數(shù)十年來(lái),人類活動(dòng)導(dǎo)致大氣中的溫室氣體和污染物濃度急劇增加,溫室氣體特別是二氧化碳的大量增加對(duì)全球氣候產(chǎn)生了重大影響。目前,人們對(duì)二氧化碳的溫室效應(yīng)是引起全球變化的重要因素這一觀點(diǎn),已達(dá)成共識(shí)。因此,加強(qiáng)對(duì)全球碳循環(huán)的科學(xué)觀測(cè)和機(jī)制理解具有十分重要的意義。然而缺乏準(zhǔn)確、可靠的陸地生態(tài)系統(tǒng)碳通量測(cè)量資料極大地阻礙了人類對(duì)碳循環(huán)機(jī)制的理解,同時(shí)也難以使各國(guó)在碳減排議題上達(dá)成共識(shí)。因此,只有對(duì)二氧化碳?xì)怏w的人為、自然源匯進(jìn)行準(zhǔn)確的、完整的測(cè)量,獲得長(zhǎng)期的、有效的觀測(cè)資料,才能支撐后續(xù)的分析和歸納研究,以期獲得對(duì)全球碳循環(huán)的最準(zhǔn)確的認(rèn)識(shí)。就現(xiàn)有的技術(shù)手段而言,地面或機(jī)載測(cè)量觀測(cè)站點(diǎn)探測(cè)精度較高但分布稀疏,基于大氣傳輸模型的針對(duì)大陸內(nèi)部的碳通量估算結(jié)果具有很高的不確定度。被動(dòng)衛(wèi)星遙感(SCIAMACHY、TES、AIRS、IASI、GOSAT、OCO-2 和 TANSAT)能夠獲得稠密的CO2觀測(cè)資料,在一定程度的提高了人類對(duì)全球CO2分布的了解,但是也暴露一些明顯的缺陷。而差分吸收激光雷達(dá)技術(shù)探測(cè)大氣組成分氣體,在探測(cè)機(jī)制上能有效彌補(bǔ)被動(dòng)衛(wèi)星觀測(cè)缺陷,能供更精確估算碳通量,對(duì)碳循環(huán)研究做出更重要的貢獻(xiàn)。然而,目前國(guó)際上關(guān)于主衛(wèi)星遙感的發(fā)展尚處于初步階段,美國(guó)NASA前沿技術(shù)實(shí)現(xiàn)機(jī)載多波長(zhǎng)差分吸收激光雷達(dá)系統(tǒng)的樣機(jī)研制并獲得了較為成功的實(shí)驗(yàn),但星載激光雷達(dá)系統(tǒng)研制困難且反演過(guò)程會(huì)因?yàn)榇髿鉁囟葔簭?qiáng)的分布變化而產(chǎn)生誤差�；诖�,本論文主要做了如下方面的工作:(1)提出了被動(dòng)衛(wèi)星觀測(cè)大氣二氧化碳濃度數(shù)據(jù)的驗(yàn)證和對(duì)比方法。由于目前在軌溫室氣體衛(wèi)星GOSAT和OCO-2衛(wèi)星探測(cè)機(jī)理的限制,觀測(cè)資料XC02數(shù)據(jù)反演準(zhǔn)確度有待考量。針對(duì)XC02濃度在不同緯度帶、不同地表?xiàng)l件分布特征的不同,利用地基TCCON觀測(cè)網(wǎng)數(shù)據(jù),做了完整的驗(yàn)證和對(duì)比工作,評(píng)估了被動(dòng)衛(wèi)星在不同觀測(cè)模式、不同緯度帶、不同地表覆蓋下觀測(cè)數(shù)據(jù)大氣二氧化碳濃度的精度和準(zhǔn)確度,獲取了準(zhǔn)確的評(píng)估數(shù)據(jù)。同時(shí)利用多源遙感數(shù)據(jù)(再分析氣象數(shù)據(jù),MODIS地面參數(shù)等),分析衛(wèi)星探測(cè)二氧化碳精度和準(zhǔn)確度對(duì)于大氣與地面多種參數(shù)的敏感性,為提供數(shù)據(jù)校正方法提供有效資料。(2)提出了星載多波長(zhǎng)差分吸收激光雷達(dá)反演大氣二氧化碳濃度的方法。基于雙波長(zhǎng)差分吸收激光雷達(dá)探測(cè)大氣二氧化碳的技術(shù),提出了改進(jìn)的多波長(zhǎng)差分吸收激光雷達(dá)反演方法。此反演方法能夠在滿足一定條件的信噪比和波長(zhǎng)數(shù)量上,反演獲取高精度的二氧化碳柱濃度和分層廓線濃度。通過(guò)修改信噪比和實(shí)驗(yàn)波長(zhǎng)數(shù)量,對(duì)比模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果,評(píng)估了改進(jìn)的多波長(zhǎng)差分吸收激光雷達(dá)反演方法的性能。模擬實(shí)驗(yàn)反演數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度在0.07 ppm以內(nèi)。對(duì)比其他的多波長(zhǎng)反演算法有更準(zhǔn)確更精確的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。(3)提出了結(jié)合多種環(huán)境遙感參數(shù),對(duì)衛(wèi)星大氣二氧化碳濃度數(shù)據(jù)的的空間分布和變化進(jìn)行成因分析。首先,進(jìn)行了 GOSAT與OCO-2衛(wèi)星共同觀測(cè)期的觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比。分析兩顆衛(wèi)星在全球探測(cè)大氣二氧化碳濃度分布的差別,包括空間覆蓋率、不同地表觀測(cè)數(shù)據(jù)偏差等。然后利用衛(wèi)星長(zhǎng)期觀測(cè)數(shù)據(jù),對(duì)全球大氣二氧化碳濃度分布和變化進(jìn)行了分析。最后結(jié)合衛(wèi)星同步反演的葉綠素?zé)晒鈹?shù)據(jù),以及其他多源遙感數(shù)據(jù)(如土地覆蓋、植被總生產(chǎn)力等),全球尺度和中國(guó)地區(qū)上分析二氧化碳時(shí)空分布、季節(jié)變化特點(diǎn),并分析了二氧化碳濃度和植被熒光變化等其他反映植被的參數(shù)之間的相關(guān)關(guān)系。(4)最后,總結(jié)了本文所有工作,并根據(jù)研究?jī)?nèi)容對(duì)主被動(dòng)衛(wèi)星聯(lián)合二氧化碳觀測(cè)研究的下一階段工作提出了新的要求和展望。
【學(xué)位單位】：武漢大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：P407
【部分圖文】：

消除碳的過(guò)程已經(jīng)逆轉(zhuǎn)，人類活動(dòng)導(dǎo)致同樣的碳以前所未有的速度進(jìn)行釋放。工逡逑業(yè)時(shí)代以來(lái)，大氣中的二氧化碳濃度水平相比１９９０年（京都議定書的基準(zhǔn)年）逡逑增加了邋４０％，高于過(guò)去８０萬(wàn)年的任何時(shí)間。從圖１－１和圖１－２中，我們也可以逡逑直觀的看到，二氧化碳全球月平均值計(jì)算的輻射強(qiáng)迫（ＡＦ邋＝邋ｄｎ（Ｃ／Ｃ0：），其中ａ邋＝逡逑５．３５，Ｃｏ表示未擾動(dòng)（１７５０年）的二氧化碳豐度２７８ｐｐｍ）（Ｒａｍａｓｗａｍｙ，２００１），自逡逑１９９０年來(lái)增加了近５４％。而且在所有的長(zhǎng)壽命痕量溫室氣體中，Ｃ０２帶來(lái)的輻逡逑射強(qiáng)迫明顯占據(jù)主導(dǎo)地位，隨著時(shí)間的推移，所占比率有增大趨勢(shì)。大氣和海洋逡逑的額外熱量被Ｃ０２不斷的吸收，導(dǎo)致了全球平均氣溫也不斷的上升一一全球變逡逑暖。目前，隨著人類以越來(lái)越高的速度燃燒化石燃料，大氣中的二氧化碳水平繼逡逑續(xù)以不斷加快的速度上升。就人類而言，由于大氣和海洋中二氧化碳的穩(wěn)定性和逡逑長(zhǎng)壽性

全球科學(xué)家們不斷修正氣候變化模型，利用各種手段獲取的二氧化碳點(diǎn)排放，點(diǎn)濃度，來(lái)估算全球碳通量。但是由于存在嚴(yán)重二氧化碳濃數(shù)據(jù)缺失或不準(zhǔn)確的問(wèn)題以及對(duì)碳循環(huán)機(jī)制理解的不健全，碳通量的估算在精和時(shí)空尺度上存在不足。為實(shí)現(xiàn)對(duì)氣候變化的高精度建模，國(guó)內(nèi)外科學(xué)家發(fā)多種方法，試圖準(zhǔn)確的測(cè)定碳源、碳匯的分布及變化，然而其結(jié)果依然存在較

圖１－７．目前使用的采樣平臺(tái)和大氣Ｃ0２測(cè)量方法。左下方的機(jī)載采樣；左上方高塔測(cè)量；右上位于法國(guó)逡逑ＰｉｃｄｕＭｉｄｉ的天文臺(tái)；右下等待分析的采樣瓶；中間儀器用于空中連續(xù)測(cè)量（據(jù)ＮＯＡＡ）逡逑全球溫室氣體參考網(wǎng)絡(luò)測(cè)量大氣二氧化碳?xì)怏w的方法有利用Ｃ０２分析儀，逡逑１０逡逑

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2830635