卫星气溶胶反演

陈陈 良良 富富 空气质量参数的卫星遥感原理空气质量参数的卫星遥感原理 遥感科学国家重点实验室 中国科学院遥感与数字地球研究所 主页http http www rschina orgwww rschina org 电话 1350124702513501247025 2013年7月6日 北京大学 2013年定量遥感进展 2005 2006 2007 2008 2009 2010 The evolution of AOD observed from satellite during 2005 2010 from He kebin Trends of the AOD during 2000 2010 Lu et al ACP 2011 from He kebin 2005 2006 2007 2008 2009 2010 The evolution of NO2 columns observed from satellite 2005 2010 OMI from He kebin 热红外辐射 可见 近红外反射 微波散射 微波辐射 光学遥感 微波遥感 卫星遥感 遥感信息源特点 遥感信息源与大气吸收 提 纲 1 气溶胶 颗粒物 2 痕量气体 3 温室气体 美国航空航天局的全球气溶胶光学厚度美国航空航天局的全球气溶胶光学厚度产产品品 Sept 2000 MODIS AOD Provided by NASA 美国航空航天局的全球气溶胶光学厚度美国航空航天局的全球气溶胶光学厚度产产品品 MODIS CCD Swath 700km resolution 30m bands 4 2330km 1km 36 HjHj 1A B 1A B 环环境境卫卫星星 关键科学问题 气溶胶组成或模式 地表反射率噪声 依赖于 卫星载荷的观测通道设计 气溶胶 灰霾反演气溶胶 灰霾反演 0 1 svssv TOAsvsv ssv TT S 太阳分光光度计 气溶胶光学和微物理 特性 反演单次散射反照率 粒子谱分布 相函数 Dubovik et al 2000 问题 缺偏振探测 缺乏参数 偏振相函数 复 折射指数 地基观测提供气溶胶参数和模式 卫星不能直接反演气溶胶单次散射反照率 JAN FEB MAR APR MAY JUN JUL AUG SEP OCT NOV DEC 0 4 0 2 0 0 0 2 0 4 0 6 0 8 1 0 1 2 1 4 1 6 1 8 2 0 2 2 2 4 AOT 500nm Months 2005 2006 JANFEB MAR APR MAY JUNJUL AUG SEP OCT NOV DEC 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 1 0 1 1 1 2 1 3 1 4 1 5 1 6 1 7 1 8 Angstrom Exponent Months 2005 2006 2005年和2006年北京站点气溶胶光学厚度 左 与Angstrom 右 月平均值分布情况 20406080100120140 0 00 0 05 0 10 0 15 0 20 0 25 06 03 2006 08 30 06 AOT 0 427 Angstrom 0 98 Retrieved aerosol polarized phase function Scattering angle 03 03 2006 07 33 43 AOT 0 474 Angstrom 1 53 0 010 1110100 0 0 0 2 0 4 0 6 0 8 1 0 dV dlnr m 3 m2 Radius m 双峰型气溶胶粒子谱分布图 体积谱 不同Angstrom时的偏振相函数比较 利用地基偏振探测了2005 6年北京气溶胶模式 Huai H 遥感学报 2007 T Matrix 020406080100120140160180 10 1 10 0 10 1 Scattering Angle Degree P11 a b 1 3 a b 1 球 形 a b 3 020406080100120140160180 1 0 5 0 0 5 1 Scattering Angle Degree P12 P11 a b 1 3 a b 1 球 形 a b 3 细粒子细粒子 020406080100120140160180 10 2 10 1 10 0 10 1 10 2 10 3 Scattering Angle Degree P11 a b 1 2 a b 1 球 形 a b 2 020406080100120140160180 1 0 5 0 0 5 1 Scattering Angle Degree P12 P11 a b 1 2 a b 1 球 形 a b 2 粗粒子粗粒子 非球形颗粒物非球形颗粒物 非球形气溶胶粒子相函数与偏振相函数模拟结果 相函数相函数 相函数相函数 偏振相函数偏振相函数 偏振相函数偏振相函数 气溶胶卫星遥感监测 中分 辨率 PARASOL MODIS CCD 偏振卫星 700km 30m 4 幅宽 2330km 分辨率 1km 波段数 36 环境卫星 2400km 6 7km 9 地表反射贡献 卫星探测波段设置 静止卫星 从从 MODISMODIS数据中反演气溶胶光学厚度数据中反演气溶胶光学厚度 能见度 是550纳米波长能辨别清晰的水平距离 光学厚度 550纳米波长大气铅锤线上的大气消光的积分 波长与消光的关系 波长越长 大气散射越弱 NASA 10NASA 10 50km resolution AOD 50km resolution AOD Averaged AOD in 2009 012 0 0 0 5 1 0 1 5 2 0 y 0 964x 0 0538 R 2 0 7894 AOD retrieved from MODIS data ground based monitoring AOD MODIS中反演的AOD与地基CE318太阳分 光光度计观测结果对比 从从 MODISMODIS数据中反演气溶胶光学厚度数据中反演气溶胶光学厚度 灰霾气溶胶的组成 美国NASA的算法不处理 地表反射噪声的去除问题 高反射使MODIS的2 1 m波段观测失效 灰霾气溶胶光学厚度反演算法 Li Shenshen Chen Liangfu et al IEEE TGRS 2012 云 真彩图 灰霾当云一块剔除灰霾当云一块剔除 灰霾气溶胶颗粒物组成 2006年8月25日的地表BRDF数据 113 20 0 E 118 20 0 E 35 0 0 N 42 0 0 N 2008 12 不同天观测导致观测角度发生变化不同天观测导致观测角度发生变化 由地表粗糙度引起的BRDF问题 0 01 0 02 0 03 0 04 0 05 0 06 0 07 0 08 0 09 0 10 0 11 0 12 0 5 10 15 20 25 30 频次 地表 反 射率值 采用耦合地表BRDF数据的算法 来解 决地表反射噪声的去除问题 地表反射率噪声去除中不同角度来带的误差 Li Shenshen Chen Liangfu et al IEEE TGRS 2012 0 00 51 01 52 02 53 03 54 0 0 0 0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 3 0 3 5 4 0 y 0 6891x 0 368 R2 0 776 HOT from MODIS 550nm Ground observations 550nm 霾AOD算法验证 灰霾气溶胶光学厚度反演算法 Li Shenshen Chen Liangfu et al IEEE TGRS 2012 March 11 2008March 11 2008 July 24 2008July 24 2008 True color imageTrue color image MODIS aerosol productMODIS aerosol product Our 1km resultOur 1km result Haze distributionHaze distribution 霾气溶胶光学厚度反演霾气溶胶光学厚度反演 Li S Chen L et al IEEE TGRS 2012 气溶胶卫星遥感监测 PARASOL CCD 偏振卫星 700km 30m 4 幅宽 2330km 分辨率 1km 波段数 36 环境卫星 2400km 6 7km 9 地表反射贡献 卫星探测波段设置 静止卫星 HJ 1A B 环境小卫星 HJ 1 CCD数据反演技术 技术难点技术难点 地表反射噪声 没有短波短波红外波地表反射噪声 没有短波短波红外波 段 对地表的识别有限 使地表噪声段 对地表的识别有限 使地表噪声 的剔除比较难的剔除比较难 云检测问题云检测问题 HJ 1 A B星 2台CCD相机 700km幅宽 2天重复覆盖一次 30m空间分辨率 是否可用于颗粒污染源监测 HJ 1A CCD数据云数据云检测结检测结果果实实例例 HJ 1 A 云 真彩 CCD数据反演气溶胶数据反演气溶胶AOD 0 0 05 0 1 0 15 0 2 0 25 0 3 0 35 0 4 0 45 350 473 596 719 842 965 1088 1211 1334 1457 1580 1703 1826 1949 2072 2195 2318 2441 波长 nm 反射率 奥运场馆区草坪 波谱反射率曲线 0 0 02 0 04 0 06 0 08 0 1 0 12 0 14 0 16 0 18 0 2 350 469 588 707 826 945 1064 1183 1302 1421 1540 1659 1778 1897 2016 2135 2254 2373 2492 波长 nm 反射率 奥运场馆区水体 波谱反射率曲线 0 0 05 0 1 0 15 0 2 0 25 0 3 350 471 592 713 834 955 1076 1197 1318 1439 1560 1681 1802 1923 2044 2165 2286 2407 波长 nm 反射率 奥运场馆区水泥地 波谱反射率曲线 HJ 1 A 针对环境减灾小卫星星座 HJ 1 的CCD数据 研发了气溶 胶光学厚度反演算法 实现了高分辨率AOD反演 改进地表识别方法 2008年9月20日京津塘地区CCD气溶胶关学厚度监 测结果与MODIS结果的比对 采样后的HJ 1 CCD气溶胶 MODIS气溶胶产品 HJ 1 A 0 00 51 01 52 0 0 0 0 4 0 8 1 2 1 6 2 0 HJ 1 A B CCD AOT MODIS AOT CCD数据反演气溶胶数据反演气溶胶AOD 气溶胶卫星遥感监测 PARASOL 偏振卫星 700km 30m 4 幅宽 2330km 分辨率 1km 波段数 36 2400km 6 7km 9 地表反射贡献 卫星探测波段设置 静止卫星 多角度偏振反演气溶胶光学厚度 120130140150160170180 0 005 0 000 0 005 0 010 0 015 0 020 0 025 0 030 0 035 0 040 Normalized Polarized Radiance Scattering Angle degree Atmosphere Soil Vegetation PARASOL 2009年2月8日 大气 土壤和植被的偏 振信息归一化对比 2008年11月13日 0 00 40 81 21 62 02 4 0 0 0 3 0 6 0 9 1 2 1 5 1 8 2 1 2 4 卫星反演值 地基观测值 y 0 9817x 0 1159 R2 0 9533 n 33 误差线 FY2静止卫星反演AOD 风云二号风云二号0202批批 卫星扫描辐射计卫星扫描辐射计 通道扫描辐射计可见光通道通道扫描辐射计可见光通道 波长 波长 0 550 55 0 90 0 90 m m FY2 FY2静止卫星反演AOD 风云二号02批 卫星扫描辐射计 五通道扫描辐射计可见光通道 波长 m 0 55 0 90 FY2 发 利用FY2C数据反演的地面反射率 2008 05 利用FY2C数据反演的AOD 2008 05 关键技术难点关键技术难点 一个宽通道 信息量有限 很难获一个宽通道 信息量有限 很难获 得地表信息得地表信息 宽通道信息 对气溶胶散射信息是宽通道信息 对气溶胶散射信息是 一个综合一个综合 做法 假定一个月内地表反 射率不变 寻找一个月内大 气影响最小的一天或几天 反演地表反射率 北大李成才 2008年年5月月550nm平均气溶胶光学厚度的日平均气溶胶光学厚度的日变变化化 FY2静止卫星反演AOD FY2 北大李成才 FY2静止卫星反演AOD FY2 北大李成才 大气大气颗颗粒粒污污染物染物卫卫星遥感反演星遥感反演 Aqua 2330km 1km 气溶胶光学厚度 消光系数的 垂直积分 PM10 PM2 5 整 层 颗 粒 物 垂直分布 湿度影响 难点难点 准确描述气溶胶消光系数的垂直分布特征 准确描述气溶胶消光系数的垂直分布特征 难点难点 颗粒物消光系数吸湿增长规律 颗粒物消光系数吸湿增长规律 2007 8 17 00 00 2007 8 17 12 00 2007 8 18 00 00 2007 8 18 12 00 2007 8 19 00 00 2007 8 19 12 00 2007 8 20 00 00 2007 8 20 12 00 2007 8 21 00 00 0 5 1 0 1 5 2 0 Range km Time h 2007 08 17 2007 08 20 Lidar观测的大气混合层高度 气溶胶混合气溶胶混合层层高度高度 双波段激光雷达 颗颗粒物散射系数随相粒物散射系数随相对对湿度湿度变变化化 利用近地面空气相对湿度和观测到的水平利用近地面空气相对湿度和观测到的水平 消光系数进行分析 得到消光系数进行分析 得到PM10PM10和和PM2 5PM2 5质质 量消光系数随空气相对湿度增长的关系模量消光系数随空气相对湿度增长的关系模 型型 颗粒物散射系数随相对湿度变化的规律 PM10消光特性随 相对湿度的变化 PM2 5消光特性随 相对湿度的变化 能见度仪能见度仪 振荡天平振荡天平 颗颗粒物散射系数随相粒物散射系数随相对对湿度湿度变变化化 北京市颗粒物吸湿增长曲线北京市颗粒物吸湿增长曲线 珠三角粒子吸湿增长规律 MODIS AOD数据直接与PM的关系R2 0 43 经过对AOD进行垂直 订正 湿度订正后 获得近地面PM浓度R2 0 77 颗颗粒物消光系数粒物消光系数经经湿度湿度订订正技正技术术 北京市行政区图 PM2 5 质量浓度 北京市北京市PM质质量量浓浓度度监测结监测结果果 北京市北京市PM质质量量浓浓度度监测结监测结果果 Urban area LST K 区域尺度区域尺度PM浓浓度度监测监测要关注的要关注的问题问题 边界层高度 近地面空气相对湿度 Domain 1 Domain 2 模拟区与研究去 区域尺度的区域尺度的试验试验 Grid resolution 16km Time step 1h 10 00 12 00 am Averaged 400 900 1400 1900 2400 2900 15913172125293337414549535761656973778185899397101 105 高度 m 样本数 Lidar观测混合层高度和RAMS模拟的PBL对比 Lidar PBL RAMS PBL JulyJuly AugustAugust SeptemberSeptember PBL Simulated using RAMS 格网分辨率格网分辨率 16km 时间时间尺度尺度 1h 10 00 12 00 am 平均平均 RAMS simulated RH JulyJuly AugustAugust SeptemberSeptember 0 20 40 60 80 100 11223344556677889100 111 122 133 144 155 166 177 188 199 210 221 232 243 相对湿度 样本数 地基观测与RAMS模拟的相对湿度对比 地基观测RH RAMS模拟RH PM2 5PM2 5 Tao J Zhang M Chen L SCIENCE CHINA Series D in press PM10 PM2 5 浓度空间分布 PM10PM10 近地面PM2 5质量浓度对比 0 50 100 150 200 250 300 350 400 1357911131517192123252729313335373941434547 近地面PM2 5质量浓度 ug m3 地面监测PM25 PM25 rams反演结果 PM25 lidar反演结果 近地面PM10质量浓度对比 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 13579 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 47 49 51 53 55 57 59 61 63 65 67 69 71 73 75 77 79 81 83 近地面PM10质量浓度 ug m3 地面监测PM10 pm10 rams反演结果 pm10 lidar反演结果 用地面观测数据验证 RAMS模拟的珠三角地区年 平均大气边界层高度分布 RAMS模拟的珠三角地区 年平均相对湿度分布 卫星遥感估算的珠三角地区2008年7 月平均AOT分布 珠三角地区珠三角地区颗颗粒物粒物质质量量浓浓度度监测试验监测试验 RAMS模拟的珠三角地区 年平均相对湿度分布 050100150200250 0 20 40 60 80 100 120 140 160 Y 0 362X 49 554 R2 0 3182 estimated PM10 g m 3 measured PM10 g m3 珠三角地区地面监测站点的分布 020406080 10 20 30 40 50 60 70 80 Y 0 501X 22 433 R2 0 521 estimated PM2 5 g m 3 measured PM2 5 g m3 PM10 PM2 5 珠三角地区珠三角地区颗颗粒物粒物质质量量浓浓度度监测试验监测试验 PRD地区地区PM2 5年平均年平均值值 2000 2010 香港天文台站点卫星遥感产 品 TERRA 与PM10的对比 香港天文台站点卫星遥感 产品 AQUA 与PM10的对比 广州南沙站点卫星遥感产品 AQUA 与PM10的对比 广州南沙站点卫星遥感产品 TERRA 与PM10的对比 颗颗粒物干粒物干质质量量浓浓度度卫卫星星验证结验证结果果 北大李成才北大李成才 250300350400450600650700 0 100 200 detection limits 200 ppt L 1km 1 ppt L 16km 2 ppt L 12km 20 ppt L 12km 500 ppt L 5km 5 ppt L 5km 100 ppt L 5km 200 ppt L 5km 1 ppb L 5km Phenol Wavelength nm 0 40 80 20 ppt L 1km 50 ppt L 1km 250 ppt L 1km para Cresol 0 5 10 Toluene 0 10 20 Benzene 0 100 200 IO 0 50 BrO 0 20 ClO 0 1 HCHO 0 100 NO3 0 4 HONO 0 2 NO2 0 4 8 SO2 0 4 250300350400450600650 50 ppt L 5km s 10 19 cm2 O3 大气成分卫星遥感 Aqua GOME 2 美国卫星 对流层SO2 NO2 CO CH4和O3 OMI METOP SCIAMACHY 270 380 nm 350 500 nm 2600 km AIRS 2378 bands 1650km幅宽 13km分辨率 240 nm to 1700 nm 2000 nm and 2400 nm 1000km 80 40km2 1920 km 大气水汽与温度廓线 分布状况 影响CO CH4等的反演 紫外 可见光 红外波段 污染气体卫星观测问题 300400500600700800 波长 nm 0 0 0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 GOME测得的太阳谱测得的太阳谱 5800K的普朗克函数的普朗克函数 光谱辐照度光谱辐照度 W m 2 nm 关键技术问题关键技术问题 地表反射和气溶胶散射影响地表反射和气溶胶散射影响 RingRing效应的剔除效应的剔除 不同气体斜柱密度的分离算法不同气体斜柱密度的分离算法 垂直柱密度获取垂直柱密度获取 大气质量因子 大气质量因子 平流层浓度的剔除平流层浓度的剔除 425430435440445450 5 00E 022 0 00E 000 5 00E 022 1 00E 021 1 50E 021 2 00E 021 wavelength nm cross sections cm 1 molecule cm2 NO2 cross sections Polynomial fit NO2 cross sections minus polynomial fit 卫星观测几何示意图 300400500600700800 波长 nm 0 0 0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 GOME测得的太阳谱测得的太阳谱 5800K的普朗克函数的普朗克函数 光谱辐照度光谱辐照度 W m 2 nm 关键技术问题关键技术问题 地表反射和气溶胶散射影响地表反射和气溶胶散射影响 RingRing效应的剔除效应的剔除 不同气体斜柱密度的分离算法不同气体斜柱密度的分离算法 垂直柱密度获取垂直柱密度获取 大气质量因子 大气质量因子 平流层浓度的剔除平流层浓度的剔除 卫星观测几何示意图 436437438439440441442443444 0 0 5 1 1 5 2x 10 29 nm cm2 a N2 N2分子 污染气体卫星观测问题 436437438439440441442443444 0 1 2 3 4 5 6x 10 29 nm cm2 b O2 O2分子 250K 440nm的N2 O2分子的旋转拉曼散射截面 420425430435440445450455460 0 01 0 005 0 0 005 0 01 0 015 nm A B 旋转拉曼散射截面和太阳光谱的卷积 差分得到Ring光谱截面 和Vountas用辐射传输模式结果比较很接近 旋转拉曼散射截面经卷积 差分得到Ring光谱截面 350400450500 0 1 2 3 4 5 6x 10 14 ph s nm cm2 nm OMI探测的太阳光谱 相关系数R2 0 96 A Vountas B 本算法 Ring效应快速计算方法 436437438439440441442443444 0 0 5 1 1 5 2x 10 29 nm cm2 a N2 N2分子 420430440450460470480 2 3 4 5 6 7 8 9x 10 13 nm photons cm2 A B C 410420430440450460470480 0 1 2 3 4 5 6 7 8x 10 29 nm cm2 410420430440450460470480 0 0 5 1 1 5 2 2 5x 10 29 nm cm2 转动拉曼 散射截面 随波长变 化情况 采样间隔 2nm 拉曼散射截面随波长变化 通过对不同固定波长 波长变化的拉曼散射截面与太阳光谱卷积 得到的Ring效应对比表明 利用固定波长 无需考虑波长变化 计算量减为原来的0 128 N2分子 O2分子 不同波长大气转动拉曼散射截面卷积的Ring光谱 A 波长变化 从410nm变化到488nm B 固定波长 488nm C 固定波长 410nm 420425430435440445450455460 0 01 0 005 0 0 005 0 01 0 015 nm A B C D 辐射传输模式差分Ring光谱 A 根据前者标准化后不同波长卷积差分Ring光谱 B 波长变化 C 固定波长 410nm D 固定波长 488nm 固定波长Ring 效应计算提高计算效率 关键技术问题关键技术问题 地表反射和气溶胶散射影响地表反射和气溶胶散射影响 RingRing效应的剔除效应的剔除 不同气体斜柱密度的分离算法不同气体斜柱密度的分离算法 垂直柱密度获取垂直柱密度获取 大气质量因子 大气质量因子 平流层浓度的剔除平流层浓度的剔除 卫星观测几何示意图 250300350400450600650700 0 100 200 detection limits 200 ppt L 1km 1 ppt L 16km 2 ppt L 12km 20 ppt L 12km 500 ppt L 5km 5 ppt L 5km 100 ppt L 5km 200 ppt L 5km 1 ppb L 5km Phenol Wavelength nm 0 40 80 20 ppt L 1km 50 ppt L 1km 250 ppt L 1km para Cresol 0 5 10 Toluene 0 10 20 Benzene 0 100 200 IO 0 50 BrO 0 20 ClO 0 1 HCHO 0 100 NO3 0 4 HONO 0 2 NO2 0 4 8 SO2 0 4250 300350400450600650 50 ppt L 5km s 10 19 cm2 O3 430435440445450455 0 30 0 35 0 40 0 45 0 50 0 55 0 60 OD Wavelength nm measured no2 SCD 8 28 1017 NO2 500520540560580 0 01 0 02 0 03 0 04 0 05 0 06 0 07 0 08 0 09 0 10 O D wavelength nm measured O3 scd 1 87 1019 O3 污染气体卫星观测问题 关键技术问题关键技术问题 地表反射和气溶胶散射影响地表反射和气溶胶散射影响 RingRing效应的剔除效应的剔除 不同气体斜柱密度的分离算法不同气体斜柱密度的分离算法 垂直柱密度获取垂直柱密度获取 大气质量因子 大气质量因子 平流层浓度的剔除平流层浓度的剔除 卫星观测几何示意图 0102030405060708090 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 Sun SZA AMF VSZA 0 VSZA 5 VSZA 10 VSZA 15 VSZA 20 VSZA 25 VSZA 35 VSZA 45 VSZA 55 VSZA 60 VSZA 65 污染气体卫星观测问题 关键技术问题关键技术问题 地表反射和气溶胶散射影响地表反射和气溶胶散射影响 RingRing效应的剔除效应的剔除 不同气体斜柱密度的分离算法不同气体斜柱密度的分离算法 垂直柱密度获取垂直柱密度获取 大气质量因子 大气质量因子 平流层浓度的剔除平流层浓度的剔除 卫星观测几何示意图 污染气体卫星观测问题 2010年1月 2010年2月 2010年3月 2010年4月 全国全国NO2对对流流层层柱柱浓浓度度 对对流流层层NO2浓浓度的比度的比对对 OMI的L2级产品 2008年12月15日NO2浓度比较 反演结果 全国全国SO2对对流流层层柱柱浓浓度度 2008年1月9日 16日SO2比对结果 63 OMI产品 OMI产品 反演结果 反演结果 2009年1月3日SO2比对结果 OMI产品 反演结果 研究低层大气研究低层大气CO2浓度的重要性浓度的重要性 3 4km以下 以下 CO2浓浓度倍增情景下的增温模度倍增情景下的增温模拟拟 数 值 模 拟 给 出 的 结 数 值 模 拟 给 出 的 结 果果 高 敏 感 性 如 何 确 定 大气大气CO2是最重要的温室气体 其是最重要的温室气体 其浓浓度增加是引起全球气温上升的主度增加是引起全球气温上升的主 要因素之一要因素之一 大气 大气CO2浓浓度及其分布 是目前全球气候度及其分布 是目前全球气候变变化化评评估中的一个重要不确估中的一个重要不确 定性因素定性因素 大气 大气CO2浓浓度与分布主要取决于度与分布主要取决于CO2的源 的源 汇过汇过程 源程 源汇过汇过程主要程主要发发生生 在低在低层层大气大气 350 355 360 365 370 375 380 385 390 5000 10000 15000 20000 模式高度 m CO2浓度 ppmv 00时 06时 12时 18时 北京 350 355 360 365 370 375 380 385 390 5000 10000 15000 20000 模式高度 m CO2浓度 ppmv 00时 06时 12时 18时 上海 WMO的温室气体的温室气体CO2全球全球监测监测点分布示意点分布示意图图 地面站点观测无法满足地面站点观测无法满足CO2浓度空间异质性浓度空间异质性 地面站点地面站点监测监测CO2浓浓度的精度很高 度的精度很高 时间时间上上连续连续 但站点 但站点 稀疏 无法稀疏 无法获获得低得低层层大气大气CO2浓浓度的空度的空间间分布分布 地 面 观 测 地 面 观 测 我国CO2全球背景站和区域站分布示意图 67 两种卫星探测方法的原理和反演精度两种卫星探测方法的原理和反演精度 精度 精度 3个月平均 个月平均 4ppm GOSAT AIRS 3个月平均 个月平均 3 4ppm 热红热红外探外探测测 短波短波红红外探外探测测 68 卫星观测结果能否满足低层大气卫星观测结果能否满足低层大气CO2浓度监测 浓度监测 对对CO2 敏感性敏感性 的的权权重重 足迹状 足迹状 CO2浓浓度分布度分布 连续轨道连续轨道CO2浓度分布浓度分布 进一步的问题 进一步的问题 对不连续 足迹 对不连续 足迹 CO2柱浓度 连续轨道的柱浓度 连续轨道的CO2浓度廓浓度廓 线 低层信息弱 结果是否能反演低层大气的线 低层信息弱 结果是否能反演低层大气的CO2分布 分布 GOSAT AIRS 短波短波红红外探外探测测 热红热红外探外探测测 从从AIRS数据中反演数据中反演CH4 CO算法算法 Aqua CH4 CO AIRS 2378 bands 1650km幅宽 13km分辨率 热红外波段 3 15微米 波数 热红外遥感正向辐射传输问题 atm L 中红外波段 热红外波段 atm i L sensor i B dL atm iib cos sisssib E 0 sii TB atm i atm i L sensor i B dL atm iib cos 0 sii TB atm i 77 正向正向计计算模型算模型 LBLRTM 逐线积分辐射传输模型逐线积分辐射传输模型 Y Li Mi 最小 Li Mi 2378波段波段 对大气温度和湿度敏感对大气温度和湿度敏感 如何控制误差 如何控制误差 哪些波段用于反演 哪些波段用于反演 目前反演方法不稳定的原因在哪里 目前反演方法不稳定的原因在哪里 缺气体协方差矩阵缺气体协方差矩阵 Levenberg Marquardt方法的问题 X n 1 X a K n T R 1K n B 1 lH 2 1K n T R 1 Ym Y X n K n X n X a H为正对角阵 从从AIRS数据中反演数据中反演CH4 CO算法算法 AIRS通道对大气 地表参数的敏感性 122012401260128013001320134013601380 0 0 2 0 4 0 6 0 8 1 1 2 1 4 1 6 1 8 wave number cm 1 BT T 1K H2O 20 CH4 10 N2O 5 1 Channels 从从AIRS数据中反演数据中反演CH4 CO算法算法 122012401260128013001320134013601380 0 0 0 2 0 4 0 6 0 8 1 0 1 2 T 1K H2O 10 N2O 10 CH4 10 E 0 02 BT K wavenumber cm 1 122012401260128013001320134013601380 0 0 0 2 0 4 0 6 0 8 1 0 1 2 BT K wavenumber cm 1 从从AIRS数据中反演数据中反演CH4 CO算法算法 3 03 23 43 63 84 0 3 0 3 2 3 4 3 6 3 8 4 0 AIRS甲 烷产品 L M 反 演值 甲 烷柱总 量 1019分 子 每平方 厘米 R 0 9830 RMSRE 1 02 AIRS CH4结结果比果比对对 CH4反演结果 总量 300百帕 浓度 近地面 浓度 CH4与日本茨城与日本茨城县县FTS比比对对 2008 12 152009 3 152009 6 152009 9 152009 12 152010 3 15 10 4 10 3 10 2 X CH4 H2O date FTS AIRS L2 L M 0 000 0 001 0 002 0 003 0 004 0 005 0 0000 0010 0020 0030 0040 005 X CH4 H2O FTS X CH4 H2O AIRS L2 R 0 85848 RMSE 4 35856E 4 N 168 a 0 0000 0010 0020 0030 0040 005 0 000 0 001 0 002 0 003 0 004 0 005 b X CH4 H2O L M X CH4 H2O FTS R 0 85744 RMSE 3 50421E 4 OH CH X X OH CH X 2 4 2 4 从从AIRS数据中反演的不同季数据中反演的不同季节节的的CO CO与地基红外傅立叶FTS光谱仪观测比较 2008年6 8月期间 共获得24天晴天观测数据 太阳光 跟踪镜 子 FTIR CO与地基红外傅立叶FTS光谱仪观测比较 050100150200250 300 400 500 600 700 800 900 CO ppb P hPa 2008年 7月 22日 050100150200250 300 400 500 600 700 800 900 CO ppb P hPa 2008年 8月 19日 FTIR AIRS L2 EOF 051015 300 400 500 600 700 800 900 Bias Persentage P hPa EOF AIRS L2 由EOF反演的CO浓度廓线的均方根误差在4 51 9 98 其中最大误 差出现在371hPa附近 大约10 CH4与瓦里关本底站比与瓦里关本底站比对结对结果果 2003 82004 82005 82006 82007 82008 8 2009 08 1800 1810 1820 1830 1840 1850 1860 1870 1880 1890 CH4 ppb Mt WLG AIRS LM 18201830184018501860 1820 1830 1840 1850 1860 AIRS L2 CH4 ppb WLG CH4 ppb a R 0 454 bias 0 7 N 88 18001820184018601880 1800 1820 1840 1860 1880 LM CH4 ppb WLG CH4 ppb b R 0 781 bias 0 52 N 88 FebAprJunAugOctDec 1820 1830 1840 1850 1860 Mt WLG AIRS L2 LM CH4 ppb Month 1720 1730 1740 1750 1760 TM3 2003 8 2004 8 2005 8 2006 8 2007 8 2008 8 2009 8 1820 1830 1840 1850 1860 CH4 ppb Mt WLG AIRS LM SCIACMACHY 近红外卫星探测近红外卫星探测方法方法 CO2柱浓度柱浓度 Houweling et al 2005 科学科学问题问题 对对卷云与气溶胶敏感 气溶卷云与气溶胶敏感 气溶 胶多次散射效胶多次散射效应应如何引起如何引起CO2浓浓度度 误误差 差 TOMS气溶胶指数气溶胶指数 H2O O2和CO2的近红外波段的透过率 XCO2反演通道为 0 76 1 6 and 2 0 m WFM DOAS方法方法误误差分析差分析 90 我国高浓度气溶胶多次散射对我国高浓度气溶胶多次散射对CO2的高估问题 的高估问题 科学科学问题问题 针对针对我国气溶胶高我国气溶胶高值值区 气溶胶多次散射区 气溶胶多次散射对对CO2反演会反演会 带带来多大的来多大的误误差 如何改差 如何改进进 2010 11 5日摄于香山日摄于香山 91 TCCON Total Carbon Column Observing Network 站点分布图 比亚韦斯托克 加尔米施 达尔文 卧龙岗 拉蒙特 帕克福尔斯 筑波市 改改进进的的WFM DOAS结结果果验证验证