卷云条件下短波红外高光谱分辨率卫星遥感反演二氧化碳的研究

Retrievals of atmospheric carbon dioxide (CO2) from space-borne measurements of backscattered shortwave infrared radiances of reflected sunlight are hampered by aerosol and cirrus cloud scattering effects. In this study: (1) The radiative transmission and scattering properties of cirrus clouds are mainly discussed. Then, the influences of cirrus on atmospheirc infrared backgroud radiation will be analysed. The simulation techniques considered here are classical Mie theory,T-MATRIX method and the finite-difference time-domain (FDTD) method; (2) The radiative transfer simulations will be carried out using the Linearized Discrete Ordinate Radiative Transfer (LIDORT) and Line by line RTM (LBLRTM) model for the Fourier-Transform Spectrometer (TANSO-FTS) onboard the Greenhouse Gases Observing Satellite (GOSAT). Spectral radiances at the top of the atmosphere are calculated and their sensitivty analysis to key parameters such as cirrus, aerosol, surface reflectance and surface pressure will be performed;(3) We will propose a retrieval approach that allows for the retrieval of a few cirrus/aerosol parameters simultaneously with the total column CO2 by parameterizing particle amount, height distribution, and microphysical properties. The cirrus optical depth, cirrus height and some aerosol parameters are estimated using reflected radiances in the 0.76 μm oxygen band, strong water vapor absorption area. Then the total column CO2 will be retrieved based on the optimal estimation method using the radiances in the weak and strong CO2 bands at 1.6 and 2.0 μm. The total column CO2 retrieved by our proposed algorithm will be compared against reference data from the Total Carbon Column Observing Network (TCCON) FTS sites.New methods for CO2 retrieval are studied using the short wave infrared hyperspectral satellite data under cirrus conditions.

卷云、气溶胶的散射作用对星载高光谱传感器接收到的辐射值产生影响，给二氧化碳的精确反演带来较大困难。本研究包括(1)利用有限时域差分法(FDTD)，T-MATRIX等光散射方法，研究卷云的短波红外辐射传输与散射特性；(2)利用辐射传输模式结合 GOSAT 的傅里叶变换光谱仪(TANSO-FTS)特性进行数值模拟正演计算，分析FTS通道辐射观测值对二氧化碳浓度变化的响应，开展卷云、气溶胶散射作用对于二氧化碳遥感反演误差的敏感性分析；(3)利用氧气 A 带、水汽强吸收带数据，建立卷云光学厚度、云高以及气溶胶相关参数估算模型；在最优化理论和方法基础上，综合利用二氧化碳近红外弱吸收带(1.6μm)、强吸收带(2.0μm),开展卷云大气条件下的二氧化碳高精度物理反演研究；利用国际碳观测计划(TCCON)观测数据对算法进行验证和误差分析。研究卷云条件下短波红外高光谱遥感二氧化碳的新方法和反演技术。

大气中卷云的散射作用是影响CO2反演精度的主要因素之一。提高卷云天气条件下大气CO2的反演精度，需要考虑卷云中非球形冰晶粒子散射对大气辐射传输过程的影响。本项目开展的主要研究内容：(1)卷云冰晶粒子的反照率和散射相函数等光学特性研究；(2)基于辐射传输模式SCIATRAN、VLIDORT、LBLRTM逐线积分模式，构建了适用卷云条件下短波红外辐射传输正演模式。(3)基于冰晶粒子、气溶胶光学厚度、地表反射率、太阳天顶角等敏感性分析，以及神经网络、最优化估计等方法，构建卷云条件下短波红外遥感二氧化碳的反演算法，开展了模拟数据和GOSAT卫星数据反演试验，结合地面观测数据对反演结果进行验证。. 利用广义球函数对表面严重粗糙的冰晶粒子相函数进行展开，并对表面严重粗糙的实心棱柱模型、实心棱柱聚合物模型和一般种类混合模型3种冰晶粒子的展开系数特性进行分析研究。(1)基于SCIATRAN大气辐射传输模式模拟计算得到短波红外二氧化碳吸收带高光谱数据，采用主成分分析和BP神经网络的联合算法，进行大气中二氧化碳柱总量的反演计算。研究结果表明，在卷云大气条件下反演二氧化碳的过程中，卷云光学厚度的考虑会提高反演的精度，均方误差在小于0.062ppm的范围之内。(2)在卷云大气辐射传输模式数值计算中输入卷云的单次散射反照率和散射相函数等光散射特性参数。基于最优化估计方法进行CO2廓线的反演，冰晶粒子选取表面严重粗糙的实心六角棱柱模型，将展开系数输入到辐射传输模式中进行模拟计算,并计算出卷云天气的平均核函数。利用温室气体探测卫星GOSAT上搭载的傅立叶变换光谱仪(TANSO-FTS)短波红外波段，开展卷云天气条件下卫星遥感大气二氧化碳混合比(XCO2)的反演。反演结果与TCCON地面观测数据进行对比验证，对比实验结果表明该反演方法能提高CO2的反演精度，CO2的反演精度达到1%。