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大气CO2辐射传输特性与反演方法研究

2020-12-29阅读(521)

大气CO2辐射传输特性与反演方法研究

论文摘要

大气CO2作为重要的温室气体,其空间分布和源汇变化对气候预测和人类生产生活有着重要的影响。然而,由于大气CO2含量少且时空变化幅度较小,对其进行监测非常困难。相比于地基网络,天基观测平台可以具有更大的空间覆盖范围,能够实现对全球碳循环的监测。我国作为碳排放大国,目前在天基大气CO2遥感方法上的研究仍处于起步阶段,研究天基大气CO2遥感中的辐射传输特性及反演方法,对经济发展和环境外交具有重要的意义。本文首先就大气CO2辐射传输特性进行分析,在此基础上开展反演方法的研究,最后通过卫星观测数据对反演实践进行检验。在大气辐射传输过程中,大气分子和其它粒子会使辐射能量发生改变,准确表征这种变化是进行大气遥感的基础。本文从辐射传输基本原理出发,结合辐射传输计算工具对不同波段影响因素进行模拟。通过对比,证明近红外1.6um弱吸收带受其它气体影响最少,且不易饱和,相比于其它波段更适合天基CO2遥感探测。在此基础上,结合实际仪器模型,探讨观测光谱分辨率退化的原因,对选定波段内不同分辨率观测光谱进行了敏感性分析。分别计算了近红外和热红外波段的CO2权重函数垂直分布,通过对比揭示了近红外和热红外波段在不同高度上的敏感性差异。在辐射传输特性研究的基础上,结合前人研究成果开展了反演方法的研究,特别是在算法速度和精度改进方面进行了新的探索。针对正演模型中高分辨率光谱逐线积分运算复杂、耗时的特点,设计实现了以波数、温度、压力为变量的吸收截面三维查找表。吸收截面查找表显著加速了气体吸收计算,并使得权函数计算、正演模型与反演算法的集成成为可能。在方法设计上,首先探讨了使用差分吸收原理的大气CO2柱浓度反演算法,并证明该算法对随机噪声不敏感；通过在CO2廓线反演中引入最大后验概率约束,保证了反演值的合理性和正确性。此外,针对高分辨率光谱容易受到谱对准偏差影响的特点,设计实现了基于非线性优化理论的谱对准偏差校正算法,该方法可以有效减小谱对准造成的系统误差。使用GOSAT卫星实际观测光谱对反演算法进行验证,将反演结果与Park Falls地基站点高精度观测结果、GOSAT Level2反演产品进行对比,得到了一致的季节变化趋势。在CO2廓线真值难以获得的情况下,使用模拟反演证明了最大后验概率约束在CO2廓线反演中的可行性。分别使用近红外、热红外波段进行CO2廓线反演,证明了不同波段的敏感性差异。将双波段联合反演与单波段反演进行比较,反演结果表明同时使用近红外和热红外波段对CO2廓线进行约束可以更好的重构大气C02垂直分布。最后,将反演算法应用于高分辨率地基观测光谱,得到了与德国马普生物地球化学研究所提供的大气成分输运模式一致的C02柱浓度结果,证明了反演方法对地基高分辨率观测光谱的适用性,同时展示了其在天基反演结果验证中的潜力。

论文目录

  • 摘要
  • ABSTRACT
  • 第1章 引言
  • 1.1 研究的背景和意义
  • 1.2 国内外研究进展及技术手段
  • 1.3 大气温室气体探测与反演的基本原理
  • 1.4 论文研究内容
  • 1.5 论文基本结构
  • 1.6 本章小结
  • 第2章 大气辐射传输基本原理
  • 2.1 地球大气中的辐射能量
  • 2.2 辐射能在介质中的传输
  • 2.3 大气分子吸收的计算
  • 2.3.1 气体分子线吸收的基本形状
  • 2.3.2 气体分子线吸收的计算方法
  • 2.4 大气中粒子的光散射
  • 2.4.1 散射相矩阵
  • 2.4.2 米（Mie）散射
  • 2.4.3 瑞利（Rayleigh）散射
  • 2.5 大气辐射传输方程及其数值解法
  • 2.6 本章小结
  • 2遥感中的关键因素分析'>第3章 大气CO2遥感中的关键因素分析
  • 3.1 关键参数分析中辐射传输工具的比较与选择
  • 2辐射传输特性分析与最佳波段选择'>3.2 大气CO2辐射传输特性分析与最佳波段选择
  • 3.3 不同光谱分辨率对观测光谱的影响分析
  • 3.3.1 遥感器对光谱数据的影响研究
  • 3.3.2 不同分辨率条件下的敏感性差异分析
  • 3.4 不同波段的高度敏感性与适用性研究
  • 3.5 本章小结
  • 2反演方法设计'>第4章 大气CO2反演方法设计
  • 4.1 基于查找表的快速正演方法设计
  • 4.2 基于差分吸收的柱浓度反演方法设计
  • 2廓线反演方法设计'>4.3 基于最大后验概率约束的大气CO2廓线反演方法设计
  • 4.4 反演中谱对准偏差的校正
  • 4.5 辐射定标误差的影响
  • 4.6 本章小结
  • 2反演方法验证'>第5章 大气CO2反演方法验证
  • 5.1 反演中大气参量初始值的设置
  • 5.2 GOSAT卫星数据的获取
  • 5.3 对GOSAT卫星观测数据的反演验证
  • 5.4 基于地基FTS高分辨光谱的验证
  • 5.5 本章小结
  • 第6章 总结与展望
  • 6.1 本文工作总结
  • 6.2 论文创新点
  • 6.3 论文的不足和下一步工作展望
  • 致谢
  • 在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果
  • 参考文献

    • 相关论文文献

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