高分五號衛(wèi)星GMI大氣CO2反演方法

葉函函,王先華,吳時(shí)超,李超,李志偉,施海亮,熊偉

(中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所,中國科學(xué)院通用光學(xué)定標(biāo)與表征技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,安徽 合肥 230031)

0 引言

二氧化碳(CO2)是大氣中主要的溫室氣體,對全球氣候變化具有重要的影響。自工業(yè)時(shí)代以來,大氣中CO2濃度已增長約30%,且保持著持續(xù)增長的趨勢。國際權(quán)威機(jī)構(gòu)“聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會(huì)(IPCC)”第五次評估報(bào)告肯定地指出,溫室氣體已成為自20世紀(jì)中期以來氣候變暖的主要原因,氣候變暖將引起海平面上升、熱極端事件和強(qiáng)降水頻發(fā)、全球受旱面積擴(kuò)大等一系列的災(zāi)難[1]。準(zhǔn)確掌握大氣中CO2的含量及其變化,將可為氣候變化的預(yù)測以及環(huán)境決策提供支持。

衛(wèi)星觀測具備全球覆蓋和高采樣頻率的特點(diǎn),可在全球尺度上對大氣CO2開展廣范圍、長時(shí)間的持續(xù)監(jiān)測。近年來大氣CO2遙感衛(wèi)星監(jiān)測平臺(tái)迅速發(fā)展,目前國內(nèi)外已有多顆專用于大氣CO2及其它溫室氣體探測的衛(wèi)星,如日本的溫室氣體觀測衛(wèi)星GOSAT(Greenhouse gases observing satllite)、美國的OCO-2(Orbiting Carbon Observatory-2)、中國的碳衛(wèi)星(TanSat)、風(fēng)云3號衛(wèi)星(FY-3D)和高分五號衛(wèi)星(GF-5)等[2]。

搭載于GF-5上的溫室氣體探測儀GMI,采用新型的觀測技術(shù)—空間外差干涉光譜技術(shù)獲取超分辨率光譜,實(shí)現(xiàn)大氣CO2和CH4的觀測?？臻g外差干涉光譜技術(shù)于1990年由Harlander[3]首次提出,該技術(shù)利用靜態(tài)光柵代替?zhèn)鹘y(tǒng)傅里葉光譜儀中的動(dòng)鏡,具有高通量、高光譜分辨率的優(yōu)勢,且結(jié)構(gòu)緊湊穩(wěn)定。其后中科院安光所開始研究空間外差光譜技術(shù),并開發(fā)了基于空間外差光譜技術(shù)的大氣溫室氣體探測儀,于2018年成功研制出大氣主要溫室氣體探測儀GMI,搭載于GF-5衛(wèi)星開始全球大氣CO2和CH4的觀測[4]。

為滿足氣候研究的需求,衛(wèi)星探測CO2濃度月平均結(jié)果的精度在1000 km×1000 km區(qū)域尺寸上要優(yōu)于1%。CO2濃度和梯度相對于濃度背景均較小,全球區(qū)域尺度上大氣CO2柱平均干空氣混合比(XCO2)精度達(dá)到1%或更高,才能較好地降低其在氣候研究中的不確定性[5,6]。然而,衛(wèi)星觀測面臨的環(huán)境復(fù)雜,其反演精度受到大氣、地表以及儀器特征的綜合影響,要實(shí)現(xiàn)GMI觀測數(shù)據(jù)的高精度反演,是亟待解決的重要問題。

本文針對空間外差干涉光譜不同于常規(guī)色散型光譜的特性,結(jié)合高信噪比優(yōu)勢,設(shè)計(jì)了針對空間外差干涉光譜的反演方法,并對反演結(jié)果開展地面精度驗(yàn)證,分析GMI儀器的觀測精度和誤差特征。

1 觀測數(shù)據(jù)介紹

GMI觀測的是地表反射的超分辨率太陽光譜,包含近紅外(NIR)和短波紅外(SWIR-1、SWIR-2、SWIR-3)共四個(gè)觀測波段,中心波長分別為0.76、1.58、1.65、2.0μm。0.76μm的可見光波段用來提供地表壓力、云和氣溶膠信息;1.58μm和1.65μm的近紅外波段用來估計(jì)大氣CO2和CH4的柱濃度;2.0μm的近紅外波段可提供氣溶膠及CO2信息。四個(gè)波段的光譜分辨率分別為0.035、0.067、0.067、0.113 nm。GMI 4個(gè)觀測波段的光譜特征如表1所示。

表1 GMI 4個(gè)觀測波段的光譜特征Table 1 Spectral parameters of four channels of GMI

GMI運(yùn)行在705 km的太陽同步軌道上,過境時(shí)間為當(dāng)?shù)?3:30。GMI星下點(diǎn)的空間分辨率為10.5 km。GMI使用擺動(dòng)掃描方式,對星下交軌方向上多個(gè)點(diǎn)進(jìn)行采樣,圖1展示了常用的星下5點(diǎn)觀測模式。在北緯30°處,5點(diǎn)觀測模式中沿軌方向測點(diǎn)間隔102 km,交軌方向測點(diǎn)間隔230 km。

圖1 GMI 5點(diǎn)觀測模式對應(yīng)觀測點(diǎn)分布Fig.1 GMI grid point observations in the 5-point cross-track scan mode

2 反演方法

GMI大氣CO2反演是從GMI觀測輻亮度光譜中推算出大氣CO2柱濃度,反演流程如圖2所示。首先對GMI觀測數(shù)據(jù)開展質(zhì)量分析和篩選,然后對有效觀測開展衛(wèi)星觀測的模擬和氣體反演計(jì)算,獲得大氣CO2柱濃度。

圖2 GMI XCO2反演方法流程圖Fig.2 Flow chart of GMI XCO2retrieval algorithm

2.1 數(shù)據(jù)篩選

衛(wèi)星觀測對應(yīng)的太陽天頂角小于70°、氣溶膠光學(xué)厚度小于0.3且無云污染才能滿足反演質(zhì)量要求。氣溶膠光學(xué)厚度來自于同衛(wèi)星平臺(tái)上的大氣多角度偏振探測儀(Directional polarimetric camera,DPC)氣溶膠產(chǎn)品。無云污染數(shù)據(jù)的篩選是基于GMI與DPC的聯(lián)合云檢測[7]。

2.2 前向模擬

大氣CO2衛(wèi)星觀測前向模型包括輻射傳輸模型、太陽模型和儀器模型。大氣輻射傳輸模型采用超高光譜分辨率的SCIATRAN v3.5,模型內(nèi)嵌逐線積分氣體吸收計(jì)算模塊和大氣散射計(jì)算模塊。結(jié)合GeoffToon高分辨率太陽模型[8],可模擬儀器入瞳處的輻亮度光譜。大氣輻射傳輸軟件計(jì)算的光譜與GMI儀器線型函數(shù)進(jìn)行卷積運(yùn)算,即可獲得GMI觀測的模擬光譜。

2.3 反演計(jì)算

2.3.1 光譜信息分析

GMI衛(wèi)星觀測光譜各通道對應(yīng)的大氣CO2、溫度、濕度和地表壓力的香農(nóng)信息含量計(jì)算公式為

式中:K代表權(quán)重函數(shù),不同參數(shù)的權(quán)重函數(shù)表示對應(yīng)參數(shù)單位擾動(dòng)導(dǎo)致仿真光譜的變化量;Sa代表先驗(yàn)協(xié)方差矩陣,該矩陣為對角陣,對角線上元素為各參數(shù)波動(dòng)范圍的平方;Se是測量誤差協(xié)方差矩陣,該矩陣同樣為對角陣,對角線上元素為光譜各通道對應(yīng)儀器噪聲的平方。

利用大氣CO2、溫度、濕度和地表壓力的香農(nóng)信息含量HCO2、HT、HR和HP,計(jì)算綜合香農(nóng)信息含量

式中:w代表各參數(shù)信息含量的權(quán)重。計(jì)算用于CO2含量反演的信息時(shí),w1取3,w2–w4均取?1;計(jì)算用于背景扣除的信息時(shí),w1取7,w2–w4均取1。

2.3.2 光譜數(shù)據(jù)處理

通過如下處理方法對反演中的實(shí)測或模擬的絕對輻亮度光譜Y進(jìn)行重構(gòu),獲得的輻亮度比值譜R為

式中:i代表各光譜通道,共18個(gè)。Yon代表用于CO2含量反演的大氣CO2信息譜,Yoff代表用于背景扣除的參考譜。

大氣CO2信息譜是由用于CO2含量反演的綜合香農(nóng)信息含量靠前的18個(gè)通道組成,每個(gè)通道的值由該通道及周邊4個(gè)通道的平均值代表,如圖3菱形點(diǎn)所示,從而構(gòu)建信息譜輻亮度矩陣Yon。參考譜是由用于背景扣除的綜合香農(nóng)信息含量靠后的18個(gè)通道組成,每個(gè)通道的值由該通道及周邊10個(gè)通道的平均值代表,如圖3叉形點(diǎn)所示,從而構(gòu)建參考譜輻亮度矩陣Yoff。

圖3 GMI光譜中的信息譜和參考譜Fig.3 Information pieces and reference pieces of GMI spectrum

2.3.3 反演算法

大氣CO2反演采用最優(yōu)化估計(jì)反演算法,對GMI觀測光譜和模擬光譜開展迭代計(jì)算,獲得XCO2的值。GMI觀測光譜y可表示為

式中:F代表前向模型,狀態(tài)向量x代表大氣CO2廓線,ε代表GMI觀測誤差。

最優(yōu)化估計(jì)反演算法是尋找給定y下,狀態(tài)向量x的后驗(yàn)概率密度函數(shù)最大所對應(yīng)的值,即最大似然解,也就是滿足如下代價(jià)函數(shù)χ2最小的解,

式中:RF(x)代表由前向模型計(jì)算的模擬譜經(jīng)式(3)轉(zhuǎn)換獲得的模擬輻亮度比值譜,Ry代表y根據(jù)式(3)轉(zhuǎn)換獲得的實(shí)測輻亮度比值譜;觀測誤差協(xié)方差Se代表模型和測量的不確定性;先驗(yàn)誤差協(xié)方差Sa代表先驗(yàn)估計(jì)xa的不確定性。

采用Levenberg-Marquardt迭代法求解上式[9],迭代形式為

式中:下標(biāo)i代表第i次迭代;K=?RF(x)/?x為雅克比矩陣,是RF(x)的偏導(dǎo)數(shù),γ是Levenberg-Marquardt參數(shù)。γ初值設(shè)為10.0,在x的每次迭代后,根據(jù)Rodgers的更新策略進(jìn)行調(diào)整。x根據(jù)上式進(jìn)行迭代計(jì)算,直至x的更新量低于0.01%時(shí)可認(rèn)為滿足收斂,終止迭代。迭代獲得的CO2廓線,利用壓力權(quán)重函數(shù)p進(jìn)行求和可獲得XCO2,其表達(dá)式為

3 反演結(jié)果及驗(yàn)證

利用設(shè)計(jì)的反演方法對2018年9月份全球的GMI觀測光譜數(shù)據(jù)開展反演。2018年9月份GMI陸地觀測數(shù)據(jù)7797個(gè),數(shù)據(jù)篩選后有效數(shù)據(jù)有2667個(gè),對應(yīng)XCO2反演結(jié)果如圖4所示。

圖4 2018年9月GMI XCO2觀測結(jié)果Fig.4 Distribution of the GMI XCO2retrieval results of September 2018

GMI全球XCO2反演結(jié)果均值為403.65×10?6,大氣CO2濃度南北半球相當(dāng),北半球中低緯和南半球中低緯濃度分別是404.08×10?6和403.4×10?6,可能是夏季北半球植物光合作用的影響。

采用長時(shí)間序列(2018年8月–2019年3月)的GMI觀測結(jié)果開展精度驗(yàn)證,以高精度TCCON地基站點(diǎn)測量的大氣CO2濃度作為參考[10]。以TCCON站點(diǎn)為中心,GMI觀測點(diǎn)落在其經(jīng)緯度±5°的范圍內(nèi),且TCCON觀測時(shí)間和GMI過境時(shí)間相差在1小時(shí)內(nèi),設(shè)置為匹配準(zhǔn)則。

GMI匹配到12個(gè)TCCON站點(diǎn),含有充足的數(shù)據(jù)可以開展誤差分析,這些站點(diǎn)的分布以及對應(yīng)GMI驗(yàn)證情況如表2所示。GMI反演結(jié)果與各站點(diǎn)處測量CO2濃度相比,反演精度均優(yōu)于1%。經(jīng)TCCON所有站點(diǎn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證可知,GMI反演結(jié)果的平均絕對誤差為2.72×10?6,相對誤差是0.67%。

表2 TCCON驗(yàn)證站點(diǎn)的分布及其與GMI大氣CO2反演結(jié)果的比較Table 2 The location of the TCCON stations and comparison with GMI XCO2retrievals

GMI反演結(jié)果與所有站點(diǎn)的測量比較結(jié)果如圖5所示,由圖可看出,與高緯度站點(diǎn)的測量相比,GMI反演結(jié)果整體偏高,且離散性較大。高緯度處的衛(wèi)星觀測對應(yīng)的能量弱,噪聲影響大,且大氣光程長,面臨的大氣干擾往往較復(fù)雜,反演算法對長光程復(fù)雜大氣干擾的校正不足,均可能導(dǎo)致反演結(jié)果的強(qiáng)離散性。

圖5 GMI XCO2反演結(jié)果與TCCON站點(diǎn)測量結(jié)果的比較Fig.5 Comparison of GMI XCO2retrieval results and TCCON measurements

4 結(jié)論

根據(jù)GMI儀器數(shù)據(jù)特點(diǎn)以及大氣CO2高精度衛(wèi)星遙感需求,設(shè)計(jì)了針對空間外差干涉光譜的大氣CO2反演方法。通過分析光譜通道對應(yīng)的大氣CO2、溫度、濕度和地表壓力的香農(nóng)信息含量,構(gòu)建出用于大氣CO2反演的信息譜以及用于背景扣除的參考譜,從而實(shí)現(xiàn)了GMI大氣CO2的反演,且受大氣溫度和濕度的影響小。該方法使得GMI光譜具備緩變背景扣除功能,解決了GMI大氣CO2反演的問題。

利用設(shè)計(jì)的反演方法對2018年8月至2019年3月的GMI全球觀測數(shù)據(jù)開展反演,該反演方法可穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)GMI衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)的反演。反演結(jié)果經(jīng)12個(gè)TCCON觀測站點(diǎn)地面大氣CO2測量的驗(yàn)證,獲得GMI大氣CO2反演精度在0.34%～0.98%之間,平均絕對誤差為2.72×10?6,平均相對誤差是0.67%,達(dá)到精度優(yōu)于1%的應(yīng)用需求。在嚴(yán)格的數(shù)據(jù)質(zhì)量篩選準(zhǔn)則下實(shí)現(xiàn)的GMI衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)高精度反演,在一定程度上降低了有效產(chǎn)品量,且目前的反演算法對長光程復(fù)雜大氣干擾的校正能力不足,未來有待篩選策略和反演校正算法的改進(jìn),以提高數(shù)據(jù)的利用率和反演能力,實(shí)現(xiàn)應(yīng)用支持。