二氧化碳 (CO2) 是大气中重要的温室气体, 准确掌握大气 CO2 的含量及变化可为气候变化预测及环境决策提供支持。为满足气候研究的需求, 卫星观测大气 CO2 柱平均干空气混合比 (XCO2) 的反演精度需优于 1%。搭载于高分五号卫星上的大气主要温室气体监测仪 GMI (Greenhouse gases monitoring instrument) 采用新型的空间外差光谱技术, 具有超高光谱分辨率。由于超分辨率卫星观测光谱面临着大气、地表和仪器的综合影响, 故根据 GMI 仪器特征设计了针对性的反演方法, 通过光谱信息含量的分析, 构建出用于大气 CO2 反演的信息谱以及用于背景扣除的参考谱, 以此重建观测数据和模拟数据, 并采用最优化估计法反演大气 XCO2。该方法具备缓变背景扣除功能, 可解决空间外差干涉型光谱的大气 CO2 反演问题。利用该反演方法对 2018 年 8 月至 2019 年 3 月的 GMI 观测数据开展反演, 并采用碳总量观测网 12 个站点的地面大气 CO2 测量结果进行验证。验证结果表明该反演方法可稳定实现 GMI 卫星观测数据的反演, 且 GMI 大气 XCO2 反演精度为 0.67%, 优于 1% 的应用需求。

基于我国GF-5号卫星上大气温室气体监测仪(GMI)的遥感数据,开展中国区域的CO₂反演实验,根据中国区域特征差异对CO₂廓线样本进行统计,构建了适合中国区域特征、具有代表性的样本集,然后将统计反演得到的CO₂廓线作为初始值代入物理反演方法当中,形成协同统计和物理方法的新算法。通过分析新算法的反演结果,得出协同反演算法在单独使用物理反演算法的基础上精度提高了47.7%,其反演结果与国际上同类型的卫星OCO-2提供的观测结果的相关性达到88.5%。

利用辐射传输模型(SCIATRAN)联合高分辨透射率谱线(HITRAN)库对包含 ¹³CO₂强吸收特征的中红外光谱进行特性分析,发现中红外相比于近红外与热红外波段, ¹³CO₂的吸收特征更为明显,并且中红外波段对对流层5~15 km处的二氧化碳浓度变化极为敏感。大气的对流与交换使得中高层CO₂的浓度变化与近地表息息相关。通过对光谱特性的分析,得出影响二氧化碳反演的主要因素是水汽、温度和氧化亚氮。在进一步研究利用卫星遥感数据反演得到的 ¹³CO₂浓度时,给出了反演的必要条件,其中水汽廓线需满足50×10 ^-6的精度,温度廓线需要满足高于0.03 K的精度,氧化亚氮廓线需要高于5×10 ^-9的精度,仪器的信噪比需要高于600。该结论为利用卫星遥感探测 ¹³CO₂提供了理论基础,并为未来的超光谱探测器制造指标提出了要求,可以更好掌控CO₂“源”与“汇”及输送规律, 了解全球碳循环收支。

搭载于高分五号卫星平台的大气主要温室气体监测仪(GMI)主要用于测量大气温室气体CO2和CH4的柱浓度。为保证GMI遥感数据温室气体的反演精度,需分析温室气体反演中气溶胶等因素对反演结果的影响,并以此作为反演算法校正的要素。在此基础上,利用全球总碳柱观测网(TCCON)站点对GMI反演结果进行验证。结果表明,GMI近红外反演结果误差范围为-1.06±2.93×10 -6(-0.26±0.72%),反演精度在1%以内。

雾、霾粒子的组成成分不同,雾滴具有大粒子特性,霾的成分复杂,小粒子居多。偏振观测对小粒子具有很强的敏感性,基于该特性 利用矢量辐射传输模型(Vector linearized discrete ordinate radiative transfer, VLIDORT) 计算雾粒子和霾粒子的偏振辐射特性,模拟结果经公式计算可得到雾、霾粒子的偏振反射率。模拟结果表明: 在散射角125°～150°范围内,雾粒子和霾粒子的偏振反射率随散射角分布有明显不同的变化趋势。利用该偏振辐 射特性结合雾霾粒子的辐射特性,基于2008年3月11日的多角度偏振成像观测的卫星载荷 (Polarization and directionality of the earth’s reflectances, POLDER)数据对雾和霾进行区分。 将区分结果与中分辨率成像光谱仪(Moderate-resolution imaging spectroradiometer, MODIS)图像及地面站观测资料 进行对比,验证了算法的有效性。这对高分五号大气气溶胶多角度偏振探测仪(Directional polarimetric camera, DPC) 遥感数据的应用具有重要的参考价值和科学意义。

从大气辐射传输模型正演和反演两个角度,探究CO₂观测时地表高程的敏感性。SRTM地表高程数据表明,在北京附近的平原地区,卫星指向不准导致的地表高程均值的误差较小,在偏移量为0.1~10.0 km的情况下,误差极大值约为10 m;而在北京附近山区以及平原与山区交界区内,地表高程均值的误差较大,误差极大值分别为713.98,515.61 m。CO₂反演结果表明:高程值每变化100 m,CO₂柱浓度偏差为3.29×10 ^-6;在大气CO₂高精度反演中,地表高程偏差是一个关键因素。

高分五号卫星同时搭载了温室气体探测仪(GMI)和大气多角度偏振探测仪,两者在云检测方面各有优势,但是均存在局限。提出了一种基于两者数据的协同云筛选新算法以提高温室气体反演中的云筛选效率。利用该算法检测了全球16 d在轨实测数据中的77581个GMI观测点,筛选出晴空观测点9508个,占比为12.26%。利用融合后的中分辨率成像光谱仪云掩模和卷云反射率数据集,验证了该算法进行云检测的正确率,得到陆地上和海洋上的云检测正确率分别为92.93%和81.91%。

基于全球植被的荧光分布,利用GOSAT数据,同步反演了光子光程概率分布密度函数因子和755 nm处的荧光强度,将反演结果与TCCON站点的结果进行了对比。结果表明:对于受植物叶绿素荧光影响较大的Park Falls(45.9°N,90.3°W)站点附近的GOSAT数据,考虑荧光影响前后的二氧化碳(CO₂)反演结果的最大偏差为1.6×10 ^-6;对于受荧光影响稍小的Sodankyla(67.4°N,26.6°E)站点附近的GOSAT数据,最大偏差为0.8×10 ^-6,散射校正荧光影响可以使平均误差缩小到0.1×10 ^-6左右。

利用OMI传感器获取了2005～2012年中国区域内的SO2柱浓度变化数据,并基于MODIS传感器获取了中国区域内的下垫面土地利用类型数据。应用空 间分析的方法,分别分析了中国区域内的SO2柱浓度与时间的空间关联特征,以及与土地利用类型的空间关联特征。通过研究发现,从空间和时 间区域来说,乌鲁木齐、京津冀、长江三角洲、四川盆地和珠江三角洲为SO2高浓度区;北方地区SO2浓度冬高夏低且峰值呈现逐年上升的趋势,南 方地区则呈现SO2浓度夏高冬低的特点。从土地利用来说,城市和耕地上空的SO2浓度较高,森林、草地和裸地上空的浓度较低。研究 结果表明,人类活动在行星边界层SO2分布和浓度变化中起关键作用。

准确获取气溶胶光学厚度对于气候变化研究和大气环境监测具有重要意义,卫星反演气溶胶光学厚度的产品较多,开展不同气溶胶光学厚度产品间 的对比研究,可为用户选择适合的气溶胶光学厚度产品提供重要依据。应用地基气溶胶观测网AERONET提供的气溶胶光学厚度数据,分析了MODIS气 溶胶产品对中国区域四种典型下垫面的适用性。通过对比发现：在中国区域,城郊、森林、湖泊下垫面气溶胶光学厚度反演算法中第六版本最优, 城市下垫面气溶胶光学厚度反演算法中第五版本最好。研究结论可为中国区域的MODIS气溶胶产品选择提供参考。