榮飄，張淳民*，劉冬冬，栗彥芬

（1.西安交通大學(xué)空間光學(xué)研究所，陜西西安710049；2.西安交通大學(xué)理學(xué)院，陜西西安710049）

三峽庫區(qū)CO2平均柱濃度的衛(wèi)星和地面觀測(cè)研究

榮飄1，2，張淳民1，2*，劉冬冬1，2，栗彥芬1，2

（1.西安交通大學(xué)空間光學(xué)研究所，陜西西安710049；2.西安交通大學(xué)理學(xué)院，陜西西安710049）

大型水庫會(huì)對(duì)CO2釋放和吸收產(chǎn)生影響。研究三峽水庫的CO2源匯效應(yīng)是近年來的一個(gè)熱點(diǎn)問題。重慶涪陵是三峽庫區(qū)的腹心區(qū)域。在這一區(qū)域進(jìn)行CO2測(cè)量具有科學(xué)研究?jī)r(jià)值和環(huán)境保護(hù)應(yīng)用意義。本文分析比較衛(wèi)星和地面高光譜觀察CO2平均柱濃度（XCO2）的方法及其結(jié)果。對(duì)擬在重慶涪陵站點(diǎn)設(shè)置的地面高光譜儀器采用改進(jìn)的SCIATRAN大氣輻射傳輸模型進(jìn)行天頂觀察模式模擬，得到模擬光譜和反演的XCO2，并與日本GOSAT衛(wèi)星觀察的XCO2數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。結(jié)果表明，兩者的誤差為1.22 ppm（parts per million，×10-6），滿足碳源匯研究的精度要求。這一結(jié)果為衛(wèi)星觀察資料應(yīng)用于三峽庫區(qū)CO2探測(cè)和碳源匯效應(yīng)研究提供了技術(shù)支撐。

地面觀測(cè)模擬；CO2；SCIATRAN

大氣CO2是重要溫室氣體之一。測(cè)量大氣CO2平均柱濃度（XCO2）對(duì)于分析碳循環(huán)中的源匯分布和研究氣候變化具有重要意義。三峽水庫這類大型水利工程對(duì)CO2釋放和吸收的影響越來越被重視，研究三峽庫區(qū)CO2濃度分布及其時(shí)空變化規(guī)律是現(xiàn)在的一個(gè)熱點(diǎn)[1、2]。衛(wèi)星觀測(cè)突破了地基單點(diǎn)觀測(cè)的缺陷，使區(qū)域或全球范圍探測(cè)成為可能。而傳統(tǒng)的地基觀測(cè)方法具有精度高和可靠性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)星載儀器觀測(cè)數(shù)據(jù)的驗(yàn)證和修正具有不可替代的作用。本文分析比較衛(wèi)星和地面觀測(cè)方法及其結(jié)果，為衛(wèi)星數(shù)據(jù)應(yīng)用于三峽庫區(qū)CO2遙感探測(cè)的精度提供了論證和支持。

1 高光譜CO2 觀測(cè)的原理

大氣CO2平均柱濃度的季節(jié)性變化范圍大約為1.5 ppm[（1 ppm=M/22.4 mg·m3），M為污染物的分子量][3]。所以，研究大氣CO2濃度的長(zhǎng)期變化趨勢(shì)及其源匯效應(yīng)要求CO2測(cè)量精度達(dá)到1.5 ppm。這構(gòu)成了衛(wèi)星遙感探測(cè)大氣CO2技術(shù)的主要難題[4]。高光譜遙感（光譜分辨率達(dá)到波長(zhǎng)的10-2量級(jí)）為解決這一難題提供了技術(shù)途徑。

1.1 高光譜CO2觀測(cè)譜段

光譜學(xué)分析物質(zhì)對(duì)電磁波的吸收、發(fā)射以及散射作用，從而確定物質(zhì)的特征屬性。紅外光譜學(xué)一般將紅外波段分為：近紅外（0.7～1.4 μm），短波紅外（1.4～3.0 μm），熱紅外（3.0～15 μm）和遠(yuǎn)紅外（15 μm～1 mm）。衛(wèi)星和地面觀測(cè)的光譜為CO2分子的吸收光譜。分子的吸收光譜通過入射電磁波激發(fā)分子的轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)、振動(dòng)能級(jí)以及電子躍遷能級(jí)而產(chǎn)生。由于分子的這些能級(jí)是確定和獨(dú)特的，因而吸收光譜也只在特定的波段產(chǎn)生。吸收光譜的強(qiáng)度只與氣體分子的濃度有關(guān)?？梢酝ㄟ^對(duì)CO2特征吸收光譜的探測(cè)來反演大氣CO2的濃度。

大氣CO2具有一系列的線吸收光譜。其中，2.7 μm波段和水汽吸收波段重合，4.3 μm的中心波段在太陽輻射范圍中相對(duì)不是很重要，都不適于高精度的CO2總量反演?，F(xiàn)在的高光譜近地面CO2探測(cè)儀器主要選擇了0.76～0.77 μm、1.56～1.60 μm和2.04～2.08 μm作為目標(biāo)探測(cè)波段，光譜分辨率分別優(yōu)于0.044 nm、0.081 nm、0.103 nm。其中1.56～1.60 μm波段作為反演CO2柱濃度的主要波段，該波段的CO2紅外吸收譜線形狀如圖1所示。它對(duì)地表CO2濃度變化敏感性強(qiáng)，有利于對(duì)地面源和匯進(jìn)行較好的觀測(cè)；在該波長(zhǎng)范圍內(nèi)，大氣中其他氣體吸收很少（不受其他分子的干擾），而且CO2在這個(gè)波段的透過率與水汽的透過率之比是最大的，能滿足探測(cè)精度的需求。

圖1 CO2分子1.56～1.60 μm波段吸收譜線（壓強(qiáng)900 hPa、溫度280 K）[5]Fig.1 Transmittances of carbon dioxide at 900 hPa and 280 K in 1.56～1.60 μm spectral intervals

0.76 ～0.77 μm波段是氧氣分子吸收帶（通常稱為氧A帶）?？梢岳迷摴庾V帶觀察來減小觀測(cè)區(qū)域內(nèi)氣壓、溫度和濕度等氣象要素對(duì)CO2反演帶來的系統(tǒng)誤差。本研究中，O2分子A帶將為CO2平均柱濃度的反演提供散射信息并用于反演干燥空氣的柱濃度。O2分子A帶近紅外吸收譜線形狀如圖2所示。

圖2 O2分子A帶近紅外吸收譜線（壓強(qiáng)900 hPa、溫度280 K）[5]Fig.2 Transmittances of O2A-band at 900 hPa and 280 K

要想監(jiān)測(cè)CO2的匯源分布，就需要監(jiān)測(cè)全球范圍內(nèi)CO2的地表通量。其中的關(guān)鍵就是精確探測(cè)出近地面（高度0～60 km）CO2平均柱濃度，即XCO2。本文采用的算法是用O2分子A帶光譜反演得到O2分子柱含量，然后計(jì)算得到干潔空氣下空氣柱含量，那么CO2平均柱濃度可以表示為[6]

式（1）中：XCO2—CO2為平均柱濃度（單位ppm）；—反演的CO2的絕對(duì)柱總量（molecules·cm-3）；—反演的O2的絕對(duì)柱總量（molecules·cm-3）；—轉(zhuǎn)換常數(shù)取值0.209 5。

綜上所述，本研究基于大氣制圖掃描成像吸收光譜儀（Scanning Imaging Absorption Spectirometer for Atmospheric Cartography，SCIAMCHY）所用的SCITRAN模型對(duì)CO2的1.59～1.62 μm波段光譜和O2分子A帶的0.76～0.77 μm波段光譜，分別進(jìn)行正演模擬和反演計(jì)算，可以得到CO2的平均柱濃度（XCO2）。關(guān)于SCIATRAN模型以及正演模擬和反演計(jì)算的詳細(xì)討論見后文。

1.2 高光譜CO2地基探測(cè)與衛(wèi)星遙感觀測(cè)模式

利用高光譜探測(cè)技術(shù)測(cè)量CO2平均柱濃度可以進(jìn)行地基探測(cè)和衛(wèi)星遙感觀測(cè)。如今技術(shù)相對(duì)成熟的主要為地基傅里葉紅外光譜技術(shù)和衛(wèi)星被動(dòng)遙感（利用自然光源）探測(cè)技術(shù)。地基觀測(cè)相比于衛(wèi)星觀測(cè)具有精度高、可靠性強(qiáng)、易于實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)，通常作為衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)的驗(yàn)證和修正依據(jù)。但是地基觀測(cè)都是單點(diǎn)測(cè)量，缺乏對(duì)區(qū)域和全球大范圍實(shí)時(shí)探測(cè)的能力，所以發(fā)展衛(wèi)星觀測(cè)CO2的方法和技術(shù)勢(shì)在必行。

地基觀測(cè)主要利用傅立葉變換紅外光譜儀（Fourier Transform Infrared，F(xiàn)TIR）進(jìn)行探測(cè)。FTIR技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于世界各地的大氣示蹤氣體測(cè)量和氣候變化研究中。大部分站點(diǎn)參與到FTIR測(cè)量網(wǎng)絡(luò)，提高了網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)測(cè)量與分析的質(zhì)量水準(zhǔn)。反演結(jié)果也會(huì)儲(chǔ)存到網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫中并對(duì)外開放。現(xiàn)在已經(jīng)有兩個(gè)重要的FTIR觀測(cè)網(wǎng)，一個(gè)是大氣組成變化探測(cè)網(wǎng)絡(luò)（the Network for the Detection of Atmospheric Composition Change，NDACC）的紅外工作組（the InfraRed Working Group，IRWG）[7]；另一個(gè)是總碳柱濃度探測(cè)網(wǎng)絡(luò)（Total Carbon Column Observing Network，TCCON）[8]。

衛(wèi)星被動(dòng)遙感探測(cè)CO2的儀器主要包括國際上針對(duì)大氣中CO2混合比進(jìn)行專門觀測(cè)的美國“嗅碳”衛(wèi)星（Orbiting Carbon Observatory，OCO）[9]和日本溫室氣體觀測(cè)衛(wèi)星（Greenhouse gas Observing Satellite，GOSAT）搭載的被動(dòng)紅外探測(cè)器（Thermal and Near infrared Sensor for carbon Observation-Fourier Transform Spectrometer，TANSO-FTS）[10]，以及我國將發(fā)射的碳衛(wèi)星（TanSat）[11]。

表1 TANSO-FTS參數(shù)Table 1 Technical parameters of TANSO-FTS

本文以GOSAT衛(wèi)星為例，介紹其光譜觀察和數(shù)據(jù)處理的基本原理，及其在碳源匯效應(yīng)研究中的應(yīng)用。表1給出了GOSAT衛(wèi)星搭載的傅里葉變換光譜儀TANSO-FTS儀器參數(shù)。TANSO-FTS具有4個(gè)探測(cè)波段，包括3個(gè)短波紅外波段（Short Wave InfraRed wave band，SWIR）和1個(gè)熱紅外波段（Thermal InfraRed wave band，TIR）。具有7個(gè)通道來同時(shí)獲取觀測(cè)數(shù)據(jù)，其中1個(gè)短波紅外波段有2個(gè)偏振化分量（S分量和P分量），短波紅外波段數(shù)據(jù)通過6個(gè)通道傳輸，熱紅外波段數(shù)據(jù)只用1個(gè)通道傳輸。

1.3 輻射傳輸模式

遙感觀察中，傳感器接收的輻射是光源（自然或者人工）發(fā)出的輻射經(jīng)歷了復(fù)雜的大氣傳輸過程（包括透射、折射、反射、散射等）的結(jié)果。大氣的輻射傳輸過程可以用輻射傳輸方程來描述。輻射傳輸方程用來描述光源輻射量與大氣的相互作用，以及因此而產(chǎn)生的變化。大氣的輻射性質(zhì)在輻射傳輸方程中被歸結(jié)為光學(xué)厚度、單次散射反照度和相函數(shù)等參數(shù)。從理論上講，當(dāng)建立一定的觀測(cè)坐標(biāo)系后，模擬的大氣輻射強(qiáng)度完全可以由這些參數(shù)和邊界條件所確定。本文是基于SCIATRAN輻射傳輸模式，建立地面和衛(wèi)星觀測(cè)的高光譜溫室氣體CO2仿真模擬正演模型（即模擬傳感器觀察的光譜）。而CO2的反演計(jì)算則是利用正演模擬建立的觀察光譜模型，采用一定的數(shù)值方法，反向計(jì)算大氣的CO2濃度。

SCIATRAN輻射傳輸模式是由德國不來梅大學(xué)環(huán)境物理研究所遙感研究所研究開發(fā)的[12]。這個(gè)模型可以利用直接入射的太陽光或散射光測(cè)量反演大氣成分，計(jì)算空氣質(zhì)量因子和大氣示蹤氣體的斜柱濃度，以及反演氣溶膠和云參數(shù)。SCIATRAN輻射傳輸模式可用于模擬在任何觀測(cè)方式下測(cè)量地球大氣散射的太陽輻射，也能用于大氣質(zhì)量比、通量和權(quán)重函數(shù)矩陣等的計(jì)算。SCIATRAN軟件包可在紫外—可見光—紅外光譜范圍內(nèi)，作為星載、地面或機(jī)載儀器測(cè)量地球大氣的散射太陽光譜的正演模型，并可以通過反演算法來確定大氣成分。它是一套開源程序，并提供了非常豐富的參數(shù)化輸入接口，用戶可以根據(jù)自己的需要對(duì)其進(jìn)行改造和創(chuàng)新，以完成自己的個(gè)性化任務(wù)。已經(jīng)出版的關(guān)于SCIATRAN的文章，都證實(shí)基于該模型改進(jìn)的反演系統(tǒng)，具有廣泛的應(yīng)用性[12-14]?；谶@一輻射傳輸模式，西安交通大學(xué)課題組研究開發(fā)了我國的高分衛(wèi)星二氧化碳反演業(yè)務(wù)算法和軟件系統(tǒng)，在國家衛(wèi)星氣象中心集成應(yīng)用[15-18]。

SCIATRAN傳輸模型具有正演和反演模塊。輻射傳輸模型根據(jù)大氣成分、溫度、壓強(qiáng)大氣光學(xué)等參數(shù)，建立了描述沿視線方向的太陽近紅外輻射傳輸過程的函數(shù)。它與波長(zhǎng)、太陽天頂角、散射角和光程等參數(shù)有關(guān)，稱為前向模型F（x，b），其中包含所有的需反演參數(shù)（此處代表二氧化碳濃度），b代表輔助的非需反演參數(shù)。在前向模型下，模型模擬的大氣頂出射輻亮度向量y，與狀態(tài)量x之間可以建立如下關(guān)系模型F（x，b）中計(jì)算得到模擬的大氣頂出射輻亮度譜y0。然后，將觀測(cè)亮度譜Y與前向模型F（x，b）模擬計(jì)算的大氣頂出射輻亮度譜y0進(jìn)行比較，如果殘差小于所允許誤差上限（通常取為儀器噪聲），則x0就是所求值。如果殘差R0大于所允許誤差上限，則適量增加或減少設(shè)定的初始濃度，繼續(xù)上述過程，直至新的殘差滿足要求，則新的xn即為所求CO2濃度值。

2 地面觀測(cè)模擬坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換

本文基于SCIATRAN輻射傳輸模式[12]改進(jìn)的反演系統(tǒng)，具有天底（衛(wèi)星儀器視線方向垂直向下）和天頂（地面儀器視線方向指向天頂方向）兩種觀測(cè)模式，可以對(duì)地面觀測(cè)光譜和衛(wèi)星觀測(cè)光譜進(jìn)行處理分析。地面觀測(cè)光譜與衛(wèi)星觀測(cè)光譜的不同點(diǎn)在于：地面光譜儀是朝著太陽進(jìn)行觀測(cè)，測(cè)量的是太陽經(jīng)過大氣層后透過的輻射量，如圖3中光線1所示；而衛(wèi)星觀測(cè)測(cè)量的是太陽輻射經(jīng)過地面反射之后的輻射強(qiáng)度，與地面的地形和植被覆蓋決定的地面反射率有關(guān)系，如圖3中光線2所示。所以在分別計(jì)算衛(wèi)星數(shù)據(jù)和地面數(shù)據(jù)時(shí)，需要在反演計(jì)算中分別考慮或不考慮地面反射率。

圖3 衛(wèi)星觀測(cè)與地面站點(diǎn)觀測(cè)模式示意圖Fig.3 The model of the satellite and ground-based observation

地面觀測(cè)和衛(wèi)星觀測(cè)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系，如圖4所示。

假設(shè)地面觀測(cè)儀器在衛(wèi)星觀測(cè)的目標(biāo)點(diǎn)是同一點(diǎn)，并且具有相同的觀測(cè)視線，將同樣參數(shù)的衛(wèi)星觀測(cè)儀器放置到地上進(jìn)行觀測(cè)，儀器的z軸會(huì)反向，變化180°。但是視線方位角（φ）不變，地面觀測(cè)的視線極軸角（θ1）與衛(wèi)星觀測(cè)的視線極軸角（θ）存在關(guān)系1

式（3）中：α是儀器位置與地心連線的夾角，可以由不同位置儀器的太陽天頂角獲得。

圖4 地面觀測(cè)與衛(wèi)星觀測(cè)的坐標(biāo)關(guān)系Fig.4The coordinates of the ground-based and satellite observation

3 數(shù)據(jù)分析與處理

本研究對(duì)涪陵區(qū)（東經(jīng)106°56′～107°43′，北緯29°21′～30°01′）的地面觀測(cè)進(jìn)行了仿真模擬，并進(jìn)行反演得到XCO2值。下載了GOSAT衛(wèi)星數(shù)據(jù)[20]，與模擬的地面觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行比較，兩者之間差值小于1.5 ppm。造成誤差的原因可能是地面反射太陽光對(duì)地面觀測(cè)與衛(wèi)星觀測(cè)的影響不同。具體數(shù)據(jù)分析步驟如下：

3.1 衛(wèi)星數(shù)據(jù)的觀測(cè)坐標(biāo)與SCIATRAN觀測(cè)坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換

將GOSAT的FTS L1B數(shù)據(jù)（如表2所示）轉(zhuǎn)換成SCIATRAN系統(tǒng)的坐標(biāo)[21-23]，得到了21個(gè)曝光點(diǎn)信息，不同的曝光點(diǎn)的經(jīng)緯度不同，其中選擇最接近涪陵區(qū)[24]的第10曝光點(diǎn)，21個(gè)曝光點(diǎn)轉(zhuǎn)化成SCIATRAN中的幾何參數(shù)，如圖5所示。

圖5 衛(wèi)星數(shù)據(jù)的曝光點(diǎn)轉(zhuǎn)換后的SCIATRAN幾何參數(shù)Fig.5The geometrical parameters in SCIATRAN frame after transformation

3.2 GOSAT衛(wèi)星的氧氣波段（0.76 μm）和二氧化碳波段（1.6 μm）光譜提取

光譜信息可由GOSAT衛(wèi)星的FTS的L1B數(shù)據(jù)得到。GOSAT衛(wèi)星數(shù)據(jù)觀測(cè)到的光譜信息如圖6和圖7所示，圖中紅線代表S分量，綠線代表P分量，藍(lán)線代表總的光譜強(qiáng)度。

圖6 GOSAT衛(wèi)星觀測(cè)的O2分子A波段的光譜圖Fig.6The spectrum of O2A-band observed by GOSAT

圖7 GOSAT衛(wèi)星觀測(cè)的CO2近紅外波段光譜圖Fig.7The spectrum of CO2observed by GOSAT near-infrared band

3.3 SCIATRAN系統(tǒng)對(duì)氧氣波段（0.76 μm）和二氧化碳波段（1.6 μm）光譜模擬

模擬得到的O2的光譜范圍在757.6 nm～772.2 nm，光譜間隔為0.012 nm；CO2的光譜范圍是1 567.4 nm～1 618.1 nm，光譜間隔為0.054 nm；將GOSAT衛(wèi)星數(shù)據(jù)的觀測(cè)幾何參數(shù)轉(zhuǎn)化為地面觀測(cè)幾何參數(shù)后，得到的模擬光譜如圖8和圖9所示。

圖8 O2分子A波段的SCIATRAN模擬光譜Fig.8The spectrum of O2A-band simulated by SCIATRAN

圖9 CO2近紅外波段的SCIATRAN模擬光譜Fig.9The spectrum of CO2near-infrared band simulated by SCIATRAN

3.4模擬光譜和實(shí)際光譜反演

分別對(duì)SCIATRAN系統(tǒng)模擬的光譜和GOSAT衛(wèi)星實(shí)際探測(cè)的光譜進(jìn)行反演，得到的O2和CO2的柱濃度值如表3所示。

表3 CO2和O2的反演結(jié)果Table 3Retrieval results of CO2and O2

3.5 反演結(jié)果比較

對(duì)SCIATRAN系統(tǒng)模擬的光譜和GOSAT衛(wèi)星實(shí)際探測(cè)的光譜的反演結(jié)果進(jìn)行比較，計(jì)算得到的XCO2的值如表4所示。

表4 XCO2的值Table 4The results of XCO2value

由此可知，SCIATRAN系統(tǒng)模擬的光譜和GOSAT衛(wèi)星實(shí)際探測(cè)的光譜的反演結(jié)果XCO2相差1.22 ppm（＜1.5 ppm），可以用于大氣中碳的源匯分析。

4 誤差來源分析

4.1 正演模式誤差

反演算法依據(jù)的是模擬值與測(cè)量值的差，因此正演模式引起的誤差無法避免。

4.2 先驗(yàn)?zāi)Ｊ秸`差

二氧化碳反演需要依賴柱濃度（或廓線）的先驗(yàn)信息。要求先驗(yàn)廓線能夠比較準(zhǔn)確地反映二氧化碳的垂直分布情況，以便訂正溫度對(duì)二氧化碳吸收截面的影響，所以先驗(yàn)廓線是主要的誤差來源。

西安交通大學(xué)課題組研究開發(fā)了我國的高分衛(wèi)星二氧化碳反演業(yè)務(wù)算法和軟件系統(tǒng)[17]，已進(jìn)行參數(shù)靈敏性分析，結(jié)果表明：溫度廓線、壓強(qiáng)廓線、XCO2初始值、氣溶膠和云光學(xué)厚度以及O2分子A波段的地表反照度是影響XCO2反演精度的主要因素。只考慮單一誤差來源，如果要求XCO2反演相對(duì)誤差不超過1%，這些主要誤差因子需要滿足的條件如表5所示。

表5 影響XCO2反演精度的主要因素Table 5The major influence factors of XCO2inversion accuracy

除上述主要誤差來源外，還有其他一些因素也影響XCO2反演精度，但反演誤差可以控制在0.1%。這些次要的因素，包括：

（1）反演通道選擇，即選擇部分通道進(jìn)行XCO2反演。與應(yīng)用全部通道反演XCO2比較，誤差在0.3 ppm。

（2）O2、H2O和O3初始濃度廓線誤差不超過1%時(shí)，XCO2反演的相對(duì)誤差＜0.1%。

（3）光譜分辨率的初始誤差＜1%，XCO2反演的相對(duì)誤差＜0.1%。

（4）高程信息初始誤差＜500 m，XCO2反演的相對(duì)誤差＜0.1%。

如果假設(shè)這些誤差因子是統(tǒng)計(jì)獨(dú)立的，XCO2反演的總誤差σtot的平方可以表示為各主要因子誤差σi及次要因子誤差σj的平方和，即

由于假設(shè)主要誤差因子是統(tǒng)計(jì)獨(dú)立的，它們對(duì)XCO2反演誤差的貢獻(xiàn)具有隨機(jī)性。根據(jù)前述的分析，取σi=1%和N=5，同時(shí)忽略σj=0.1%各項(xiàng)的貢獻(xiàn)，假設(shè)XCO2=400 ppm，可以估計(jì)XCO2反演總誤差σtot的上限為：

如后面所討論的，GF_VRTM-V2.0系統(tǒng)反演XCO2的總誤差σtot實(shí)際估計(jì)值為5～6 ppm，低于這一上限值[17]。

4.3 儀器誤差

儀器誤差主要包括衛(wèi)星發(fā)射前儀器定標(biāo)（包括波長(zhǎng)定標(biāo)）誤差、飛行中定標(biāo)的變化以及儀器噪聲。

4.4 隨機(jī)誤差

隨機(jī)誤差的影響可以用時(shí)間和空間平滑的方式消除。

5 結(jié)論

本研究將GOSAT觀測(cè)到的XCO2值，與模擬的地面觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行比較，得到兩者之間的誤差為1.22 ppm，滿足大氣中碳的源匯研究的精度要求（小于1.5 ppm）。這一結(jié)果表明，衛(wèi)星觀察的XCO2驗(yàn)證數(shù)據(jù)能為研究三峽庫區(qū)的二氧化碳源匯效應(yīng)提供必要的數(shù)據(jù)支撐。

[1]秦林，張可言，朱乾華，等.AIRS遙感觀察三峽庫區(qū)二氧化碳濃度變化特征[J].中國科技信息，2013，24（4）：34-35.

[2]秦林.AIRS衛(wèi)星遙感觀察三峽庫區(qū)甲烷濃度變化特征[J].資源節(jié)約與環(huán)保，2013，30（12）：99.

[3]TOLYON B T，PLOUFFE D.Sensitivity of Radiometric Measurements of the Atmospheric CO2Column from Space[J].Applied Optics，2001，40（9）：1305-1313.

[4]劉毅，呂達(dá)仁，陳洪濱，等.衛(wèi)星遙感大氣CO2的技術(shù)與方法進(jìn)展綜述[J].遙感技術(shù)與應(yīng)用，2011，26（2）：247-254.

[5]SCHNEISING O.Analysis and Interpretation of Satellite Measurements in the Near-infrared Spectral Region：Atmospheric Carbon Dioxide and Methane[D].Bremen：University of Bremen，2008：36-37.

[6]石廣玉.大氣輻射學(xué)[M].北京：科學(xué)出版社，2007.

[7]HENDRICK F，POMMEREAU J P，GOUTAIL F，et al.NDACC/SAOZ UV-visible Total Ozone Measurements：Improved Retrieval and Comparison with Correlative Ground-based and Satellite Observations[J].Atmospheric Chemistry&Physics，2011，11（12）：5975-5995.

[8]TOON G，BLAVIER J F，WASHENFELDR R，et al.Total Column Carbon Observing Network（TCCON）[EB/OL].（2009-04-26）[2016-04-12].http：//www.tccon.caltech.edu/publications/OSA_FTS_Meeting_20090323.pdf.

[9]CRISP D，ATLAS R M，BREON F M，et al.The Orbiting Carbon Observatory（OCO）Mission[J].Advances in Space Research，2010，34（4）：700-709.

[10]KUZE A，SUTO H，NAKAJIMA M，et al.Thermal and near Infrared Sensor for Carbon Observation Fourier-transform Spectrometer on the Greenhouse Gases Observing Satellite for Greenhouse Gases Monitoring[J].Applied Optics，2009，48（35）：6716-6733.

[11]劉毅，楊東旭，蔡兆男.中國碳衛(wèi)星大氣CO2反演方法：GOSAT數(shù)據(jù)初步應(yīng)用[J].科學(xué)通報(bào)，2013，63（11）：996-999.

[12]ROZANOV V V，BUCHWITZ M，EICHMANN K U，et al.SCIATRAN-a New Radiative Transfer Model for Geophysical Applications in the 240-2 400 nm Spectral Region：The Pseudo-spherical Version[J].Advances in Space Research，2002，29（11）：1831-1835.

[13]BLUM M，ROZANOV V V，BURROWS J P，et al.Coupled Ocean-atmosphere Radiative Transfer Model in the Framework of Soft ware Package SCIATRAN：Selected Comparisons to Model and Satellite Data[J].Advances in Space Research，2012，49（12）：1728-1742.

[14]ROZANOV V V，LYAPUSTIN A I.Similarity of Radiative Transfer Equation：Error Analysis of Phase Function Truncation Techniques[J].Journal of Quantitative Spectroscopy&Radiative Transfer，2010，111（12-13）：1964-1979.

[15]王鼎益，張淳民.二氧化碳總量全球反演業(yè)務(wù)算法：設(shè)計(jì)報(bào)告[D].西安交通大學(xué)，2015.

[16]王鼎益，張淳民.二氧化碳總量全球反演業(yè)務(wù)算法：軟件接口說明[D].西安交通大學(xué)，2015.

[17]王鼎益，張淳民.二氧化碳總量全球反演業(yè)務(wù)算法：數(shù)學(xué)物理基礎(chǔ)[D].西安交通大學(xué)，2015.

[18]王鼎益，張淳民.二氧化碳總量全球反演業(yè)務(wù)算法：GF_VRTM-V2.0軟件系統(tǒng)用戶手冊(cè)[D].西安交通大學(xué)，2015.

[19]BUCHWITZ M，ROZANOV V V，BURROWS J P.A Correlated-k Distribution Scheme for Overlapping Gases Suitable for Retrieval of Atmospheric Constituents from Moderate Resolution Radiance Measurements in the Visible/near-infrared Spectral Region[J]. Journal of Geophysical Research，2000，105（15）：247-261.

[20]GOSAT Project Office.1st International Workshop on GOSAT Data Utilization[EB/OL].（2011-03-11）[2016-04-12].http：//data. gosat.nies.go.jp/GosatUserInterfaceGateway/guig/doc/GOSAT_HB_E_1stEdition_for_HP.pdf.

[21]代海山.高光譜衛(wèi)星遙感溫室氣體CO2反演技術(shù)研究[D].西安交通大學(xué)，2012：34-36.

[22]Institute of Remote Sensing University of Bremen.Germany User’s Guide for the Software Package SCIATRAN（Radiative Transfer Model and Retrieval Algorithm）[EB/OL].（2011-11-15）[2016-04-12].http：//www.iup.uni-bremen.de/sciatran/download/inde x. html.

[23]ROZANOV V，ROZANOV A，KOKHANOVSKY A，et al，Solution of Vector Radiative Transfer Problems in the Framework of Software Package Sciatran[EB/OL].（2010-10-05）[2016-04-12].http：//www.iup.uni-bremen.de/～alexk/2011/Scia-5.pdf.

[24]LI Q，HOU S Q，LI Y H，et al.Features of Floods in the Three Gorges Reservoir Region and its Relationship with Large Scale Circulation[J].Transactions of Atmospheric Sciences，2010，33（4）：477-488.

[責(zé)任編輯：向晚]

Study of Satellite and Ground-based CO2Column-averaged Mole Fraction Observation in Three Gorges Reservoir Region

RONG Piao1,2，ZHANG Chun-min1,2，LIU Dong-dong1,2，LI Yan-fen1,2

（1.Institute of Space Optics,Xi’an Jiaotong University,Shanxi Xian 710049,China;2.School of Science,Xian Jiaotong University, Shanxi Xian 710049,China）

Large reservoir has impact on CO2release and absorption.The role of Three Gorges Reservoir as CO2source and sink is a hot issue in recent years.Fuling in Chongqing is in the center part of the reservoir.The CO2measurements in that region are of interests to the scientific community and significance of environmental protection application.The methods and results of satellite and ground-based hyperspectral observations of atmospheric CO2column-averaged mole fraction(XCO2)are studied.This study firstly utilized an improved system based on SCIATRAN to simulate the observed spectrum of CO2of Fuling station in Chongqing.Then,we acquired the inverted XCO2value of the actually observed spectrum of the GOSAT from Japan.The difference of the column-averaged mole fraction of Carbon Dioxide between SCIATRAN simulating calculation value and GOSAT FTS L1B Data retrieval value is 1.22 ppm(parts per million,×10-6)within the seasonal variations in CO2.So it can be inferred that the satellite measurements could apply to the observation of CO2in Three Gorges Reservoir region for study of CO2sources and sink.

The simulation of ground-based observation；CO2；SCIATRAN

X52；P407；TP79

A

2096-2347（2016）03-0008-10

10.19478/j.cnki.2096-2347.2016.03.02

2016-09-08

國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目（41530422）；國家科技重大專項(xiàng)（32-Y30B08-9001-13/15）。

榮飄（1990—），女，湖北仙桃人，博士，主要從事空間光學(xué)、大氣風(fēng)場(chǎng)探測(cè)和大氣反演研究。E-mail：rongpiao@stu.xjtu.edu.cn

*[通訊作者]張淳民（1956—），男，陜西西安人，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事空間光學(xué)、大氣風(fēng)場(chǎng)和微量氣體探測(cè)研究。E-mail：zcm@xjtu.edu.cn

式（2）中：ε是探測(cè)儀器的測(cè)量誤差。除反演參數(shù)外，模型中還需b中所包含的非反演參數(shù)，如氣體分子橫截面，或從其他測(cè)量結(jié)果中精確獲得的大氣參數(shù)。

通過優(yōu)化迭代算法可以獲得所需的CO2濃度[19]：首先，設(shè)定大氣CO2的初始濃度x0，將x0代入前向