利用探空资料验证GOME卫星臭氧数据

利用1996年3月—2003年6月部分时段拉萨、西宁、北京3个站的臭氧探空资料验证了GOME(Global Ozone Monitoring Experiment)卫星臭氧廓线及对流层臭氧柱总量。对比结果表明:在对流层中下层,拉萨和西宁两地GOME与探空的平均偏差小于5%,北京地区平均偏差小于10%;在对流层上层/平流层下层,拉萨和西宁平均偏差小于10%,北京小于20%;在平流层中上层3个站的平均偏差均小于5%。在对流层上层/平流层下层区域, GOME与臭氧探空的平均偏差在北京明显高于拉萨和西宁。3个地区对流层柱总量的平均偏差都在10%以内,表明该资料可用于研究我国对流层臭氧总量的变化规律。同时段的GOME最低层(0～2.5km)月平均臭氧浓度对比结果显示,GOME结果同地面臭氧观测值有很好的相关性,GOME臭氧浓度反映了拉萨、瓦里关、临安地面臭氧浓度的主要变化特征。

基于GOSAT反演的中国地区二氧化碳浓度时空分布研究

卫星遥感监测大气二氧化碳柱平均干空气体积混合比(XCO2)是实现碳源汇全球监测的最有效手段,本文对国际上4种应用GOSAT卫星观测的短波红外反演算法进行了介绍和结果分析。首先对于4种反演产品的有效数据量的分析表明:现有单一反演产品还不足以支撑XCO2时空分布研究。其次利用集合平均方法,综合使用4种反演产品研究了2010年中国地区XCO2时空分布特征,结果表明:XCO2呈现显著的地理分布和季节变化,不同地区季节变化趋势基本一致,均在春季达到最高值、夏季达到最低值,多数地区全年高于380 ppm(×10-6);在地理分布上,东部和西部地区存在较明显的差异,东部地区人口密集、工农业生产等人为活动旺盛,周边多被森林和草地覆盖,碳源汇强度大,因此XCO2季节变化幅度较大,全年约8 ppm;中、西部地区受人类活动影响较少,植被覆盖稀疏,XCO2全年变化仅5 ppm。

夏季青藏高原O_3低值与南亚高压东西振荡的关系

利用O3监测仪(Ozone Monitoring Instrument,OMI)卫星O3廓线资料和NCEP/NCAR再分析资料,研究了2006年夏季南亚高压偏西型和偏东型条件下青藏高原地区O3垂直结构和变化特征差异。结果表明,夏季南亚高压东西振荡与青藏高原O3分布存在密切的关系,在西(东)部型南亚高压条件下,夏季青藏高原地区大气、对流层和平流层O3柱总量低值中心均偏西(东),位于青藏高原西(东)部,尤其是在南亚高压最强的对流层顶附近,O3低值中心位于南亚高压中心。在西部型南亚高压条件下,低纬度地区含低浓度O3的空气不易到达高原上空,青藏高原上空的O3低值较弱。在东部型南亚高压条件下,从低纬度经中南半岛西北方向孟加拉湾带来的低纬地区低浓度O3,在青藏高原上空堆积,形成O3低值中心。因此,南亚高压东西振荡是影响青藏高原上空O3低值中心变化的重要因素之一,该研究对理解南亚高压东西振荡机制及提高我国气候预测具有一定的指导意义。

中国碳卫星数据的应用现状

中国碳卫星于2016年12月22日发射升空,标志着我国成为第三个具有空间CO_(2)监测能力的国家。TanSat搭载了超高光谱大气CO_(2)光栅光谱仪和云与气溶胶偏振成像仪,能够获取高精度的大气CO_(2)柱平均干空气混合比和太阳诱导叶绿素荧光数据产品。目前,TanSat卫星数据产品已通过中国碳卫星数据服务平台公开发布,在全球CO_(2)排放动态监测、碳通量估算及陆地生态系统植被研究等方面发挥着重要作用。

源碳观测数据融合与同化技术研究2014年度报告

该年度我们在863课题的支持下,研究工作持续进行,推出了可同化卫星柱浓度数据的中国碳通量/浓度联合数据同化系统Tan-Tracker,初步研制了Tan-Tracker的区域版本,完善了可同时同化地基-卫星数据的全球数据同化系统CT-China.

面向我国碳中和、碳达峰的大气甲烷观测卫星现状与发展趋势分析

甲烷(CH_(4))是辐射强迫仅次于二氧化碳(CO_(2))的重要温室气体,减少CH_(4)排放是控制全球增温,实现碳中和目标的必要手段。面对碳中和战略需求,快速定位排放源并定量监测CH_(4)排放量,准确估算全球和区域CH_(4)源汇分布,对减排措施的制定、实施和评价均具有重要的现实意义。此外,结合长期CH_(4)观测数据和气候系统模型探索大气CH_(4)浓度变化规律,是预测和积极应对气候变化的前提。IPCC 2006年国家温室气体清单指南2019修订版正式提出了利用“自上而下”方法计算通量、核验排放清单的方法,表明获取全球范围内的高精度高时空分辨率CH_(4)观测数据势在必行。为了实现碳中和目标,本文首先从大气CH_(4)研究需解决的几个关键科学问题入手,分析了CH_(4)的星载探测需求,总结了CH_(4)星载探测的现状和发展趋势,并简要介绍了中国第二代碳卫星的设计思路。同时,星载CH_(4)探测还依赖于高精度的反演算法提供可靠的数据产品,以实现监测和实际应用的目的。因此,本文进一步阐述了卫星遥感CH_(4)反演算法及相应数据产品在排放量监测和通量反演中的应用,论述了提升反演算法计算效率和精度,开发甲烷烟羽快速识别算法和建立通量反演算法的必要性。最后,本文从探测、数据获取和应用的角度进行总结,表明了CH_(4)卫星观测在碳中和目标实践中的科学应用潜能。

新冠肺炎疫情期间中国人为碳排放和大气污染物的变化

利用行业经济活动数据、1 580个地面监测站和6套卫星反演数据,分析了我国新冠肺炎疫情期间人为碳排放和主要大气污染物的变化。与2019年第一季度相比,2020年同期我国碳排放降低9.8%,其中交通部门降幅最大达到43.4%。与2019年2-3月相比,疫情期间全国地表臭氧浓度同比升高1.9 nL/L(5%),其中华北平原以降低为主,东南部地区以上升为主。PM2.5浓度同比下降12.6μg·m^-3(24.9%),其中长三角降幅最大。二氧化氮(NO2)的地面浓度和对流层柱浓度在京津冀、珠三角和长三角都降低20%~30%,体现了高低层的一致性。地面一氧化碳(CO)浓度同比降低17%,而对流层CO柱浓度升高2.5%,可能原因是境外生物质燃烧输送提升了我国南方高层大气的CO浓度。中东部地区气溶胶光学厚度显著降低,导致地表晴空短波辐射同比升高11.6 W·m^-2(9.6%)。

2008年冬季北京上空上对流层/下平流层臭氧的异常特征

利用国产GPSO3臭氧探空系统观测的大气臭氧探空资料和NCEP再分析资料,结合对天气形势、大气环流背景、高空位涡变化及对流层顶高度扰动的分析,深入研究了2008年冬季北京地区10~14 km高度范围内持续出现的臭氧次峰值及大气臭氧含量异常现象。结果表明：在2008年我国南方雪灾这一特殊时期,引起臭氧垂直分布持续出现次峰值现象及臭氧含量异常的主要原因是平流层空气强烈下沉运动及其与对流层的交换作用,而引起这种下沉运动及平流层—对流层交换则是由于该阶段特殊的天气背景,乌拉尔阻塞高压长时间维持,贝加尔湖到巴尔喀什湖一带横槽稳定存在,里海以东切断低压长期维持,造成冷空气长时间、稳定地南下影响北京上空臭氧的垂直分布。加之副热带急流的出现,北京正处于其入口区左侧,其上空有强烈的辐合下沉运动,有利于平流层空气向下输送。此次臭氧次峰值及臭氧含量异常的现象很好地说明,在冷空气天气过程的影响下,北京地区上空的平流层空气运动及其与对流层的交换十分活跃。

应用MIPAS/ENVISAT卫星遥感资料研究平流层爆发性增温过程中大气化学成分变化特征

2002年12月～2003年1月北半球高纬地区平流层发生了一次爆发性增温过程（SSW），使该地区的动力、热力场和大气化学成分的分布发生剧烈变化。选取了搭栽在欧洲环境探测卫星EN—VISAT上的对地遥感观测仪器麦克耳逊干涉被动大气探测仪（MIPAS）的观测数据，首先利用臭氧探空资料和再分析气象资料对MIPAS观测的臭氧和温度廓线资料进行了对比验证；其次使用该资料对此次SSW过程进行了研究。对比结果显示，MIPAS资料与NCEP和臭氧探空资料都有较好的一致性。在这次平流层爆发性增温事件中，增温过程随时间向下传播影响到平流层下层。N2O和CH4的水平和垂直浓度分布与位涡反映的极涡始终都有很好的一致性。O3和H2O的浓度分布也受到极涡的限制，O3体积混合比随增温而增大，有极涡外的O3进入极涡。NO2并未受到极涡分布的严格限制，在极区维持低浓度区。HNO3浓度场在极区显示为极大值，但并不与极涡对应。

甲烷柱浓度红外高光谱遥感反演与验证

甲烷(CH_(4))浓度变化是当前气候变化研究中的一个焦点问题。红外高光谱遥感技术已经成为探测大气CH_(4)浓度变化的重要技术手段。本文针对红外高光谱CH_(4)地基遥感反演技术,介绍了国际上重要的观测网络,包括TCCON(Total Carbon Column Observing Network),NDACC-IRWG(Network for the Detection of Atmospheric Composition Change-the Infrared Working Group)和COCCON(COllaborative Carbon Column Observing Network),讨论了这些观测网络的主要特点,包括观测仪器、波段设置、反演算法、产品特性等。针对红外高光谱CH_(4)浓度卫星遥感反演,概述了国际上的CH_(4)卫星遥感发展现状。同时,以日本GOSAT(Greenhouse gases Observing SATellite)卫星为例,探讨了卫星CH_(4)遥感地基验证工作中的关键技术,阐明了地基遥感对于卫星CH_(4)遥感产品改进的重要性。最后,利用TCCON香河站的观测资料,对最新版的TROPOMI(TROPOspheric Monitoring Instrument)卫星CH_(4)观测反演数据产品进行了地基验证,表明在华北地区TROPOMI CH_(4)柱浓度产品达到了其观测精度目标设定要求;TROPOMI观测得到的CH_(4)柱浓度年增长率要略高于TCCON的观测结果,两者相差0.263±0.172%/a;地基与卫星的差值具有季节变化特征,春季卫星的观测值大于TCCON观测值约0.3%,秋季卫星的观测值小于TCCON观测值约0.2%。

卫星遥感监测2003~2018年中国甲烷时空特征分析

为了更加充分地了解中国地区甲烷浓度的分布情况,利用C3S提供的甲烷浓度资料分析2003~2018年中国地区甲烷浓度的时空分布特征。结果表明:①甲烷浓度呈现东南高西北低的分布情况,甲烷浓度高值区主要分布在湖南、湖北、广西等地,低值区位于青海和西藏等地。我国甲烷浓度年际变化随时间呈增长趋势,2003~2006年甲烷浓度保持相对稳定,2007~2018年甲烷浓度出现明显的上升。②甲烷浓度具有明显的季节变化特征,夏秋季高于春冬季,其中秋季浓度最高为1781 ppbv,春季浓度最低为1748 ppbv。甲烷浓度的高峰值出现在8、9月份,低峰值出现在3、4月份。③为了更好地分析中国地区甲烷浓度,将我国分为六大地理区域,分别是东北地区、中南地区、华东地区、华北地区、西北地区、西南地区。其中,华东地区和中南地区的甲烷浓度较高,西北地区和西南地区的甲烷浓度较低。

碳中和目标下的若干地球系统科学和技术问题分析

碳中和作为21世纪最大规模的有序人类活动,亟待科学应对。文章从地球系统科学角度,讨论了支撑“碳达峰、碳中和”目标的大气、陆地和海洋相关的地球系统科学中的若干科学和技术问题及现存的知识不足。从地球系统模式、气候监测指标、温室气体监测技术、碳源/汇核算方法体系等方面,阐述了支撑碳中和的关键技术手段及现存的问题。基于目前存在的挑战和不足,建议深入理解气候系统多圈层相互作用过程和机制,完善地球系统理论与模式,从多圈层角度加强“碳达峰、碳中和”目标和气候变化理论基础;自主构建气候变化监测指标系统,研发温室气体监测与核查手段和平台,为碳中和目标提供先进的技术手段支撑。

温室气体的卫星遥感——进展与趋势

二氧化碳和甲烷减排是控制全球增温最核心的手段,传统的人为碳排放计算主要依赖于在线监测和清单算法,2019年第49届IPCC全会明确了利用大气观测通过"自上而下"通量计算对排放清单进行支撑和验证,因此了解大气遥感碳监测发展趋势以及同化反演技术方法成为了中国应对国际气候变化事务亟待探明的重要问题。根据卫星遥感技术发展进程和监测需求,将碳监测遥感的发展划分为3个阶段(1999年—2008年,2009年—2019年,2019年—),前两个阶段和第三阶段对应卫星分别为第一代和第二代温室气体监测卫星。本文在分析日本、美国、欧洲和中国第一代段碳监测卫星遥感探测技术发展进程的基础上,重点介绍了第二代卫星遥感探测技术的创新及其在探测精度、分辨率和覆盖率等方面提升。为了满足全球和区域人为碳排放监测的重大需求,需要优化反演算法提高精度、科学规划卫星的组网观测提升监测效率。同时也进一步阐述了如何依据组网观测的全球高精度、高时空分辨率的卫星数据,利用"自上而下"数据同化方法获得独立源汇信息来补充和验证清单。最后,指出了卫星高光谱遥感和新一代碳监测卫星的未来发展趋势及估算人为碳排放的潜力。

中国二氧化碳科学实验卫星高光谱探测仪光谱指标影响分析及优化方案

中国第一颗二氧化碳科学试验卫星(碳卫星:TanSat)将搭载高光谱分辨率的光栅光谱仪.信噪比、光谱分辨率、光谱范围和光谱采样频率是决定卫星遥感监测大气二氧化碳精度的核心指标.利用中国科学院大气物理研究所自主研发的碳卫星仪器指标模拟分析系统和短波红外反演算法,分析和论证了碳卫星二氧化碳探测仪的光谱指标对二氧化碳柱平均混合比(XCO2)反演精度的影响,并利用GOSAT卫星观测数据进行了XCO2的反演试验.研究表明,低光谱采样频率主要影响二氧化碳弱吸收带(1.61 m)观测精度,可以造成XCO2反演误差达到1 ppm(1 ppm=1 L L 1).通过降低光谱分辨率,将光谱采样频率提高至2.0以上可以有效降低采样频率的影响,为提高中国碳卫星的观测精度奠定了理论基础.

中国碳卫星大气CO_2反演方法:GOSAT数据初步应用

中国全球二氧化碳监测科学实验卫星(TanSat)预计将于2015年发射升空.针对TanSat的高精度遥感观测科学目标,基于最优估计理论建立能够监测全球碳源汇变化的大气二氧化碳混合比(XCO2)的高精度反演方法.利用碳源汇监测卫星(GOSAT)观测光谱数据开展了反演试验,XCO2反演值与中纬度地面观测结果(TCCON)的对比分析表明:90%的反演误差小于4ppm(1%)(1ppm=1LL1),与日本、美国的反演精度相当;同时,XCO2反演结果也表现出南、北半球碳浓度的季节变化特征.

基于静止轨道卫星监测中国大气污染物的模拟分析

针对对流层主要污染物(对流层臭氧、NO_2、SO_2及HCHO)的高分辨率、高频次监测需求,开展了基于静止轨道卫星监测中国大气污染物的模拟观测实验.在参考现有极轨卫星载荷的遥感监测能力和仪器参数基础上,根据静止卫星观测模型,利用正演辐射传输模式模拟观测光谱.根据最优估计反演理论,分析光谱仪的主要指标参数对各目标气体的反演敏感性和反演误差.基于各目标气体反演精度需求,提出光谱仪的观测波段、光谱分辨率和信噪比等关键指标参数的建议方案.为评估选定的光谱仪参数能否满足需求,利用大气化学输送模式模拟中国区域大气成分的三维分布,进行中国区域的模拟反演实验.结果表明,针对各目标气体,满足反演需求的实验数目均达到90%左右.臭氧总量和平流层臭氧的反演精度可达到2%,且各气体反演在太阳天顶角高于70°范围内仍可以获得有效数据.因此,我们所提出的静止卫星观测方案和仪器参数方案具有一定可行性,为优化将来中国静止轨道卫星光谱仪仪器指标提供了理论依据和模拟工具.

短波红外CO2反演辐射传输模式综述

高精度的辐射传输计算是保证短波红外卫星遥感反演CO2精度的重要因素之一。地球大气散射辐射一般是偏振的,传统的标量辐射传输模式计算精度无法满足需求;特别是针对美国OCO-2(Orbiting Carbon Observatory-2)、中国TanSat(全球二氧化碳监测科学实验卫星)等跟踪主平面仪器,矢量的辐射传输模式更为必要。在二氧化碳监测卫星的目标模式下,卫星观测角度变化较大,平行平面大气假设不再适用,需要采用伪球面近似以提高精度。本文对适用短波红外CO2反演的辐射传输模式进行总结。首先介绍了基于不同辐射传输方程数值解法的多种辐射传输模式发展概况。针对CO2反演对权重函数的需求,线性化模式可以提供解析权重函数和更为稳定高效的计算方案。接着,简要总结各种线性化矢量辐射传输模式,并进一步分析比较几种CO2反演中常用矢量模式的异同。最后,讨论CO2高精度反演对模式速度的需求和加速优化计算的必要性,对辐射传输加速算法研究现状进行总结。

哨兵5号欧洲业务二氧化硫产品在中国的准确性评估

2017年11月欧洲空间局发射的哨兵5号搭载了新一代光谱仪(对流层大气监测仪,TROPOMI),可实现包括二氧化硫(SO2)在内的对流层大气成分高空间分辨率全球监测.欧洲空间局提供的SO2数据(TROPOMI欧洲业务SO2产品)对中国大气污染监测有重要支撑作用,然而数据有效性尚需验证.通过对比地基多轴差分吸收光谱仪数据(MAX-DOAS)和生态环境部中国环境监测总站(国控站点)数据,发现该数据明显高估中国北方SO2浓度.相对于地基MAX-DOAS站点高估61%~140%,且相关性小于0.5,相对于国控站点平均高估约54.6%.进一步研究表明,反演算法是造成显著性差异的原因.为了检验TROPOMI高光谱数据的适用性,自主研发的最优化估计方法也用于处理光谱数据,反演得到的SO2柱总量(中国科学技术大学(中国科大)SO2产品)与地基MAX-DOAS的偏差大幅降低(-4.8%~22%),相关性显著提高(0.72~0.89).与国控站点数据的平均偏差更小,为-25.8%.TROPOMI欧洲业务SO2产品相对于中国科大SO2产品偏高41.3%,并且标示了更大范围的重污染区域,与中国SO2大幅减排的事实相悖.而中国科大SO2产品大大提高TROPOMI结果在中国应用的准确性和价值.

中国碳卫星:从太空观测诊断地球的呼吸

2016年12月22日,中国碳卫星在酒泉卫星发射基地成功发射升空并在轨运行,成为国际上第三颗具有高精度温室气体探测能力的卫星。

利用GOME-2卫星数据反演对流层臭氧

基于GOME-2level 1B数据利用最优估计反演算法获得了GOME-2臭氧廓线产品,分析了GOME-2对流层臭氧反演产品的误差和信息量等特征,并对比验证了紫外光谱仪GOME-2与热红外光谱仪TES反演的对流层臭氧柱总量及其敏感性。结果表明：GOME-2对流层臭氧柱总量反演随机误差在10%以内;GOME-2相对TES的对流层臭氧柱总量偏小5%~20%;晴空下GOME-2对流层臭氧反演的敏感性随高度增加而上升,接近TES的敏感性垂直分布;在有云条件下,GOME-2和TES的云下部分信号都被屏蔽,在云顶之上GOME-2臭氧反演敏感性明显高于热红外仪器TES。