温室气体的遥感反演、输送模拟和通量估计

发布时间：2017-06-17 08:25

  本文关键词：温室气体的遥感反演、输送模拟和通量估计，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：通过大气输送模式及反演模式,我们可以从观测的大气主要温室气体(如二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4))浓度变化得到全球区域碳源和碳汇的信息。但是用这些方法得到的区域碳通量的大小和分布问题并没有得到一致性的结论,部分原因就是由于所用的大气输送模式和反演方法的不同。本研究应用RTTOV快速传输模式和NIES大气化学输送模式,网格搜索和求极值相结合的迭代方法以及基于贝叶斯理论的反演方法,从主要温室气体的卫星遥感反演、大气输送模拟及区域通量估计三个方面开展研究,以更好的掌握全球碳源和碳汇信息,同时可以为我国碳卫星探测大气温室气体技术提供基础性研究。为了优化反演全球区域碳通量,本文主要从方法着手,首先选取CO2,以大气辐射传输理论为基础,以及物理与数学相结合的迭代方法建立了对流层CO2的反演模型,实现了对流层中层C02浓度的遥感反演；为了更好的验证NIES大气化学输送模式,并为卫星数据的一致性检验做充分的准备,应用NIES大气化学输送模式对航测CO2浓度进行廓线模拟,验证了该模式的模拟精度；在上述基础上,最后将NIES模式作为前向模式,选取CH4,以贝叶斯理论为基础的反演方法,估计全球CH4区域通量,以获取更为精确的碳源与碳汇信息。本文主要从以下几个部分开展研究：1.改进了一种高光谱遥感的对流层痕量气体反演算法。在该方法中,我们利用连续逼近以及对一个多元函数求全微分的方法,以区分每一种痕量气体的柱浓度。这种网格搜索(Gridsearch)同求极值(Vanishing Partial Differential)相结合的方法,称之为GVPD,我们应用这个方法对对流层中层的CO2混合比进行反演,数据源为搭载于NASA Aqua卫星的大气红外探测器(AIRS)二级产品。将GVPD反演所结果与AIRS反演产品同时与中国瓦里关本底观测站和意大利Plateau Rosa本底观测站的CO2观测值相比较。由曲线拟合结果比较,就瓦里关站而言,无论是从CO2柱浓度总值还是季节变化振幅来看,GVPD的反演结果能更好地反映该站观测的CO2柱浓度水平；对意大利Plateau Rosa站的曲线拟合结果亦是如此。由此,比较结果初步验证了GVPD方法反演红外高光谱遥感观测CO2浓度的可行性。2.利用改进的全球三维大气化学传输模式(NIES TM)模拟长时间序列痕量气体的柱浓度及其廓线。NIES TM传输模式遵守质量守恒定理,采用混合σ-θ垂直坐标,即在下垫面运用地形跟随坐标,在平流层平滑转化为等熵面坐标。空气上升速率源自于有效加热速率,其优点是可以较好地模拟等熵面坐标空间上(大约在350K)的垂直运动。NIES TM大气输送模式采用欧拉运动的气体通量传输算法,可用来模拟对流层长寿命大气成分的日变化、季节变化和年际变化的天气尺度运动。模式传输的驱动场是再分析气象场,用来模拟大气化学成分随对流层天气变化的日和季节循环空间分布。在模式模拟中所用地表通量包括生物圈通量、化石燃料消耗通量、生物质燃烧通量以及CO2的反演校正通量。在本文中,我们用NIES传输模式模拟的CO2浓度值与飞机航测获取的HIPPO (HIAPER Pole-to-Pole Observation) C02等相应的观测数据进行了比较。所用的HIPPO观测数据融合了10s的气象、大气化学及气溶胶资料(R 20121129),包括HIPPO-1 (20090109-20090126), HIPPO-2 (20091102-20091122)以及HIPPO-3 (20100324-20100415),这些数据的经纬度从128.0°E到-84.0°W 87.0°N到-67.2°S,基本跨越全球。在模拟这三个任务的过程中,我们所用的初始数据包括C02浓度变化、垂直廓线、地表通量及气象变化场。本文对日变化结果进行了分析,并与2009年1月、2009年9月和2010年3月至4月共计63804观测个样本进行了比较。结果表明,模式模拟的柱浓度结果与观测值有较高的拟合精度。以HIPPO-1为例,随时间变化的模拟值与观测值的绝对偏差大约69.2%低于1ppmv,大约92.3%低于2ppmv,只有7.7%高于3ppmv。均方根误差在大多数时间内都很稳定。同时,模拟值与观测值随纬度变化的偏差表明,模式往往会在南半球低估大气CO2浓度,偏差在1.5ppmv之内,而在北半球却会出现恰好相反的现象,85.8%的偏差低于1.1ppmv。 HIPPO-2与HIPPO-3的统计分析结果与HIPPO-1类似。在南半球模拟垂直廓线的值一般低于其观测值,而北半球的模拟情况恰恰相反。模拟的误差呈现出季节性特征(HIPPO-1,2,3),这种误差尤以北半球高纬度地区更为明显。分析结果表明,NIES大气化学传输模式能够很好的模拟垂直廓线,且大部分模拟误差在1-2ppmv之内,但在对流层高层及平流层低层,尤其在北半球高纬度地区会出现较大模拟误差,此时往往也伴随着位温垂直廓线梯度的突变。3.通过基于贝叶斯理论的反演模式,对2009年1月至2010年2月全球43个区域的甲烷月通量进行估计,所用数据是GOSAT SEIR 2级柱平均干空气甲烷浓度值(XCH4)及WDCGG的地基CH4观测值。大气中甲烷浓度的通量估计和全球分布是为GOSAT 4级研究产品的分布做准备的。我们将GFED(Global Fire Emissions Database)和VISIT(Vegetation Integrative Simulator for Trace gases)生态模式得到的CH4排放年际变化、CH4排放的年际循环EDGAR (Emission Database for Global Atmospheric Research) 、TransCom-CH4计划的化学沉降场运用于NIES大气化学传输模型的前向模式,并将尺度调整分别应用到每个区域的这4类通量中。优化通量的反演问题可以通过卡尔曼滤波的固定延迟平滑算法来解决。本文中,我们通过两种数据集相结合来进行反演,评估了GOSAT XCH4在通量估计中的适用性。其次,对通过前向模式得到的每月129个排放源进行奇异值分解,并将新的扰动值运用到反演模式中。研究结果表明,经过奇异值分解之后,全球后验源通量标准偏差平均减少10.2%,卡方值最高减少17.3%。另外,除了亚洲地区和海洋区域,全球的误差都不同程度的降低,尤其是在南北美洲和澳大利亚。因此,引入奇异值分解不仅能够减少数据存储量,更重要的是改善了全球甲烷区域通量的反演精度。
【关键词】：CO_2 CH_4 反演 模拟 大气输送 通量
【学位授予单位】：华东师范大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：X87;X16
【目录】：

• 论文摘要6-9
• ABSTRACT9-15
• 第一章 引言15-39
• 第一节 研究背景和意义16-20
• 第二节 国外研究现状20-31
• 1.2.1 卫星遥感温室气体的反演模拟20-23
• 1.2.2 大气输送模式模拟温室气体的研究现状23-27
• 1.2.3 全球碳通量同化模拟研究现状27-31
• 第三节 国内研究现状31-36
• 第四节 研究内容和方法36-38
• 第五节 论文的特色与创新之处38-39
• 第二章 AIRS的对流层CO_2浓度反演39-62
• 第一节 AIRS及其产品39-46
• 第二节 研究方法46-52
• 第三节 结果与分析52-61
• 2.3.1 瓦里关反演结果52-57
• 2.3.2 Plateau Rosa反演结果57-61
• 第四节 本章小结61-62
• 第三章 HIPPO CO_2浓度及其廓线的模拟62-84
• 第一节 NIES大气输送模式62-66
• 3.1.1 混合σ-θ垂直坐标62-63
• 3.1.2 平流层中上升运动的模拟63-64
• 3.1.3 水平质量通量校正64-66
• 第二节 模式输入数据66-71
• 3.2.1 驱动场数据66-67
• 3.2.2 HIPER Pole-to-Pole数据67-71
• 第三节 数值方法及其测试71-75
• 第四节 结果与分析75-83
• 第五节 本章小结83-84
• 第四章 全球CH_4区域通量估计84-109
• 第一节 GOSAT及其产品84-88
• 第二节 CH_4排放通量88-95
• 4.2.1 GFED88-90
• 4.2.2 VISIT生态模式90-92
• 4.2.3 EDGAR92
• 4.2.4 TransCom-CH_4计划92-95
• 第三节 大气化学输送前向模式95-96
• 第四节 反演同化理论与方法96-102
• 4.4.1 卡尔曼滤波的固定延迟平滑算法97-98
• 4.4.2 贝叶斯理论98-99
• 4.4.3 奇异值分解99-100
• 4.4.4 反演同化模型的建立100-102
• 第五节 结果与分析102-108
• 第六节 本章小结108-109
• 第五章 结论与展望109-113
• 第一节 主要结论109-111
• 第二节 工作展望111-113
• 攻读博士学位期间发表论文113-114
• 参考文献114-143
• 后记

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本文编号：457785