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气溶胶高值条件下二氧化碳反演方法研究
段锋华
出版年2018
学位类型硕士
学位授予单位中国科学技术大学
中文摘要二氧化碳(CO_2)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CO_2是当今国际社会普遍关注的热点问题。传统的CO_2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CO_2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CO_2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CO_2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CO_2反演需求为应用背景,对大气CO_2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CO_2反演模型,在此基础上探索气溶胶高值条件下的大气CO_2反演方法。大气CO_2卫星遥感得到是经过大气和地面作用的太阳辐射量。CO_2反演即是剥离接收信号中其它影响因素提取CO_2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CO_2反演精度难以提高。针对CO_2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CO_2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CO_2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O_2_A波段的PPDF-D的基础上,拓展到结合CO_2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CO_2的1.58um吸收带反演CO_2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。
中文关键词卫星遥感 ; CO_2反演 ; 光子路径 ; 主成分分析
语种中文
国家中国
中图法分类号X831
来源机构中国科学技术大学
资源类型学位论文
条目标识符http://119.78.100.177/qdio/handle/2XILL650/355216
作者单位中国科学技术大学
推荐引用方式
GB/T 7714		 段锋华. 气溶胶高值条件下二氧化碳反演方法研究[D]. 中国科学技术大学,2018.
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