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EI CSTPCD 北大核心
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摘要:大气温室气体监测仪GMI(Greenhouse gases Monitor Instrument)是高分五号(GF-5)卫星载荷之一,主要用于全球温室气体含量监测和碳循环研究.高精度反演是卫星大气CO2遥感的基本需求.地表反射率影响卫星遥感辐射量及辐射传输过程中的地气耦合过程,严重制约着CO2的反演精度,针对GMI开发高精度的大气CO2反演算法,地表反射是一个需要重点考虑的因素.城市是CO2重要的发射源,且城市下垫面存在明显的二向反射特性,加上城市大气条件不良,复杂的地气耦合效应存在这都考验反演算法的准确性和鲁棒性.本文针对北京城市地区,利用2O11年-2016年共5年的MODIS(MODerate-resolution Imaging Spectroradiometer)地表二向反射分布函数BRDF(Bidirectional Reflectance Distribution Function)数据,构建了适合利用单次观测数据反演的BRDF模型,并提出一种同时反演地表BRDF参数和大气CO2含量的算法.结果 表明在550 nm波长处气溶胶光学厚度AOD(Aerosol Optical Depth)小于0.4时,大部分GMI模拟数据的反演误差控制在0.5%(~2 ppm)内.利用GOSAT (Greenhouse gases Observing SATellite)实测数据的反演结果与修正后的日本国立环境研究所NIES(National Institute for Environmental Studies)反演结果进行对比,其平均误差为1.25 ppm,相关性达到0.85.本算法满足GMI数据在北京城市区域高精度CO2反演的需求,并使得反演高值气溶胶区域数据成为可能,增加了GMI观测数据的利用率....
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EI CSTPCD 北大核心 SCI
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摘要: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,O2A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....
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EI CSTPCD 北大核心
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摘要:针对植物叶绿素荧光(fluorescence)对CO2反演精度影响重视不足的问题,调研了全球植被荧光分布,模拟分析了荧光对大气CO2柱平均干空气体积混合比(XCO2)的影响.模拟计算表明,当忽略荧光的影响时,在极端情况下XCO2的反演误差可达15×10-6;但是在全物理反演方法中同步反演0.755 μm处的荧光时,可把反演误差校正到0.5×10-6以内.用TCCON (The Total Carbon Column Observing Network)站点Park Falls附近的GOSAT (Greenhouse Gases Observing Satellite)夏季的数据进行反演,发现同步反演荧光可以把误差从6×10-6校正到2×10-6以内.上述实验结果表明,在高精度需求情况下,植物叶绿素荧光是一个不可忽略的因素....
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EI CSTPCD 北大核心
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摘要:为了研究气候变化,需要实现遥感卫星对二氧化碳(CO2)的高精度测量.气溶胶和透射率较高的薄卷云的散射是影响大气中CO2反演精度的主要环境因素.结合主成分分析(PCA)的统计方法和光程概率分布的密度函数(PPDF)方法,利用PCA方法得到大气CO2反演的先验值,避免了因偏差过大而导致的运算结果无法接近真值;基于3层PPDF模型,解决了薄卷云和气溶胶散射引起的光子路径变化而导致的吸收谱线变化的问题.结果表明,PCA方法和PPDF方法联合反演的反演精度得到明显提高;对2013年塔克拉玛干沙漠GOSAT数据的反演结果进行分析,采用单一的PPDF方法得到的反演结果的方差为3.5,两种方法相结合得到的反演结果的方差为1.4,优于日本国立环境研究所(NIES)提供的反演方差(1.6)....
[硕士论文] 段锋华
光学 中国科学技术大学 2018(学位年度)
摘要:二氧化碳(CO2)是大气中一种重要的温室气体,其温室效应导致的气候变暖,引发了频繁而剧烈的极端恶劣气候,因此,高精度探测CO2是当今国际社会普遍关注的热点问题。传统的CO2测量是地基观测方法缺乏进行全球大范围实时探测的能力。卫星观测可以覆盖全球,获得稳定连续、时空一致性较好的、全球和区域尺度的数据,具有较大的优势和发展前景。对全球大气CO2观测数据的精度只有达到1%或更高,才能较好地应用与全球气候研究,正因为如此,目前专门用于大气CO2探测的卫星提出的目标精度都高于1%。对于如此高精度的要求,国际上将CO2反演的大气条件限定在光学厚度小于0.3晴空天气,目前仍存在着一定的困难。在我国,大气较为混浊的情况较多,要使反演精度达到如此高精度,则面临着更大的困难。本文以我国高分5号卫星CO2反演需求为应用背景,对大气CO2卫星遥感基本原理进行分析,构建高值气溶胶条件下的大气CO2反演模型,在此基础上探索气溶胶高值条件下的大气CO2反演方法。
  大气CO2卫星遥感得到是经过大气和地面作用的太阳辐射量。CO2反演即是剥离接收信号中其它影响因素提取CO2浓度信息的过程。在气溶胶高值条件下,大气本身及其与地面耦合的复杂性,在辐射传输方程上表现为解的不唯一性,在反演上表现为结果不稳定或无法正常收敛现象,使卫星遥感CO2反演精度难以提高。针对CO2反演方法是在区间寻求最佳结果的基本技术特点,本文在方法建立上是利用主成分分析为后续反演提供初值。在主成分分析中,对环境参量与反演误差关系进行分析,对各种环境参量进行分类,使主成分分析结果相对准确。本文与主成分分析方法配合的CO2反演方法是光子概率密度函数PPDF方法,这是一种从统计角度考虑光子在传输中路径与被吸收可能性发生改变的方法,是从光子传输过程的路径长度研究光谱辐射传输与大气中CO2浓度关系的方法。针对反演方法应用于光学厚度较大情况,本文在基于O2 A波段的PPDF-D的基础上,拓展到结合CO2强吸收带2.0um开发出PPDF-S反演方法,后者利用0.76um和2.0um联合反演PPDF因子,以提高反演因子对环境的适应能力,最后实现利用CO2的1.58um吸收带反演CO2浓度的目的。
  本文为验证反演方法的可行性,首先在光学厚度较低时进行验证,此时选用塔克拉玛干沙漠2013年的数据进行验证,结果显示,在气溶胶光学厚度较小时,相对于GOSAT提供的反演结果,采用PPDF-D反演结果的偏差为0.5%左右,利用PCA和PPDF-D联合反演,得到反演结果偏差在0.38%左右;同时其反演方差明显低于仅用PPDF-D反演偏差。因此基于GOSAT-FTS的数据在光学厚度较小时算法的反演精度可以控制在1%以内;其次再验证光学厚度较大时,结果显示:在光学厚度较小时利用主成分分析和两通道光子概率密度函数相结合可以有效校正云和气溶胶的散射效应;在光学厚度较大时,其校正能力有所下降,但是增加2.0um通道形成的三通道光子概率密度可弥补目前两通道光子概率密度存在的不足;最后和地基站点TCCON数据进行比较,利用2016年1月-2016年4月的TCCON站点附近的GOSAT卫星数据进行反演,反演结果和TCCON进行比较,结果显示反演的最大误差不超过8ppm。初步实验结果表明,本文反演方法具有较高的精度。
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