution in Earth-centered coordinates. In order to evaluate the sensitivity of a limb retrieval to radial and angular distributions of trace gas concentrations, we perform and characterize one-dimensional (vertical) and two-dimensional (radial and angular) atmospheric profile retrievals. Our simulated atmosphere for these retrievals is a distribution of carbon monoxide (CO), which represents a plume off the coast of south-east Asia. Both the one-dimensional (1D) and two-dimensional (2D) limb retrievals are characterized by evaluating their averaging kernels and error covariances on a radial and angular grid that spans the plume. We apply this 2D characterization of a limb retrieval to a comparison of the 2D retrieval with the 1D (vertical) retrieval. By characterizing a limb retrieval in two dimensions the location of the air mass where the retrievals are most sensitive can be determined. For this test case the retrievals are most sensitive to the CO concentrations about 2° latitude in front of the tangent point locations. We find the information content for the 2D retrieval is an order of magnitude larger and the degrees of freedom is about a factor of two larger than that of the 1D retrieval primarily because the 2D retrieval can estimate angular distributions of CO concentrations. This 2D characterization allows the radial and angular resolution as well as the degrees of freedom and information content to be computed for these limb retrievals. We also use the 2D averaging kernel to develop a strategy for validation of a limb retrieval with an in situ measurement.     

高分辨率傅里叶变换红外光谱反演环境大气中CO_2浓度的质量优化方法

高质量的CO_2反演结果有助于准确认知其源汇信息、预测未来气候变化趋势及提升全球碳循环的理解。基于非线性最小二乘光谱拟合技术,研究地基高分辨率傅里叶变换红外光谱反演环境大气中CO_2浓度的反演产品质量优化方法。借助O_2窗口的反演结果,将CO_2柱浓度转化为柱平均干空气摩尔分数(column-averaged dry air mole fraction,XCO_2),能有效修正系统共有误差;采用一种经验修正模型,能有效修正与大气质量因子相关的虚假日变化;通过建立一定的红外光谱筛选法则,能有效控制XCO_2反演产品质量。以一天的典型观测结果为例,对产品质量优化前后的反演结果进行了对比,优化后反演误差减小了60%,以正午为中心两边各取一小时计算了XCO_2的反演精度,为0.071%(相当于0.28ppm),符合TCCON(total carbon column observing network)规定的0.1%精度范围。     

太阳光谱对高分辨吸收光谱反演大气CO2浓度影响的研究

以太阳光为辐射源的近红外波段高分辨率吸收光谱广泛应用于大气参数遥测.以CO2浓度反演为例,研究了太阳光谱分辨率的影响.利用美国AER公司编制的太阳光谱计算程序得到大气上界的理论计算太阳光谱作为辐射源,结合自行编制的高分辨率大气透过率模拟软件HRATS对大气中CO2平均浓度进行模拟反演.数值模拟计算结果表明,太阳光谱的准确度对浓度反演非常重要,特别是在超分辨光谱反演中异常重要,虽然反演浓度的偏差与观测分辨率没有明显的线性变化规律,但有趋势:观测分辨率的降低对太阳光谱分辨率的要求也降低,为了精确反演大气中CO2浓度,因此需要充分利用大气层顶的高分辨太阳辐射光谱数据.     

基于光谱指数的不同叶倾角分布下玉米冠层叶绿素含量反演

遥感是开展地面/近地面、航空及航天层次无损伤探测植物叶绿素信息的主要手段。目前多波段计算光谱指数方法已被广泛地应用于植被冠层叶绿素含量的经验/半经验反演及应用中。考虑不同作物及同种作物不同品种间存在着一定的植被叶倾角分布(LAD)特征差异,针对叶倾角分布对光谱指数反演冠层叶绿素含量(CCC)的影响进行分析,并开展针对叶倾角分布变化不敏感的叶绿素相关光谱指数优选和冠层叶绿素反演建模研究。基于PROSAIL辐射传输模型模拟了不同叶片叶绿素含量(LCC)、叶面积指数(LAI)和LAD对应的冠层反射率数据。模拟结果显示,在相同LAI和LCC条件下,不同LAD对应的冠层反射率有明显差异,冠层反射率随着平均叶倾角的增加而降低。通过计算12个常用的叶绿素相关光谱指数与CCC的相关性指标,来评估光谱指数在不同LAD下反演叶绿素含量的敏感性差异,并依次优选出MTCI,MNDVI8,MNDVI1和CI_red-edge4个对LAD变化较不敏感的叶绿素相关光谱指数。利用玉米实测数据对光谱指数进行冠层叶绿素估测的建模和模型检验,模型的建立和验证结果显示,MNDVI8对LAD变化最不敏感,反演模型的精度最高,决定系数R2=0.70,均方根误差RMSE=22.47 μg·cm-2。CI_red-edge(R2=0.63,RMSE=24.06 μg·cm-2),MNDVI(R2=0.66,RMSE=24.07 μg·cm-2)和MTCI(R2=0.65,RMSE=26.76 μg·cm-2)反演模型的精度较为接近并稍弱于MNDVI8。通过对反演结果分析得出结论,不同的光谱指数对LAD变化的敏感性不同,优选的光谱指数普遍对叶绿素含量具有较好的相关性和敏感性,其中MNDVI8受LAD影响最小,能较高精度的反演LAD变化下的玉米冠层叶绿素含量。优选的其他光谱指数MTCI,CI_red-edge和MNDVI1反演能力虽然稍弱于MNDVI8,但受LAD影响较小,同样具有较好的反演能力。该工作开展LAD对光谱指数叶绿素反演的敏感性分析和光谱指数优选研究,其实测数据的检验结果和模拟数据的分析结果一致;基于优选光谱指数的冠层叶绿素含量反演建模结果及精度分析结论,对开展缺乏叶倾角分布差异先验知识下的大范围作物叶绿素含量遥感估测和应用具有借鉴意义。     

Channel selection using information content analysis: A case study of CO2 retrieval from near infrared measurements

A major challenge in retrieving CO₂ concentrations from thermal infrared remote sensing comes from the fact that measurements in the 4.3 and 15 μm absorption bands (AIRS or TES) are sensitive to both temperature and CO₂ variations. This complicates the selection of absorption channels with maximum CO₂ concentration information content. In contrast, retrievals using near infrared (NIR) CO₂ absorption bands are relatively insensitive to temperature and are most sensitive to changes of CO₂ near the surface, where the sources and sinks are located. The Orbiting Carbon Observatory (OCO) was built to measure reflected sunlight in three NIR spectral regions (the 0.76 μm O₂ A-band and two CO₂ bands at 1.61 and 2.06 μm). In an effort to significantly increase the speed of accurate CO₂ retrieval algorithms for OCO, we performed an information content analysis to identify the 20 best channels from each CO₂ spectral region to use in OCO retrievals. Retrievals using these 40 channels provide as much as 75% of the total CO₂ information content compared to retrievals using all 1016 channels in each spectral region. The CO₂ retrievals using our selected channels have a precision better than 0.1 ppm. This technique can be applied to the retrieval of other geophysical variables (e.g., temperature or CH₄), or modified for other instruments, such as AIRS or TES.     

Retrieval of ozone profile from ground-based measurements with polarization: A synthetic study

We perform a retrieval based on optimal estimation theory to retrieve the vertical distribution of ozone from simulated spectra in the Huggins bands. The model atmosphere includes scattering by aerosol as well as Rayleigh scattering. The virtual instrument is ground-based and zenith-viewing. Using this algorithm, we show that it is possible to retrieve the ozone profile provided that the spectral resolution is at least 0.2 nm and the signal to noise ratio greater than 500. Our synthetic retrievals suggest that if we are able to measure the Stokes parameters Q, U and V with accuracy comparable to that of the intensity, the information contained in the measurements, and therefore the inversion, will improve. Furthermore, we find that the measurement of the full Stokes vector from the ground-based instrument will especially enhance the retrieval of tropospheric ozone. Utilizing concepts from information theory, our arguments are confirmed by increases in the degrees of freedom and the Shannon information content in the simulated measurements.     

AIRS与COSMIC反演大气温湿廓线比较

将福卫三号星系计划(COSMIC)气象、电离层及气候卫星探测系统、大气红外探测器(AIRS)反演的大气温度和湿度廓线与时间、空间匹配的欧洲中心中期天气预报(ECMWF)、美国环境预报中心(NCEP)分析值和无线电探空观测值进行比较, 结果表明, COSMIC具有垂直分辨率高、全天候的观测特点, 反演的大气温度和湿度廓线相对于AIRS而言与无线电探空观测值更接近, 能提供大气廓线的更精细结构, 但受掩星事件发生时所能探测最低高度的限制, 不能得到该高度以下的大气信息。AIRS在晴空时大气温湿廓线反演精度较高, 但受云天的限制, 在云层以下, 反演精度就大大降低。