基于GOSAT衛(wèi)星數(shù)據(jù)的大氣甲烷反演誤差分析及校正

卜婷婷，王先華，葉函函，江新華

中國科學(xué)院安徽光學(xué)精密機械研究所，中國科學(xué)院通用光學(xué)定標與表征技術(shù)重點實驗室，安徽 合肥 230031

基于GOSAT衛(wèi)星數(shù)據(jù)的大氣甲烷反演誤差分析及校正

卜婷婷，王先華*，葉函函，江新華

中國科學(xué)院安徽光學(xué)精密機械研究所，中國科學(xué)院通用光學(xué)定標與表征技術(shù)重點實驗室，安徽 合肥 230031

大氣甲烷(CH4)高精度反演受到多種因素的影響，其中地表特征和大氣狀態(tài)的不確定性是重要的影響因素，如地表反射率、溫度、濕度和壓力廓線。地表反射率受到諸多因素的影響，難以獲得精確的數(shù)據(jù)，會給反演結(jié)果帶來較大誤差。溫度、濕度和壓力廓線的不確定性亦是反演誤差的重要來源，由此產(chǎn)生的系統(tǒng)誤差難以避免，單獨利用CH4吸收帶進行反演難以消除此種誤差。針對各種參數(shù)不確定性的影響，本文提出比值光譜法和CO2吸收帶校正法進行校正。比值光譜法通過將絕對輻亮度譜轉(zhuǎn)化為比值光譜，抑制地表反射率在反演過程中的作用。CO2吸收帶校正法利用CO21.61 μm吸收帶，將CH4柱含量轉(zhuǎn)化為CH4體積混合比，校正溫度、濕度和壓力廓線不確定性引起的系統(tǒng)誤差。通過將兩種校正方法結(jié)合，可同時抑制地表反射率和溫度、濕度、壓力廓線不確定性產(chǎn)生的影響，減小反演誤差。利用溫室氣體觀測衛(wèi)星(GOSAT)的觀測數(shù)據(jù)進行大氣CH4反演，采用比值光譜法和CO2吸收帶校正上述誤差，結(jié)果顯示校正后的CH4體積混合比與GOSAT-Level2產(chǎn)品相當接近，反演精度可達-0.24%，反演結(jié)果較為穩(wěn)健可靠。研究表明，比值光譜法和CO2吸收帶校正法可有效校正地表特征和大氣狀態(tài)參數(shù)不確定性引起的誤差，提高大氣CH4反演精度。

遙感；CH4反演；誤差校正；比值光譜法；CO2吸收帶

引 言

大氣CH4是一種重要的溫室氣體，增溫作用強，其濃度變化不僅對大氣化學(xué)過程具有重要作用，而且影響著地氣系統(tǒng)的輻射平衡，同時會影響氣候和環(huán)境的變化。IPCC第四次評估報告指出，CH4的全球增溫潛勢是CO2的25倍，在全球溫室效應(yīng)中所起的作用約占20%[1]。自工業(yè)革命以來，大氣CH4濃度迅速增長，2007年全球大氣CH4平均濃度(即氣體體積百分比)已達1 789×10-9[2]，目前已是工業(yè)化前的兩倍多。人們現(xiàn)在還沒有完全掌握CH4的源匯分布及時空變化，因此近年來大氣CH4濃度變化受到國際廣泛關(guān)注，各國科學(xué)家紛紛采用各種方法監(jiān)測CH4濃度變化。研究大氣CH4濃度變化，對于了解CH4源匯及其變化規(guī)律，掌握大氣CH4時空分布，預(yù)測全球氣候變化具有重要意義[3]。

傳統(tǒng)的地基探測方法具有精度高、可靠性強等優(yōu)點，但是受到時間和空間的限制，缺乏對全球大范圍實時探測的能力，觀測結(jié)果很難用于全球CH4濃度分布研究。衛(wèi)星遙感監(jiān)測方式可以進行覆蓋全球的觀測，提供穩(wěn)定連續(xù)、全球尺度、時空一致性較好的數(shù)據(jù)[4]。針對衛(wèi)星觀測的這一優(yōu)勢，國際上先后研制了一系列衛(wèi)星遙感探測平臺，如大氣制圖掃描成像吸收分光計SCIAMACHY(scanning imaging absorption spectrometer for atmospheric chartography)，對流層輻射光譜儀TES(tropospheric emission spectrometer) ，紅外大氣探測干涉儀IASI(infrared atmospheric sounding interferometer)和碳監(jiān)測衛(wèi)星CarbonSat(carbon monitoring satellite)。2009年1月23日，日本發(fā)射了全球首顆專用溫室氣體觀測衛(wèi)星GOSAT(greenhouse gases observing satellite)。GOSAT衛(wèi)星的任務(wù)目標是觀測全球CO2和CH4的濃度分布，提高溫室氣體反演精度，進而定量分析溫室氣體源和匯的時空變化[5]。

在利用遙感數(shù)據(jù)進行反演的過程中，不可避免地會受到數(shù)據(jù)的測量誤差及各種參數(shù)不確定性的影響。衛(wèi)星觀測面對的大氣、地表影響較為復(fù)雜，獲取的大氣及地表參數(shù)很難保證其精確性，這使得大氣CH4反演易受外界因素干擾，直接影響反演精度。衛(wèi)星遙感反演實驗表明，儀器性能、大氣參數(shù)及地表特征是反演的三大主要誤差源[6]。衛(wèi)星遙感器接收到的信號是大氣及地表共同作用的結(jié)果，因此地表反射率是影響大氣CH4反演精度的重要因素[7]。大氣狀態(tài)參數(shù)不確定性是反演誤差的另一重要來源，由此會給反演結(jié)果帶來系統(tǒng)誤差，單獨利用CH4吸收帶進行反演難以消除此種誤差。為了抑制地表反射率和大氣狀態(tài)參數(shù)不確定性產(chǎn)生的影響，本文提出了比值光譜法和CO2吸收帶校正法進行校正。比值光譜法通過將絕對輻亮度譜轉(zhuǎn)化為比值光譜，抑制地表反射率在反演過程中的作用。CO2吸收帶校正法利用CO2作為參考氣體，將CH4柱含量轉(zhuǎn)化為CH4體積混合比，校正溫度、濕度和壓力廓線不確定性引起的系統(tǒng)誤差。通過將兩種校正方法結(jié)合，可同時抑制地表反射率和溫度、濕度、壓力廓線不確定性對反演結(jié)果的影響，減小反演誤差，提高反演精度。首先通過模擬光譜反演，研究了地表反射率和大氣狀態(tài)參數(shù)不確定性對反演結(jié)果的影響，然后介紹了比值光譜法和CO2吸收帶校正法并利用GOSAT衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)進行反演驗證，最后將反演結(jié)果與GOSAT-Level2產(chǎn)品進行了對比分析。

1 反演原理與方法

入射輻射能量在大氣傳播過程中會被氣體分子和氣溶膠吸收、散射，到達地面時會被地表反射，經(jīng)過一系列的能量重新分布，最終被衛(wèi)星遙感器接收。對衛(wèi)星遙感器接收到的信號進行處理，可得到對應(yīng)的入射光光譜。入射光光譜中包含了CH4的吸收特征，可從中獲取CH4濃度信息。

大氣CH4反演主要是根據(jù)觀測光譜反推CH4含量的過程，其本質(zhì)是通過比較模擬光譜和實測光譜的差異進行的。根據(jù)一定的遙感數(shù)據(jù)和先驗知識，采用Rodgers[8]提出的最優(yōu)估計方法計算大氣CH4濃度最優(yōu)解。前向模型F是利用大氣輻射傳輸模型計算模擬光譜的函數(shù)，它描述了入射輻射經(jīng)過大氣輻射傳輸，到達遙感器的全過程。衛(wèi)星觀測值y與模擬值F(x,b)關(guān)系如下

y=F(x,b)+ε

(1)

其中，x為待反演參數(shù)，b為前向模型參數(shù)，ε為觀測誤差。

利用高斯-牛頓迭代法最小化代價函數(shù)J(x)即可獲得CH4濃度的最優(yōu)估計值。代價函數(shù)如下

(2)

其中，xa是待反演參數(shù)x的先驗估計值，Sa是先驗估計值xa的協(xié)方差矩陣，Sε是觀測誤差ε的協(xié)方差矩陣。

2 地表反射率的影響及比值光譜法校正

2.1 地表反射率的影響

自然界中大多數(shù)地表是介于粗糙朗伯面和光滑鏡面之間的非朗伯面，它們的反射并非各向同性，而是具有明顯的方向性。Nicodemus[9]首次提出雙向反射率分布函數(shù)BRDF(bidirectional reflectance distribution function)的概念來描述物體的反射輻射分布，反映了地物反射率隨太陽入射角和衛(wèi)星觀測角的變化而變化的特征。在衛(wèi)星觀測BRDF過程中，影響因素眾多，難以獲得精確的地表反射率數(shù)據(jù)。此外，地表反射率數(shù)據(jù)仍受其他誤差源的影響，如儀器本身的測量誤差、大氣校正的誤差及地表反射率反演算法的誤差。

地表反射率是影響反演精度的重要因素，為了研究它對反演結(jié)果的影響，采用逐線積分輻射傳輸模型 (line-by-line radiative transfer model，LBLRTM)作為前向模型進行模擬研究，模型參數(shù)采用1976年美國標準大氣廓線。假設(shè)標準反射率為0.3，其對應(yīng)的反演結(jié)果為標準值，則反射率改變后的反演結(jié)果相對于標準值的偏差如圖1所示。從圖1中可以看出，地表反射率變化會對反演結(jié)果產(chǎn)生較大影響。當?shù)乇矸瓷渎试龃?%時，對應(yīng)的反演結(jié)果增大3.47%，當?shù)乇矸瓷渎试龃?0%時，對應(yīng)的反演結(jié)果增大28.26%。由此可知，傳統(tǒng)的絕對輻亮度法對反射率的變化較為敏感，地表反射率偏差對反演結(jié)果的影響較為明顯，因此本文提出比值光譜法來校正這種影響。

Fig.1 Effects of reflectance variations on CH4 retrieval

2.2 比值光譜法校正

太陽輻射通過大氣層受到氣溶膠散射及氣體吸收而減弱，假設(shè)衛(wèi)星觀測輻亮度與地表反射率近似成線性，則觀測輻亮度可近似表示為

Iν=γν(θ0,θ)Iν0exp(-mτCH4_ν)exp(-mτother_ν)

(3)

式中，γν(θ0,θ)為地表對θ0方向的入射輻射向θ方向反射的反射率，θ0為太陽天頂角，θ為觀測天頂角，Iν0為大氣頂?shù)奶栞椓炼?，m為大氣質(zhì)量因子，τCH4_ν為CH4光學(xué)厚度，τother_ν為氣溶膠及其他吸收氣體的光學(xué)厚度。τother_ν因受氣溶膠變化的影響而難以確定，Iν0也存在誤差，為抑制這些不確定因子的影響，采用比值光譜法進行校正[10]。

滿足一定條件的兩點的衛(wèi)星觀測光譜相比可抵消地表反射率，校正地表反射率不確定性對反演結(jié)果的影響。選取光譜曲線中近鄰的兩段為強吸收通道νj和近零吸收通道νj0，兩通道所對應(yīng)的儀器性能、大氣狀態(tài)及地表特征近似相同。將強吸收通道輻亮度Ij與近零吸收通道輻亮度Ij0進行比值，光譜比值后地表反射率被消除，其不確定性產(chǎn)生的影響得到校正[11]。

Rj=Ij/Ij0=(Isolar_j/Isolar_j0)·

exp[-m(τCH4_j-τCH4_j0)]exp[-m(τother_j-τother_j0)]

(4)

式中下標j和j0分別對應(yīng)通道νj和νj0。

以2013年7月至2013年8月中國部分地區(qū)(30°N—40°N，80°E—115°E)的GOSAT-FTS觀測數(shù)據(jù)為例，采用傳統(tǒng)的絕對輻亮度法和比值光譜法分別反演大氣CH4體積混合比，并與GOSAT-Level2數(shù)據(jù)產(chǎn)品進行對比，其中絕對輻亮度反演中的反射率來自中等分辨率成像光譜儀MODIS(moderate-resolution imaging spectroradiometer)產(chǎn)品，得到的結(jié)果如圖2所示。

Fig.2 CH4mixing ratio retrieved by absolute radiance method and ratio spectrometry method

從圖2中可明顯看出，傳統(tǒng)的絕對輻亮度法對應(yīng)的反演結(jié)果誤差嚴重，離散度也很高，其反演誤差平均值為42.02%，標準差為571.93×10-9，如此大的反演誤差和離散程度導(dǎo)致反演結(jié)果不可靠，無法從中獲取準確的CH4濃度信息。而比值光譜法的反演誤差平均值為-4.05%，標準差為84.31×10-9。比值光譜法的反演結(jié)果與GOSAT-Level2較為接近，離散度也較低，反演結(jié)果較為可靠。兩種方法的反演結(jié)果表明，地表反射率的較大偏差會導(dǎo)致模擬輻亮度與實測輻亮度差異較大，從而使絕對輻亮度法的反演結(jié)果存在較大誤差。相比而言，比值光譜法可有效抑制地表反射率不確定性的影響，對于反演結(jié)果的誤差均值和離散程度，都有很大改善，使得反演精度大幅度提高。

3 系統(tǒng)誤差的影響及CO2吸收帶校正

3.1 系統(tǒng)誤差的影響

精確獲取每次反演時的大氣溫度、濕度和壓力廓線較為困難，由此帶來的系統(tǒng)誤差難以避免，這種誤差在實際反演中難以通過多組數(shù)據(jù)平均法消除。為了研究大氣溫度、濕度和壓力對反演結(jié)果的影響，以1976年美國標準大氣廓線為模型參數(shù)進行模擬研究，前向模型采用LBLRTM。以1976年標準大氣廓線對應(yīng)的反演結(jié)果為標準值，在此基礎(chǔ)上對溫度、濕度和壓力廓線進行適當改變，利用這些數(shù)據(jù)反演CH4濃度，分析相對于1976年標準大氣狀態(tài)，溫度、濕度和壓力不確定性帶來的誤差影響。經(jīng)過模擬研究可知，當溫度增加5 K時，對應(yīng)的反演誤差為2.90%，當溫度增加20 K時，對應(yīng)的反演誤差為12.09%。當壓力增加5 hPa時，對應(yīng)的反演誤差為-3.32%，當壓力增加20 hPa時，對應(yīng)的反演誤差為-11.79%。當濕度增加1倍時，對應(yīng)的反演誤差為-0.30%，當濕度增加5倍時，對應(yīng)的反演誤差為-1.27%。由此可見，溫度、濕度和壓力廓線不確定性產(chǎn)生的誤差在CH4反演中不可忽略。這種系統(tǒng)誤差制約著CH4反演精度的提高，單獨利用CH4吸收帶進行反演難以消除此種影響，因此需用其他波段氣體進行校正。

3.2 CO2吸收帶校正

溫度、濕度和壓力廓線不確定性引起的系統(tǒng)誤差對波長的依賴較弱，對其他波段氣體的作用機理相似，因此可以選擇其他波段的氣體作為參考，校正系統(tǒng)誤差的影響[12]。CO2在空氣中的含量遠大于CH4，觀測精度可達1%[13]，而CH4的反演精度要求為2%，并且CO21.61 μm吸收帶與CH41.64 μm吸收帶較為接近。若在相同的假設(shè)條件下反演CH4和CO2，則會產(chǎn)生同源誤差。利用反演的CO2柱含量將CH4柱含量轉(zhuǎn)化為CH4體積混合比，就能很大程度地減小系統(tǒng)誤差的影響，提高大氣CH4反演精度。因此，CO2柱含量可以作為CH4體積混合比的獲取手段，CH4的體積混合比可利用如下公式獲得

(5)

其中，VCH4和VCO2為CH4和CO2的柱含量，XCH4和XCO2為CH4和CO2的體積混合比。

利用與2.2節(jié)相同的GOSAT-FTS觀測數(shù)據(jù)，采用CO2吸收帶校正法和CH4單吸收帶法分別進行大氣CH4反演，并將兩種方法的反演結(jié)果與GOSAT-Level2數(shù)據(jù)產(chǎn)品進行對比分析。

Fig.3 Comparison of CH4column amounts, CO2column amounts retrieved with GOSAT-Level2 product

圖3為反演的CH4柱含量、CO2柱含量與對應(yīng)的GOSAT-Level2產(chǎn)品的對比圖，表1為對這些數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計的結(jié)果。由圖3和表1可知，CH4柱含量與GOSAT-Level2產(chǎn)品存在系統(tǒng)偏差，CH4柱含量比GOSAT-Level2產(chǎn)品總體偏低，偏差為-5.14%。CO2柱含量也相對于GOSAT-Level2產(chǎn)品總體偏低，偏差為-3.85%。這種系統(tǒng)偏差可能是由大氣狀態(tài)數(shù)據(jù)的誤差引起的。

Table 1 Statistical results of CH4column amounts, CO2column amounts retrieved and GOSAT-Level2 product

ColumnamountsVCH4meanvalue/(mol·cm-2)VCO2meanvalue/(mol·cm-2)GOSAT-Level23.11×10196.67×1021Retrievalresult2.95×10196.41×1021Systematicerror/%-5.14-3.85

Fig.4 Comparison of CH4 mixing ratio retrieved with GOSAT-Level2 product

利用CO2柱含量將CH4柱含量轉(zhuǎn)化為體積混合比XCH4，并將其與GOSAT-Level2產(chǎn)品進行對比，得到的結(jié)果如圖4所示。通過圖4可以看出，校正前XCH4與GOSAT-Level2產(chǎn)品存在系統(tǒng)誤差，校正后XCH4與GOSAT-Level2產(chǎn)品相當接近，系統(tǒng)誤差被消除。GOSAT-Level2產(chǎn)品的XCH4平均值(作為參考標準)為1 825.01×10-9，校正前XCH4的平均值為1 751.26×10-9，偏差為-4.05%，校正后XCH4的平均值為1 820.62×10-9，偏差僅為-0.24%，與校正前相比偏差降低了3.81%，系統(tǒng)誤差得到良好抑制。此外，通過CO2吸收帶校正，反演結(jié)果的波動性也相對減小，標準差從校正前的84.31×10-9降低至33.42×10-9。校正前后的結(jié)果表明，CH4單吸收帶的反演結(jié)果存在系統(tǒng)誤差，CO2吸收帶的校正效果顯而易見，不僅使總體誤差減小，也使離散程度降低，反演結(jié)果相當可靠。

4 結(jié) 論

大氣CH4反演的影響因素復(fù)雜多變，地表反射率和溫度、濕度、壓力廓線不確定性會給反演結(jié)果帶來不可忽略的誤差，嚴重制約著反演精度的提高。針對上述因素的影響，提出比值光譜法和CO2吸收帶校正法進行校正。采用這兩種方法對GOSAT衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)進行反演，結(jié)果顯示校正后的CH4反演精度有較大提高，反演結(jié)果較為穩(wěn)健可靠。這表明比值光譜法和CO2吸收帶校正法可有效校正地表反射率和大氣狀態(tài)參數(shù)不確定性引起的誤差，提高大氣CH4反演精度。本文提出的誤差校正方法，對研究大氣CH4高精度反演和全球CH4濃度時空分布具有一定的參考價值，后續(xù)工作中將進一步深入研究其他誤差源的影響，繼續(xù)完善反演方法，提高反演精度。

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*Corresponding author

Errors Analysis and Correction in Atmospheric Methane Retrieval Based on Greenhouse Gases Observing Satellite Data

BU Ting-ting，WANG Xian-hua*，YE Han-han，JIANG Xin-hua

Key Laboratory of Optical Calibration and Characterization，Anhui Institute of Optics and Fine Mechanics，Chinese Academy of Sciences，Hefei 230031，China

High precision retrieval of atmospheric CH4is influenced by a variety of factors. The uncertainties of ground properties and atmospheric conditions are important factors, such as surface reflectance, temperature profile, humidity profile and pressure profile. Surface reflectance is affected by many factors so that it is difficult to get the precise value. The uncertainty of surface reflectance will cause large error to retrieval result. The uncertainties of temperature profile, humidity profile and pressure profile are also important sources of retrieval error and they will cause unavoidable systematic error. This error is hard to eliminate only using CH4band. In this paper, ratio spectrometry method and CO2band correction method are proposed to reduce the error caused by these factors. Ratio spectrometry method can decrease the effect of surface reflectance in CH4retrieval by converting absolute radiance spectrometry into ratio spectrometry. CO2band correction method converts column amounts of CH4into column averaged mixing ratio by using CO21.61 μm band and it can correct the systematic error caused by temperature profile, humidity profile and pressure profile. The combination of these two correction methods will decrease the effect caused by surface reflectance, temperature profile, humidity profile and pressure profile at the same time and reduce the retrieval error. GOSAT data were used to retrieve atmospheric CH4to test and validate the two correction methods. The results showed that CH4column averaged mixing ratio retrieved after correction was close to GOSAT Level2 product and the retrieval precision was up to -0.24%. The studies suggest that the error of CH4retrieval caused by the uncertainties of ground properties and atmospheric conditions can be significantly reduced and the retrieval precision can be highly improved by using ratio spectrometry method and CO2band correction method.

Remote sensing；CH4retrieval；Error correction；Ratio spectrometry；CO2band

Sep. 5, 2014; accepted Dec. 20, 2014)

2014-09-05，

2014-12-20

國家自然科學(xué)基金項目(41175037)資助

卜婷婷，女，1990年生，中國科學(xué)院安徽光學(xué)精密機械研究所碩士研究生 e-mail：anningjin@126.com *通訊聯(lián)系人 e-mail：xhwang@aiofm.ac.cn

P407

A

10.3964/j.issn.1000-0593(2016)01-0186-05