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星载近红外高光谱CO2遥感进展

毕研盟 王倩 杨忠东 谷松岩 吴荣华 刘成保

毕研盟, 王倩, 杨忠东, 谷松岩, 吴荣华, 刘成保. 星载近红外高光谱CO2遥感进展[J]. 中国光学, 2015, 8(5): 725-735. doi: 10.3788/CO.20150805.0725
引用本文: 毕研盟, 王倩, 杨忠东, 谷松岩, 吴荣华, 刘成保. 星载近红外高光谱CO2遥感进展[J]. 中国光学, 2015, 8(5): 725-735. doi: 10.3788/CO.20150805.0725
BI Yan-meng, WANG Qian, YANG Zhong-dong, GU Song-yan, WU Rong-hua, LIU Cheng-bao. Advances on space-based hyper spectral remote sensing for atmospheric CO2 in near infrared band[J]. Chinese Optics, 2015, 8(5): 725-735. doi: 10.3788/CO.20150805.0725
Citation: BI Yan-meng, WANG Qian, YANG Zhong-dong, GU Song-yan, WU Rong-hua, LIU Cheng-bao. Advances on space-based hyper spectral remote sensing for atmospheric CO2 in near infrared band[J]. Chinese Optics, 2015, 8(5): 725-735. doi: 10.3788/CO.20150805.0725

星载近红外高光谱CO2遥感进展

doi: 10.3788/CO.20150805.0725
基金项目: 国家高技术研究发展计划(863计划)资助项目(No.2011AA12A104)
详细信息
    通讯作者: 毕研盟(1979—),男,博士,副研究员,主要从事卫星遥感温室气体方面的研究。E-mail:biym@cma.gov.cn王 倩(1989—),女,新疆五家渠人,硕士,研究实习员,2011年于兰州大学获得学士学位,2014年于中国气象科学研究院获得硕士学位,主要从事大气成分遥感方面的研究。E-mail:qwang@cma.gov.cn杨忠东(1964—),男,新疆乌鲁木齐人,博士,研究员,主要从事地面应用系统工程设计、建设和遥感科学研究应用方面的研究。E-mail:yangzd@cma.gov.cn谷松岩(1962—),女,辽宁鞍山人,博士,研究员,主要从事微博遥感应用方面的研究。E-mail:gusy@cma.gov.cn吴荣华(1984—),男,吉林人,博士研究生,工程师,主要从事大气遥感定标方面的研究。E-mail:wurh@cma.gov.cn刘成保(1985—),男,山东淄博人,博士,助理研究员,2013年于中国科学院大学获得博士学位,主要从事风云极轨气象卫星遥感图像地理定位方面的研究。E-mail:liucb@cma.gov.cn
  • 中图分类号: P412.27

Advances on space-based hyper spectral remote sensing for atmospheric CO2 in near infrared band

  • 摘要: 在应用需求的拉动和高光谱技术发展的驱动下,利用被动式星载近红外高分辨率光谱仪探测大气CO2分子柱含量已成为一个相当活跃的研究领域。本文介绍了卫星遥感CO2在科学和社会发展方面的基本需求,分析了被动遥感CO2的优势和不足;对国际上最新的以美国OCO-2(2014年7月发射)和日本GOSAT(2009年1月发射)为代表的专项CO2遥感任务进行了综述,包括仪器指标、观测模式和定标模式等方面;着重对OCO-2定标精度需求和多种在轨定标方式进行了阐述;从应用和数据处理角度,简要比较了光栅和傅里叶干涉探测技术探测CO2的主要特点;最后对定量反演原理进行了概述,并对这一领域的未来发展进行了展望。
  • 图  1  2015年1月1日,OCO-2每轨科学观测和探元合并时定标观测统计,横坐标代表每一种模式的时序号,纵坐标代表观测模式简写: GL:海洋耀斑;SB: 待机;DS:暗电流定标;LS:灯定标;SS:太阳定标;BS:临边定标

    Figure  1.  Series of OCO-2 science observation and calibration modes each orbit in Jan.1,2015. The horizontal axis shows the series numbers for every modes. The vertical axis represents the observation and calibration modes. GL:; SB:standby; DS:dark current scaling; LS:light scaling; SS:solar scaling; BS:border scaling

    图  2  反演算法流程图

    Figure  2.  Flow diagram for retrieval algorithm

    表  1  OCO-2卫星和光栅光谱仪主要指标

    Table  1.   Principal specifications of OCO-2 and grating spectrometer

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    表  2  OCO-2在轨定标观测描述

    Table  2.   Description of on-orbit calibration measurements of OCO-2

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    表  3  GOSAT卫星及载荷TANSO-FTS主要技术指标

    Table  3.   GOSAT and TANSO-FTS specifications

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    表  4  GOSAT载荷TANSO-CAI主要技术指标

    Table  4.   GOSAT TANSO-CAI specifications

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  • [1]

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出版历程
  • 收稿日期:  2015-03-11
  • 录用日期:  2015-05-13
  • 刊出日期:  2015-01-25

星载近红外高光谱CO2遥感进展

doi: 10.3788/CO.20150805.0725
    基金项目:  国家高技术研究发展计划(863计划)资助项目(No.2011AA12A104)
    通讯作者: 毕研盟(1979—),男,博士,副研究员,主要从事卫星遥感温室气体方面的研究。E-mail:biym@cma.gov.cn王 倩(1989—),女,新疆五家渠人,硕士,研究实习员,2011年于兰州大学获得学士学位,2014年于中国气象科学研究院获得硕士学位,主要从事大气成分遥感方面的研究。E-mail:qwang@cma.gov.cn杨忠东(1964—),男,新疆乌鲁木齐人,博士,研究员,主要从事地面应用系统工程设计、建设和遥感科学研究应用方面的研究。E-mail:yangzd@cma.gov.cn谷松岩(1962—),女,辽宁鞍山人,博士,研究员,主要从事微博遥感应用方面的研究。E-mail:gusy@cma.gov.cn吴荣华(1984—),男,吉林人,博士研究生,工程师,主要从事大气遥感定标方面的研究。E-mail:wurh@cma.gov.cn刘成保(1985—),男,山东淄博人,博士,助理研究员,2013年于中国科学院大学获得博士学位,主要从事风云极轨气象卫星遥感图像地理定位方面的研究。E-mail:liucb@cma.gov.cn
  • 中图分类号: P412.27

摘要: 在应用需求的拉动和高光谱技术发展的驱动下,利用被动式星载近红外高分辨率光谱仪探测大气CO2分子柱含量已成为一个相当活跃的研究领域。本文介绍了卫星遥感CO2在科学和社会发展方面的基本需求,分析了被动遥感CO2的优势和不足;对国际上最新的以美国OCO-2(2014年7月发射)和日本GOSAT(2009年1月发射)为代表的专项CO2遥感任务进行了综述,包括仪器指标、观测模式和定标模式等方面;着重对OCO-2定标精度需求和多种在轨定标方式进行了阐述;从应用和数据处理角度,简要比较了光栅和傅里叶干涉探测技术探测CO2的主要特点;最后对定量反演原理进行了概述,并对这一领域的未来发展进行了展望。

English Abstract

毕研盟, 王倩, 杨忠东, 谷松岩, 吴荣华, 刘成保. 星载近红外高光谱CO2遥感进展[J]. 中国光学, 2015, 8(5): 725-735. doi: 10.3788/CO.20150805.0725
引用本文: 毕研盟, 王倩, 杨忠东, 谷松岩, 吴荣华, 刘成保. 星载近红外高光谱CO2遥感进展[J]. 中国光学, 2015, 8(5): 725-735. doi: 10.3788/CO.20150805.0725
BI Yan-meng, WANG Qian, YANG Zhong-dong, GU Song-yan, WU Rong-hua, LIU Cheng-bao. Advances on space-based hyper spectral remote sensing for atmospheric CO2 in near infrared band[J]. Chinese Optics, 2015, 8(5): 725-735. doi: 10.3788/CO.20150805.0725
Citation: BI Yan-meng, WANG Qian, YANG Zhong-dong, GU Song-yan, WU Rong-hua, LIU Cheng-bao. Advances on space-based hyper spectral remote sensing for atmospheric CO2 in near infrared band[J]. Chinese Optics, 2015, 8(5): 725-735. doi: 10.3788/CO.20150805.0725
    • 二氧化碳(CO2)是地球大气中最重要的温室气体成分之一,在全球气候变化当中扮演重要的角色。目前,CO2主要排放源为人类工业生产活动,作为汇的地球海洋、陆地植被约吸收了人类排放量的一半左右,这些汇限制了CO2在大气中的持续累积速率。观测表明,CO2浓度已经从20世纪50年代约310 ppm升到目前约400 ppm,平均年增长率约2 ppm[1]。但是,人们对于自然源汇分布的了解仍然不够精确,尤其是对这些过程需要多长时间来吸收人类排放的CO2仍然不清楚。研究表明,大气CO2每年的增长率约在10~70亿吨变化,如此大的变化幅度与人类工业稳定上升的排放增长率不相匹配,这些问题令人困惑[2]。IPCC评估报告指出[3],60%的温室气体辐射强迫由CO2引起,CO2浓度的这种快速增长引起了人们对于全球变暖、极端气候的担忧[4]。美、欧等发达国家提出利用市场机制,增加碳关税方式限制CO2排放,解决全球气候变化问题。因此,监测大气CO2浓度变化不仅是气候变化问题,也是社会发展问题。

      在全球范围内高精度地监测CO2浓度,获取可靠的观测数据,成为研究这一问题的首要方面。地面观测方式具有精度高、时间分辨率高、可靠性高的优点,但是受站点位置限制,空间分辨率不高,而且南北两极以及海洋、沙漠等地区缺少观测站点。TCCON(Total Carbon Column Observing Network)全球仅有约30个站点[6, 7],这一波段对大气中高层CO2敏感,难以探测到对流层乃至边界层CO2浓度变化,而且这一波段对大气温度的变化相当敏感,因此,热红外CO2遥感技术无法满足上述需求。目前,新一代被动式高光谱CO2遥感器,如美国OCO-2[8]和日本GOSAT搭载的TANSO[9],将探测波段设置在了CO2近红外吸收波段(1.61 μm带和2.06 μm带),并配合O2 A吸收带(0.76 μm),实现高精度的CO2探测。这一方法的显著优势是对低层CO2具有很高的敏感性,但是由于弱吸收带上的CO2信号很弱,而且这一波段易受气溶胶、云、地表等其他干扰因素影响,这对仪器本身研制和数据反演都是一个相当大的挑战。

    • IASI、AIRS和SCIAMACHY[10]等搭载于综合卫星平台上的仪器虽然具有遥感CO2功能,但不属于专门的CO2探测仪器,在此不做专门介绍。本文将侧重于专门的CO2遥感卫星和仪器,无论从定标观测还是科学观测方面,它们都进行了有针对性的设计,代表了这一领域最先进的思想和技术。2009年,日本GOSAT卫星发射成功并获取数据后,星载近红外高光谱CO2遥感领域进入一个快速发展阶段;2014年7月,OCO-2卫星的成功发射,表明这一领域已经成为一个相当活跃的领域;中国、德国等国的相关探测计划也在研究中。

    • 基于热红外波段遥感大气CO2的能量来源是地球大气自身热辐射,与此不同,近红外遥感大气CO2的能量来源是太阳辐射的近红外部分,这部分辐射穿过大气,到达地面后被地面反射回太空,在这一传输过程中,部分能量被CO2分子吸收,形成特有的CO2吸收谱线,这些谱线被卫星遥感器所接收并记录下来,根据谱线的深度和形态,结合高精度的反演方法,可以定量反演出大气CO2浓度,这就是近红外遥感大气CO2的基本原理。

      近红外遥感大气CO2面对的首要问题之一是谱段选择。在太阳辐射谱区,CO2有许多较弱的泛频带和组合带,一般选择1.61 μm作为主要的吸收带[2],主要原因是这一谱区属于CO2弱吸收带,对近地表CO2浓度敏感,吸收线不会随CO2浓度的增加而饱和;另外,没有其他气体的吸收干扰。但是,实际应用中还需要同时观测0.76 μm的O2 A带和2.06 μm的强CO2带,这两个吸收带都可以用来限制大气气溶胶影响,另外,O2 A带还可以提供地表气压的测量,用于计算柱平均CO2干空气混合比(the column-averaged CO2 dry air mole fraction,XCO2)。

      卫星遥感器需要将上述3个谱段的吸收谱线准确可靠的记录下来,用以反演CO2浓度。OCO最终采用了光栅衍射分光方案,GOSAT则采用了干涉分光技术方案。

    • The Orbiting Carbon Observatory(OCO)是美国NASA Jet Propulsion Laboratory(JPL)主导的一项重要计划,其科学任务是观测全球CO2分布,观测的精度、分辨率和覆盖范围可以描述区域尺度上的源、汇分布,并能定量描述季节变化。通过对CO2吸收带、O2 A吸收带的观测光谱进行高精度定量反演,OCO得到的关键产品是每月一次的区域尺度(>1 000 km)上的XCO2

      2009年2月,由于运载火箭有效载荷整流罩异常,OCO发射失败。2010年,NASA重启了OCO任务,即OCO-2[11]。2014年7月,OCO-2成功发射,OCO-2继承了OCO的任务和设计,但是对OCO试验测试中发现的一些问题进行了改进,主要包括狭缝安装误差,杂散光抑制等,并采用了新的探测器制冷技术。OCO-2卫星和遥感仪器的相关参数见表1

      表 1  OCO-2卫星和光栅光谱仪主要指标

      Table 1.  Principal specifications of OCO-2 and grating spectrometer

      OCO-2仅搭载了一个三波段光栅式高光谱CO2探测仪,在轨后处于EOS A-train序列第一位。加入A-train序列,便于OCO-2利用其他卫星获取的云、气溶胶信息。为达到设计的任务目标,OCO-2仪器具有高光谱分辨率、高信噪比、高空间分辨率的特点。作为探测的主力波段,弱CO2吸收带信号非常微弱,高光谱分辨率要确保分辨出带内CO2吸收特征;高信噪比要确保高精度的探测;高空间分辨率可降低受云影响的机率,并提高源、汇区探测能力。

      作为专门的CO2观测卫星,OCO-2有3种观测模式,当太阳天顶角<85°时,采用星下观测模式,这种模式有最高的空间分辨率,但是在海洋上空,信噪比低;为解决这一问题,当卫星在海洋上空时,观测利用的是太阳光被洋面镜面反射的信号,这种观测方式称之为耀斑模式;为观测全球CO2分布,以16天为周期,两种观测模式将互相转换。目标模式将用于跟踪地面的特殊目标(如地面FTS定标站点,源排放区),在约9 min的飞越目标区观测期间内,这一模式可提供超过12 000次观测。

      CO2浓度从观测的吸收线深度推算出来,因此高光谱探测仪的定标精度对于定量反演至关重要。OCO-2从3个不同层面对辐射定标精度进行了约束,分别是:(1)3个波段上的绝对辐射定标精度优于5%;(2)3个波段间的相对定标精度优于1%;(3)波段内通道间的相对定标精度优于0.1%[12]。在这3个指标当中,尤以第三个指标最为重要,这是因为整个波段内的所有通道的观测值同时进入最优估计反演模式,通道间定量观测的一致性会直接影响整个光谱的拟合程度。

      OCO-2设计有多种星上光谱定标、辐射定标方式(见表2)。光谱定标采用临边方式观测太阳光谱,太阳光经漫反射板反射后被光谱仪观测,观测角度稳定,且光谱数据受气压加宽较小,没有地表反射的影响,因此,适合于检验光谱仪的线型函数(Instrument Line Shape,ILS)的变化。辐射定标方面,OCO-2设计有专门的定标灯用作辐射定标,除此之外,星上辐射定标还包括了月亮定标、太阳定标、暗电流定标。另外,在轨运行后可采用替代定标方法进行辐射定标,观测目标包括内华达州的Railraod山谷等地表特征良好,并且有充足的地面设备进行绝对辐射观测。图1统计了2015年1月1日一天内OCO-2每轨科学观测和探元合并定标的时序。OCO-2多种星上定标方法综合应用来修正定标系数,目标是为了满足数据定量反演要求。

      表 2  OCO-2在轨定标观测描述

      Table 2.  Description of on-orbit calibration measurements of OCO-2

      图  1  2015年1月1日,OCO-2每轨科学观测和探元合并时定标观测统计,横坐标代表每一种模式的时序号,纵坐标代表观测模式简写: GL:海洋耀斑;SB: 待机;DS:暗电流定标;LS:灯定标;SS:太阳定标;BS:临边定标

      Figure 1.  Series of OCO-2 science observation and calibration modes each orbit in Jan.1,2015. The horizontal axis shows the series numbers for every modes. The vertical axis represents the observation and calibration modes. GL:; SB:standby; DS:dark current scaling; LS:light scaling; SS:solar scaling; BS:border scaling

      OCO-2卫星运行模式设计复杂,载荷研制难 度较大,在轨后出现了观测光谱旋转,探测器坏 探元等问题,但是其整体技术依然代表了当今最前沿的CO2遥感技术。其后续将由OCO-3接替,以尽可能延长CO2观测时序[13]

    • 2009年1月23日,日本宇航局成功发射了GOSAT这颗用于监测全球温室气体的卫星。它是国际上第一颗专门对温室气体CO2和CH4提供高光谱分辨率探测的全球观测卫星。

      GOSAT的载荷有两部分组成——傅里叶变换光谱仪(TANSO-FTS)和云和气溶胶成像仪(TANSO-CAI),卫星及仪器相关参数见表3表4。TANSO-FTS的工作波段在近红外和热红外谱段,能探测地表反射的短波红外辐射,以及地表和大气发射的热红外辐射,几乎能对全球的CO2、CH4、H2O和O3进行探测。TANSO-CAI在紫外到近红外区域有四个窄的光谱带(0.38、0.674、0.87和1.6 μm),用于描述TANSO-FTS视场中的散射干扰,修正其光谱数据中气溶胶散射的影响,它的空间分辨率高于TANSO-FTS。

      表 3  GOSAT卫星及载荷TANSO-FTS主要技术指标

      Table 3.  GOSAT and TANSO-FTS specifications

      表 4  GOSAT载荷TANSO-CAI主要技术指标

      Table 4.  GOSAT TANSO-CAI specifications

      与OCO-2卫星的观测模式相同,GOSAT卫星也采用了星下观测、目标观测和耀斑观测3种观测模式。其中星下观测方式,在星下点区域,能获得最高的空间分辨率,有利于避免视场内云和气溶胶的影响。目标观测模式可以对特定目标进行跟踪观测,从而增加有效观测数据,同时可以在一定程度上弥补空间分辨率低造成的特定目标区域的漏扫,进而对卫星资料的验证起到关键作用。耀斑模式的观测是利用海洋上对太阳短波辐射的镜面反射信号,这种观测方式可以大幅提高信噪比,增强仪器高精度的探测能力,填补了海洋上空CO2观测资料的空缺。但是,受观测积分时间限制,在采样数增加时,观测积分时间减少,信噪比会逐渐降低。另外,受观测几何的限制,GOSAT观测数据中只有小部分来自耀斑模式的观测,这很大程度上限制了海洋上的观测密度。

      日本的GOSAT-2卫星是GOSAT卫星的后续计划,计划于2017年发射[14]。与GOSAT卫星相同,GOSAT-2卫星携带两个观测仪器——TANSO-FTS-2和TANSO-CAI-2。但GOSAT-2两个观测仪器的谱段宽度和谱段数目都多于GOSAT。

      FTS-2每4 s获取一次数据,在重访周期内,数据总量超过100 000次。为了增加有效数据量,应对GOSAT卫星观测有效数据少的问题,FTS-2采用了“智能指向”的新技术 ,利用来自相机的实时图像自动识别FTS-2视场中的云,并快速操纵指向镜,避免云的干扰。GOSAT-2对CO2的有效日观测将超过600次,是GOSAT的2倍。另外,针对GOSAT在海洋耀斑模式时观测数据少的问题,GOSAT-2将通过提高信噪比和增大沿轨指向角的方式改善。

      TANSO-CAI-2仪器也做了两方面的改进。首先,相比GOSAT CAI,在紫外区域CAI-2有两个紫外谱段,可以更有效描述大陆气溶胶包括城市区域的气溶胶特征。另一方面,CAI-2具备的前视(Forward viewing )/后视(Backward viewing)功能,可以避免海面上耀斑的影响。通过结合前向观测数据和后向观测数据,CAI-2能够监测海洋上的跨区空气污染状态。

    • 德国也制定了相应的碳监测任务Carbon Monitoring Satellite (CarbonSat),作为ESA地球探索项目的候选任务之一,目标是观测地球CO2和CH4的源、汇分布,提高人们的认识水平[15]。CarbonSat核心仪器是一台高光谱仪器(Imaging Spectrometer),采用光栅分光来达到高光谱分辨率要求,与OCO-2不同,它的特点是同时拥有宽的覆盖范围(500 km)和高的空间分辨率(2 km×2 km)。利用这些设计指标,研究人员开展了相关的误差分析工作,结果表明[16],单次探测精度为XCO2<1.2 ppm,XCH4<7 ppb。卫星预计在2019年左右发射。

    • 单纯载荷技术角度的比较,超出了本文的范围。本文尝试从应用和数据预处理的角度,分析不同遥感体制的优点和不足。OCO-2、CarbonSat采用的技术体制的突出优势表现在多个方面:信噪比远高于GOSAT TANSO-FTS,尤其是暗背景观测场景;就观测数据来说,每一轨的观测数量是GOSAT的48-96倍;从空间分辨率来说,OCO-2高的空间分辨率显著减少了云的影响;从数据预处理(即从原始测量DN值转换为辐射值)角度讲,GOSAT由于测量信号是时域信号,需要经过傅里叶变换才能得到频域信号,这里面需要涉及多项误差改正或订正才能得到可靠的数据,预处理技术复杂。相对而言,OCO-2的预处理直接简单,对数据应用是很有利的。

    • 目前,国内有多个部门正在研制被动式近红外高光谱仪器,计划搭载于不同的卫星上,探测全球、区域CO2浓度分布,这些任务分别是中国风云三号气象卫星02批D星(FY-3D)高光谱温室气体监测仪(Greenhouse gases Absorption Spectrometer,GAS),科技部碳卫星(TanSat)高光谱CO2探测仪(TanSat CO2 Spectrometer,TSCS)[17, 18],空间外差光谱仪(Spatial Heterodyne Spectroscopy,SHS)[19]。尽管这些任务目标相似,但是他们的遥感探测方法并不相同,分别介绍如下。

    • 计划于2016年发射的FY-3D卫星将携带高光谱温室气体监测仪开展CO2观测。其探测目标是测量全球大气温室气体(CO2、CH4、CO等)的浓度分布,探测精度可以描述温室气体在区域、全球尺度上空间、时间变化(对边界层浓度变化具有较强的敏感性)。通过高精度定量反演,高光谱温室气体监测仪可得到以下二级产品:区域尺度上(≥1 000 km)的柱平均CO2干空气混合比XCO2,以及柱平均的CH4干空气混合比XCH4。这些数据将被进一步同化到数值模式中,提高区域尺度上地表温室气体通量的定量估算,分析和监测全球碳源、汇。与GOSAT相似,GAS采用了傅里叶干涉技术获取0.76 μm的O2 A带、弱CO2吸收带和强CO2吸收带吸收光谱,另外,增加了2.3 μm处的光谱带,以获取CO、CH4等温室气体浓度。探测模式有星下观测和耀斑观测。由于FY-3卫星是综合性探测平台,携带有成像类仪器,因此,并未像GOSAT那样设有CAI探测仪。GAS设计有专门的星上光谱定标激光器,用以监测GAS ILS变化;另外,还通过漫反射板对太阳进行观测,太阳光谱中特有的吸收线可用来检验GAS波长漂移。星上辐射定标通过太阳观测、冷空观测实现。

    • 十二五期间,中国科学院微小卫星工程中心、中国科学院长春光学精密机械与物理研究所、国家卫星气象中心和中科院大气所共同联合申请了科技部碳卫星项目,与OCO-2卫星技术体制相似,这是一颗专门的大气CO2观测卫星,计划于2016年发射,搭载两台载荷,分别是高光谱CO2探测仪(TSCS)、云和气溶胶探测仪(CAPI)。TSCS与OCO-2技术方案相似[20],设计有三个专门谱段,但是由于受探测器限制,两个CO2谱段光谱分辨率略微低于OCO-2,这样可以保证每个通道半高宽内采样率大于2。

      TanSat卫星本身可根据地面发出的指令在主平面(即太阳、地面测点和卫星连成的平面)或非主平面内观测,TSCS载荷设计有3种观测模式,分别是星下观测、耀斑观测、目标观测。太阳观测数据可分为x轴对日光谱定标和z轴对日辐射定标,在轨辐射定标方式有暗电流、定标灯和太阳观测。

    • SHS是一种空间调制型的FTS,最早由美国SHIMMER (Spatial Heterodyne Imager for Mesospheric Radicals)采用[21],并于2002年在航天飞机上搭载进行验证试验。中国科学院安徽光学精密机械研究所将这一技术首次用于CO2遥感,目前已研制出CO2通道的原理样机,并完成了实验室相关测试。在相关计划的资助下,研究还在不断深入。

    • 卫星反演的XCO2主要应用于CO2通量研究,准确的通量研究对XCO2反演精度提出了很高的要求,研究表明,区域尺度上1 ppm的偏差可影响地表通量反演精度[22]。许多国家都在开展高精度反演算法研究[23],比如德国为SCIAMACHY开发的WFM-DOAS算法,美国OCO团队开发的ACOS算法、日本NIES(National institute for Environmental Studies)为GOSAT开发的算法、SRON-Netherlands空间研究所开发的RemoTec、英国Leicester大学开发的UoL-FP算法等。国内中科院大气所等相关单位也在研究开发相应的算法,并且这些算法仍然处在不断改进之中。按照这些算法所依据的物理基础,WFM-DOAS和ACOS算法具有一定的代表性。

    • 从名称可以看出,WFM-DOAS (Weighting Function Modified Differential Optical Absorption Spectroscopy)是对DOAS 方法的改进,在近红外谱段,用吸收气体柱总量对差分光谱的权重函数取代吸收截面进行最小二乘拟合[24]。WFM-DOAS方法直接对气体柱总量进行拟合,去除经典DOAS方法中,倾斜柱总量向垂直柱总量大气质量因子的订正过程。除此之外,针对SCIAMACHY观测数据,还存在几种以DOAS方法为基础的算法。2008年,Oshchepkov等人[25]提出了能同时反演光学路径长度的概率密度函数的方法,从而修正光学路径长度。2005年,Frankenberg等人[26]针对甲烷的反演,提出了一种同时反演CO2和CH4柱浓度的方法,假设没有气溶胶,用CH4和CO2气柱的比率,去除大部分气溶胶散射的影响。但是,这些算法中都假设了气溶胶场景或者地表反照率,当实际等效的光学路径长度与假设的路径长度有差别时,反演结果就会出现很大的误差。在晴空条件下,利用SCIAMACHY观测数据反演的CO2浓度单次测量精度为1%~2%。其中,云和气溶胶的散射是主要的误差来源。2005年,Houweling等人[27]指出,CO2浓度的反演误差有10%来自矿物气溶胶的影响。由于SCIAMACHY并不是专门用于探测CO2的仪器,同时受到它的空间分辨率和光谱分辨率的限制,XCO2的反演精度和准确度难以满足地表碳源、汇的研究要求。

    • 基于贝叶斯理论的最优估计方法(Optimal Estimation Method-OEM)是目前主流的反演算法,GOSAT和OCO-2的反演都采用了这种方法。全物理反演算法由正演模型和反演方法两部分组成。正演模型通过描述太阳光谱、大气散射和吸收、地表光学特性、辐射传输以及仪器效应,模拟仪器观测的光谱。输入的大气参数、地表特性以及仪器参数要尽可能全面的模拟卫星观测辐射。在反演方法中,通过改变状态向量参数,最小化模拟光谱和测量光谱之间的残差,一旦得到两者的最好匹配,这个算法就会确定CO2浓度和计算误差。

      整个反演过程主要包括三个步骤:第一步是云检测,选择出无云观测的情景。第二步以贝叶斯最优估计理论为基础,反演XCO2。第三步是检验反演参量,剔除低质量和受气溶胶污染的结果。整体反演算法的流程如图2所示。

      图  2  反演算法流程图

      Figure 2.  Flow diagram for retrieval algorithm

      对于全物理反演算法,云和气溶胶的散射引起的光学路径长度的改变依然是反演XCO2过程中最主要的误差源[28, 29, 30]。减小这一误差的方法是利用大气散射特性的先验信息,O2 A带的光谱信息直接反演大气散射特性[31]。2008年,Oshchepkov等人[25]提出了加入光学路径长度概率密度函数(photon path length probability density function,PPDF)的方法,这种方法利用了光子路径长度统计特征和等价理论,选取了几个PPDF参数,利用O2 A带的观测光谱反演上述参数。OCO-2卫星采用的反演算法同时反演CO2垂直廓线、地表气压以及气溶胶垂直廓线[32]。2009年,Butz等人[33]针对近红外高光谱观测提出了一种在反演CO2浓度的同时,利用简单的气溶胶微物理模型反演有效气溶胶特性的方法。另外,不同的星载平台由于搭载了不同的仪器,所以反演算法中对云和气溶胶的处理中也会存在一些差异,例如,OCO-2卫星借助A-train序列中其他几颗卫星的协同观测数据,处理云和气溶胶的影响,而GOSAT卫星利用TANSO-CAI的观测数据订正云和气溶胶的影响。因此,确切了解不同特性气溶胶的散射引入的不确定性,是获得高精度XCO2的重要环节。

      全物理反演算法可以同时得到多种大气、地表产品。以OCO-2为例,其反演量多达50个,除XCO2外,涵盖气溶胶、温湿度、地表气压和反照率、海面风速等。其不足之处是算法复杂,计算量巨大。

    • 本文在介绍高光谱CO2遥感探测原理的基础上,给出了国内外在被动式近红外高光谱CO2遥感探测的最新进展,详细介绍了卫星观测模式和代表性仪器的主要性能指标、光谱定标和辐射定标方式,并讨论了以美国OCO-2为代表的光栅分光体制和以日本GOSAT为代表的FTS体制探测CO2的优势和不足。

      以全物理反演算法为代表的方法在反演XCO2的同时,可同时反演多种大气未知参量,但是,云和气溶胶的影响将是反演中最有挑战性的问题之一。这一领域的研究已经带动了一大批相关学科的发展,典型的如太阳光谱中相关谱段的研究,CO2分子光谱学,云和气溶胶的散射影响研究、反演产品精度验证、CO2遥感产品在碳循环研究中的应用等。

      展望未来的发展,近红外高光谱探测CO2仍将保持着非常活跃的程度,遥感仪器将进一步朝着高光谱分辨率、高空间分辨率和高信噪比的“三高”方向发展,并且宽的覆盖范围和短的覆盖周期也是追求的目标之一[34]。紧随国际研究趋势,国内正将多种技术体制应用于近红外CO2遥感探测,但是,面对1 ppm的XCO2精度需求,近红外CO2遥感仍面临着诸多科学问题。

参考文献 (1)

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