大氣CO2輻射傳輸特性與反演方法研究.pdf

1、大氣CO2作為重要的溫室氣體，其空間分布和源匯變化對氣候預測和人類生產生活有著重要的影響。然而，由于大氣CO2含量少且時空變化幅度較小，對其進行監(jiān)測非常困難。相比于地基網絡，天基觀測平臺可以具有更大的空間覆蓋范圍，能夠實現(xiàn)對全球碳循環(huán)的監(jiān)測。我國作為碳排放大國，目前在天基大氣CO2遙感方法上的研究仍處于起步階段，研究天基大氣CO2遙感中的輻射傳輸特性及反演方法，對經濟發(fā)展和環(huán)境外交具有重要的意義。本文首先就大氣CO2輻射傳輸特性進行分析

2、，在此基礎上開展反演方法的研究，最后通過衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)對反演實踐進行檢驗。
　　 在大氣輻射傳輸過程中，大氣分子和其它粒子會使輻射能量發(fā)生改變，準確表征這種變化是進行大氣遙感的基礎。本文從輻射傳輸基本原理出發(fā)，結合輻射傳輸計算工具對不同波段影響因素進行模擬。通過對比，證明近紅外1.6um弱吸收帶受其它氣體影響最少，且不易飽和，相比于其它波段更適合天基CO2遙感探測。在此基礎上，結合實際儀器模型，探討觀測光譜分辨率退化的原因，對選定

3、波段內不同分辨率觀測光譜進行了敏感性分析。分別計算了近紅外和熱紅外波段的CO2權重函數(shù)垂直分布，通過對比揭示了近紅外和熱紅外波段在不同高度上的敏感性差異。
　　 在輻射傳輸特性研究的基礎上，結合前人研究成果開展了反演方法的研究，特別是在算法速度和精度改進方面進行了新的探索。針對正演模型中高分辨率光譜逐線積分運算復雜、耗時的特點，設計實現(xiàn)了以波數(shù)、溫度、壓力為變量的吸收截面三維查找表。吸收截面查找表顯著加速了氣體吸收計算，并使得權

4、函數(shù)計算、正演模型與反演算法的集成成為可能。在方法設計上，首先探討了使用差分吸收原理的大氣CO2柱濃度反演算法，并證明該算法對隨機噪聲不敏感;通過在CO2廓線反演中引入最大后驗概率約束，保證了反演值的合理性和正確性。此外，針對高分辨率光譜容易受到譜對準偏差影響的特點，設計實現(xiàn)了基于非線性優(yōu)化理論的譜對準偏差校正算法，該方法可以有效減小譜對準造成的系統(tǒng)誤差。
　　 使用GOSAT衛(wèi)星實際觀測光譜對反演算法進行驗證，將反演結果與Pa

5、rkFalls地基站點高精度觀測結果、GOSAT Level2反演產品進行對比，得到了一致的季節(jié)變化趨勢。在CO2廓線真值難以獲得的情況下，使用模擬反演證明了最大后驗概率約束在CO2廓線反演中的可行性。
　　 分別使用近紅外、熱紅外波段進行CO2廓線反演，證明了不同波段的敏感性差異。將雙波段聯(lián)合反演與單波段反演進行比較，反演結果表明同時使用近紅外和熱紅外波段對CO2廓線進行約束可以更好的重構大氣CO2垂直分布。
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