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大气CO₂遥感探测仪器的关键指标和敏感性分析研究

作　者: 王倩
导　师: 杨忠东
学　校: 中国气象科学研究院
专　业: 自然地理学
关键词: CO2 高光谱仪器指标敏感性试验
分类号: P407
类　型: 硕士论文
年　份: 2014年
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内容摘要

利用近红外谱段的反射太阳辐射遥感大气低层CO₂浓度信息，已成为目前国际研究热点领域。本文结合中国碳卫星探测的精度要求，针对高光谱CO₂探测仪光栅分光、阵列探测器特点，利用高精度大气辐射传输模式研究光谱分辨率和采样率及信噪比等仪器关键指标对获取的CO₂光谱的影响，同时对影响CO₂遥感的主要因子开展了敏感性试验，分析了气溶胶、地表反照率、水汽以及温度等大气条件的变化对卫星观测光谱的影响，以及气溶胶对XCO₂反演精度的影响。研究结果表明：高光谱CO₂探测仪首先应该有足够高的光谱分辨率，以便从连续的太阳反射谱段中分辨出CO₂吸收线；为保证CO₂光谱的准确测量，光谱仪所用探测器面元应该保证光谱采样率大于2；探测大气CO₂柱平均干空气混合比（XCO₂）1%的变化所需要的信噪比是可以达到的。气溶胶散射引起的光学路径长度的改变与气溶胶类型、模态以及高度分布密切相关。城市型和海洋型气溶胶对观测光谱影响很大，强散射性的海洋型气溶胶还会引起光谱结构特征的改变。在典型地表反照率0.15条件下，主要以粗粒子模态存在的气溶胶会引起辐射的负变化，主要以积聚模态存在的气溶胶引起的辐射变化趋势因气溶胶类型和气溶胶垂直分布特征而异。而在不同的气溶胶垂直分布条件下，粗粒子模态的气溶胶引入的辐射变化均为负值，且随气溶胶分布高度的提升，负的辐射变化程度会逐渐减小。在典型观测几何条件下（太阳天顶角40°,星下点观测），亮地表时，气溶胶的存在会引起辐射的负变化，在暗地表条件下，会引起辐射的正变化。而对大陆型气溶胶，地表反照率在0.1-0.15时，气溶胶效应会“消失”。反演XCO₂时，忽略气溶胶的影响引入的XCO₂反演误差十分显著。若考虑气溶胶光学厚度和气溶胶存在模态，可保证在光学厚度小于0.3时，多数反演误差小于4ppm。充分利用气溶胶垂直分布信息，能减弱气溶胶引入的XCO₂误差对地表反照率和气溶胶存在模态的敏感性，进一步减小XCO₂反演误差。水汽和温度的影响都较小，可以通过同步订正减小其不确定性带来的影响。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-11
第一章引言  11-21
  1.1 大气中的 CO_2  11-12
  1.2 国内外 CO_2遥感监测现状  12-19
    1.2.1 国际上 CO_2卫星探测计划  13-17
      1.2.1.1 已发射的 CO_2卫星  14-16
      1.2.1.2 计划发射的 CO_2卫星  16-17
    1.2.2 CO_2反演算法  17-19
      1.2.2.1 改进的 DOAS 反演算法  17
      1.2.2.2 全物理反演算法  17-19
  1.3 研究内容和研究意义  19-21
第二章理论背景和模拟计算系统  21-27
  2.1 CO_2分子吸收谱线  21-23
    2.1.1 谱线强度  21
    2.1.2 谱线线型和半宽  21-23
      2.1.2.1 自然加宽  21
      2.1.2.2 压力加宽  21-22
      2.1.2.3 多普勒加宽  22
      2.1.2.4 混合加宽  22-23
  2.2 正演模拟系统  23-24
    2.2.1 CO_2短波红外遥感原理  23
    2.2.2 正演模式  23-24
    2.2.3 辐射传输模式  24
      2.2.3.1 LBLRTM 逐线积分辐射传输模式  24
      2.2.3.2 SCIATRAN 辐射传输模式  24
  2.3 GOSAT 观测光谱模拟验证  24-27
第三章 CO_2遥感仪器的关键指标分析  27-41
  3.1 高光谱 CO_2探测仪的主要技术指标  27-28
  3.2 CO_2吸收谱段分析  28-30
  3.3 光谱参数分析  30-37
    3.3.1 光谱分辨率  30-32
    3.3.2 光谱采样率  32-33
    3.3.3 分析和讨论  33-37
  3.4 信噪比需求分析  37-39
  3.5 本章结论  39-41
第四章 CO_2遥感探测的敏感性试验  41-81
  4.1 气溶胶的敏感性试验  42-72
    4.1.1 不同类型气溶胶的影响  43-46
    4.1.3 气溶胶模态的影响  46-63
      4.1.3.1 清洁型大陆气溶胶  48-52
      4.1.3.2 污染型大陆气溶胶  52-57
      4.1.3.3 海洋型气溶胶  57-62
      4.1.3.4 本节小结  62-63
    4.1.4 气溶胶垂直分布的影响  63-72
      4.1.4.1 清洁型大陆气溶胶  63-66
      4.1.4.2 污染型大陆气溶胶  66-69
      4.1.4.3 海洋型气溶胶  69-72
      4.1.4.4 本节小结  72
  4.2 地表反照率的敏感性试验  72-75
  4.3 水汽的敏感性试验  75-76
  4.4 温度的敏感性试验  76-78
  4.5 本章结论  78-81
第五章气溶胶对XCO_2反演精度的影响  81-85
  5.1 气溶胶对 XCO_2反演精度的影响  81-83
  5.2 结论  83-85
第六章结论与展望  85-87
  6.1 研究结论  85-86
  6.2 本文创新之处  86
  6.3 未来工作展望  86-87
参考文献  87-93
致谢  93-95
个人简历  95

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