Atmospheric CO2 retrieval with a look-up-table based method by combining near and thermal infrared spectra

In order to precisely retrieve the atmospheric CO2 , a retrieval method based on both near infrared （NIR） and thermal infrared （TIR） is established firstly. Then a look-up-table （LUT） based fast line-by-line radiative transfer model （RTM） was integrated into the retrieval procedure to accelerate radiative transfer calculations. The LUT stores gas absorption cross-sections as a function of temperature, pressure and wavenumber. It could greatly reduce calculating time in radiative transfer compared to direct line-by-line method. Then retrieval was simulated using NIR, TIR and both bands. The retrieved CO2 profiles suggest joint approach could reconstruct CO2 profile better than those using NIR or TIR alone. Joint retrieval using both bands simultaneously could provide better constrain to CO2 vertical distribution in the whole troposphere.     

在轨超高分辨率傅里叶光谱仪仪器线型函数更新方法研究

仪器线型函数是傅里叶光谱仪重要的物理表征参数之一,影响仪器测量光谱的精度.随着空间测量和大气探测等遥感应用在高精度上的需求,如何实时在轨测量并更新星载光谱仪的仪器线型函数,成为当前提高在轨超高分辨率光谱仪测量精度的重要手段.以傅里叶型光谱仪为例,根据仪器线型函数的原理,利用在轨超高分辨率光谱仪实测太阳光谱定标数据不受大气气溶胶影响且具有独立太阳弗朗和费线的特征,来对在轨超高分辨率光谱仪的仪器线型函数进行监督和更新.实验以Kurucz太阳光谱模型作为参考光谱,在对应波段范围内分别选取多条实测太阳定标光谱和参考光谱的特征峰,通过调整光谱仪的狭缝模型,对特征峰残差进行迭代对比,演算出仪器ILS参数变化.最后,用更新的仪器线型函数与临边理论光谱卷积,与实测临边定标光谱比较验证,误差范围在-6%~8%.结果表明,该方法可为在轨超高分辨率光谱仪仪器线型函数的监督更新提供参考依据.     

高分五号卫星GMI 大气CO2 反演方法

二氧化碳 (CO2) 是大气中重要的温室气体, 准确掌握大气 CO2 的含量及变化可为气候变化预测及环境决策 提供支持。为满足气候研究的需求, 卫星观测大气 CO2 柱平均干空气混合比 (XCO2) 的反演精度需优于 1%。搭载于 高分五号卫星上的大气主要温室气体监测仪 GMI (Greenhouse gases monitoring instrument) 采用新型的空间外差光谱 技术, 具有超高光谱分辨率。由于超分辨率卫星观测光谱面临着大气、地表和仪器的综合影响, 故根据 GMI 仪器特征 设计了针对性的反演方法, 通过光谱信息含量的分析, 构建出用于大气 CO2 反演的信息谱以及用于背景扣除的参考 谱, 以此重建观测数据和模拟数据, 并采用最优化估计法反演大气 XCO2。该方法具备缓变背景扣除功能, 可解决空间 外差干涉型光谱的大气 CO2 反演问题。利用该反演方法对 2018 年 8 月至 2019 年 3 月的 GMI 观测数据开展反演, 并 采用碳总量观测网 12 个站点的地面大气 CO2 测量结果进行验证。验证结果表明该反演方法可稳定实现 GMI 卫星观 测数据的反演, 且 GMI 大气 XCO2 反演精度为 0.67%, 优于 1% 的应用需求。     

大气二氧化碳贝叶斯反演中误差矩阵的构建方法研究

针对GOSAT（Greenhouse gases Observing Satellite）近红外波段数据进行的大气二氧化碳含量反演,提出了贝叶斯理论中误差矩阵的构建方法并进行了分析验证。首先模拟不同的初始估计值、不同的先验信息误差矩阵Sa和测量误差矩阵S构建结果对CO2反演的影响,然后据此挑选出Sa和S的优劣两种构建结果组合分别对2009 年塔克拉玛干沙漠地区的部分GOSAT 观测数据进行反演验证。研究结果表明先验信息方差越大或测量误差越小,反演结果趋于一致,反之结果则较为离散,表现出明显的规律性。实际大气遥感研究中准确的误差矩阵难以获取,此研究有助于进一步选取准确值并提高反演精度。     

二氧化碳浓度高精度反演的敏感性研究

超光谱技术是高精度反演大气二氧化碳浓度的基础,针对超光谱技术的特点和大气二氧化碳浓度反演精度的要求,在探索大气二氧化碳的吸收特性后,选择了一个适合二氧化碳浓度探测的波段进行研究。根据反演原理和目前所使用的反演方法,利用前向模型LBLRTM着重分析如下四个敏感因素对反演精度的影响：光谱分辨率、海拔高度、二氧化碳初始浓度和地表反照率。研究结果表明,在大气二氧化碳浓度的反演过程中这些因素对精度的提高存在一定的影响。     

基于主成分分析的CO2统计反演方法

二氧化碳（CO2）卫星遥感中,大气环境因素是影响反演精度的重要原因,目前反演条件通常限制在气溶胶光学厚度小于0.3的情况。我国大气气溶胶高值情况较为普遍,对大气条件的较高要求将严重影响我国CO2卫星遥感数据的应用能力。针对这种情况,利用基于主成分分析法对中国京津地区高气溶胶光学厚度的大气CO2反演,得到的CO2柱浓度与2013年、2014年GOSAT-Level2产品进行对比分析,均方根误差分别为0.65%和0.46%,相关性分别为0.77和0.93。     

基于GMI数据的植被荧光反演研究

太阳诱导叶绿素荧光直接指示植被生理状态,而植被作为重要的碳汇,若能利用温室气体卫星遥感数据反演出植被叶绿素荧光,则对于分析大气温室气体源、汇具有重要意义。利用氧气吸收线拟合法,基于GF-5卫星“大气主要温室气体监测仪(GMI)”及美国OCO-2遥感数据,针对亚马逊森林、撒哈拉沙漠和非洲草原地区2019年1月和7月GMI卫星遥感数据开展了叶绿素荧光反演研究,并将结果与OCO-2数据荧光产品进行对比分析。反演结果表明：以OCO-2荧光产品为基准,在三个研究区域的两个研究时段内,GMI数据能够较好地反演叶绿素荧光强度。     

不同大气条件下红外成像效果模拟

红外成像仿真技术是解决实际应用中对红外图像数据源需求的重要途径。大气传输是红外成像的必经环节,对红外图像质量有着重要影响,大气传输效应模拟能提高成像的真实感。同一场景在不同大气条件下红外成像的模拟能为特定的图像分析提供数据。在大气传输理论的基础上,研究了红外成像大气作用效果的模拟方法,通过飞艇平台获得的红外图像作为数据,利用大气辐射传输模型进行大气修正得到地面辐亮度基准图像,在此基础上进行了不同大气模式、温度和水汽含量下的红外图像仿真实验,并对实验结果进行了评价,取得了较为理想的仿真效果,为大气效应模拟提供了一种有效的方法。     

Spatial heterodyne spectroscopy for space-based measurements of atmospheric CO2

To reduce the error from measurement and retrieval process,a new technology of spatial heterodyne spectroscopy is proposed.The principle of this technology and the instrument spatial heterodyne spectrometer(SHS)are introduced.The first application of this technology will be for CO_2 measurements from space on a high spectral observation satellite.The outstanding measurement principle and the priority of combination of retrieval algorithm and three channels(O_2 A-band,CO_2 1.58μm and 2.06μm bands)are theoretically analyzed and numerically simulated.Experiments using SHS prototype with low spectral resolution of 0.4 cm~(-1) are carried out for preliminary validation.The measurements show clear CO_2 absorption lines and follow the expected signature with theory spectrum,and the retrievals agreed well with GOSAT CO_2 products,except a small bias of about 4×10~(-6).The results show that the ability of spatial heterodyne spectroscopy for CO_2 detecting is obvious,and SHS is a competent sensor.     

温室气体监测仪星上光谱定标及不确定度分析

大气主要温室气体监测仪(greenhouse gases monitoring instrument, GMI)采用空间外差干涉技术,能有效探测759~2058 nm波段大气高分辨率吸收光谱信息。星上定标是GMI光谱图像数据定量化应用的基础,在阐述了GMI成像和光谱定标原理的基础上,探讨了星上光谱定标方法,确定了外部光源特征谱线法的星上光谱定标方案。通过对模拟数据的计算,进一步分析了定标不确定度,得出星上光谱定标不确定度为0.030 nm。定标结果显示定标不确定度主要受定标光源不确定度,以及回归不确定度影响,该方法满足仪器的定标要求,为大气主要温室气体的定量化反演提供了依据。