2009-2020年基于GOSAT卫星的全球中低纬二氧化碳柱浓度数据集

为应对日益加剧的温室效应问题,全球各国联合签署了《巴黎协定》,我国也制定了碳达峰、碳中和的计划和政策。二氧化碳作为最主要的温室气体,是国际关注的重点。因此,获得高精度、高分辨率的二氧化碳柱浓度时空分布图对于推进“自上而下”评估碳源、碳汇、碳中和的研究至关重要。本研究利用GOSAT卫星全球数据,通过迁移学习理论,将时间信息作为先验廓线融入空间信息,对空间预测信息进行调整,得到高准确度的二氧化碳柱浓度时空预测结果。与中低纬的TCCON站点数据对比,本算法最终得到的月均二氧化碳柱浓度图指标的综合结果R为0.98,RMSE为1.38 ppm,空间分辨率为0.25°。本数据集由2009–2020年月均二氧化碳柱浓度文件组成,包含136个h5文件,可应用于长时间序列的碳源和碳汇计算。

基于OCO-3卫星观测的上海CO_(2)柱浓度特征分析

随着卫星遥感技术的发展,城市内部的二氧化碳柱浓度(XCO_(2))时空特征逐渐能够被识别。本研究基于轨道碳观测卫星(OCO-3)快拍(SAM)模式XCO_(2)观测数据,探讨了上海市2020—2022年XCO_(2)的时空分布特征以及该数据对于火电厂CO_(2)烟羽信号来源识别的能力。结果表明,上海市XCO_(2)呈现春季>冬季>夏季的特征,上海市XCO_(2)年均值为418.3×10^(-6),高于华东地区的年平均值。从XCO_(2)空间分布差异来看,中部和东北部是上海冬季XCO_(2)的高值区域,这主要是由于城市中部人口密集,北部沿江区域大型电厂较为集中,在冬季盛行风西北风的作用下,CO_(2)被传输至东部沿江多个行政区域。此外,结合近地面风场、CO_(2)人为排放清单、电厂点源信息、对流层监测仪器(TROPOMI)卫星观测数据等,证实了OCO-3快拍模式具有探测到重点点源信号的能力。

基于机器学习的星载短波红外CO_(2)柱浓度估算

利用OCO-2卫星遥感数据、全球碳柱总量观测网(TCCON)站观测数据、NDVI归一化植被指数数据、ERA5大气数据,采用决策树和集成学习(XGBoost、普通随机森林、极端随机森林、梯度提升)对二CO_(2)平均柱浓度进行预测.通过相关性分析、特征选择与特征提取,建立模型预测CO_(2)平均柱浓度,再与TCCON站点的地基观测数据进行比对.通过分析不同模型(决策树、XGBoost、普通随机森林、极端随机森林、梯度提升)预测的结果,发现使用极端随机森林回归模型预测CO_(2)平均柱浓度的精度最高,R^(2)、均方根误差(RMSE)、平均绝对误差(MAE)、平均相对误差(MRE)分别为:0.953、0.492×10^(-6)、0.260×10^(-6)、0.063%,其余模型次之,因此对极端随机森林回归模型的预测性能随自身参数的影响进行了分析,结果表明,在误差允许的范围内(±2×10^(-6)),极端随机森林回归模型和梯度提升回归模型预测的准确率一样,都为98.10%.由于CO_(2)的背景浓度较高,而边界层内CO_(2)浓度的空间差异相对较小,因此需要进一步缩小误差的范围,在±1×10^(-6)误差范围内,极端随机森林回归模型和梯度提升预测的准确率分别为91.82%和90.51%.所以采用极端随机森林算法预测CO_(2)柱浓度的结果更好,精度更高,符合CO_(2)预测的精度要求.

1.57μm IPDA激光雷达云回波信号CO_(2)柱浓度测量研究

路径积分差分吸收(IPDA)激光雷达可装载于飞机或卫星上探测大范围大气CO_(2)浓度,具有全天时和探测精度高的优势。全球云的平均覆盖率可达60%,因此在激光穿透大气射向地面的探测过程中,除了地面和海洋回波信号,还有很多云层回波信号。结合机载大气探测激光雷达(ACDL)信号采集特点,针对复杂的云层回波信号,提出一种基于中位数绝对偏差的离群值筛选法提取信号,可分离多层云回波信号及云层与地面回波信号同时存在的信号。分析云信号的探测能力,并利用云层回波信号积分值反演云上CO_(2)柱浓度,结果与原位测量仪测量结果变化趋势一致,二者偏差为2.8μL/L。

地表反照率对短波红外探测大气CO2的影响

在卫星短波红外遥感二氧化碳的过程中,表征地表特征的地表反照率是影响探测精度的重要参数之一.针对温室气体二氧化碳高精度探测的需求,本文研究了地表反照率对正演模拟光谱和反演近地面二氧化碳平均柱浓度XCO_2的影响.模拟计算结果显示,地表反照率数值增大时,观察的光谱强度也相应增大,并且在O_2-A波段造成的光谱差异比1.6μm波段高出一个数量级,即地表反照率在O_2-A波段的影响比较大.选取了两个不同地表类型的实际观测光谱,仅改变O_2-A波段和1.6μm波段地表反照率数值,得出草地点在O_2-A波段地表反照率达到0._25的误差时,会给XCO_2的反演结果造成大于1%的相对误差,而1.6μm波段的地表反照率变化对XCO_2的反演结果造成的误差可以忽略不计,说明了地表反照率在反演XCO_2过程中的重要性主要来自对O_2-A波段的影响.此研究表明了地表反照率在卫星遥感温室气体过程中的重要性,为提高遥感探测二氧化碳的精度提供了重要的理论依据和指导.