本文關鍵詞：溫室氣體的遙感反演、輸送模擬和通量估計，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：通過大氣輸送模式及反演模式,我們可以從觀測的大氣主要溫室氣體(如二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4))濃度變化得到全球區(qū)域碳源和碳匯的信息。但是用這些方法得到的區(qū)域碳通量的大小和分布問題并沒有得到一致性的結論,部分原因就是由于所用的大氣輸送模式和反演方法的不同。本研究應用RTTOV快速傳輸模式和NIES大氣化學輸送模式,網(wǎng)格搜索和求極值相結合的迭代方法以及基于貝葉斯理論的反演方法,從主要溫室氣體的衛(wèi)星遙感反演、大氣輸送模擬及區(qū)域通量估計三個方面開展研究,以更好的掌握全球碳源和碳匯信息,同時可以為我國碳衛(wèi)星探測大氣溫室氣體技術提供基礎性研究。為了優(yōu)化反演全球區(qū)域碳通量,本文主要從方法著手,首先選取CO2,以大氣輻射傳輸理論為基礎,以及物理與數(shù)學相結合的迭代方法建立了對流層CO2的反演模型,實現(xiàn)了對流層中層C02濃度的遙感反演；為了更好的驗證NIES大氣化學輸送模式,并為衛(wèi)星數(shù)據(jù)的一致性檢驗做充分的準備,應用NIES大氣化學輸送模式對航測CO2濃度進行廓線模擬,驗證了該模式的模擬精度；在上述基礎上,最后將NIES模式作為前向模式,選取CH4,以貝葉斯理論為基礎的反演方法,估計全球CH4區(qū)域通量,以獲取更為精確的碳源與碳匯信息。本文主要從以下幾個部分開展研究：1.改進了一種高光譜遙感的對流層痕量氣體反演算法。在該方法中,我們利用連續(xù)逼近以及對一個多元函數(shù)求全微分的方法,以區(qū)分每一種痕量氣體的柱濃度。這種網(wǎng)格搜索(Gridsearch)同求極值(Vanishing Partial Differential)相結合的方法,稱之為GVPD,我們應用這個方法對對流層中層的CO2混合比進行反演,數(shù)據(jù)源為搭載于NASA Aqua衛(wèi)星的大氣紅外探測器(AIRS)二級產(chǎn)品。將GVPD反演所結果與AIRS反演產(chǎn)品同時與中國瓦里關本底觀測站和意大利Plateau Rosa本底觀測站的CO2觀測值相比較。由曲線擬合結果比較,就瓦里關站而言,無論是從CO2柱濃度總值還是季節(jié)變化振幅來看,GVPD的反演結果能更好地反映該站觀測的CO2柱濃度水平；對意大利Plateau Rosa站的曲線擬合結果亦是如此。由此,比較結果初步驗證了GVPD方法反演紅外高光譜遙感觀測CO2濃度的可行性。2.利用改進的全球三維大氣化學傳輸模式(NIES TM)模擬長時間序列痕量氣體的柱濃度及其廓線。NIES TM傳輸模式遵守質(zhì)量守恒定理,采用混合σ-θ垂直坐標,即在下墊面運用地形跟隨坐標,在平流層平滑轉化為等熵面坐標。空氣上升速率源自于有效加熱速率,其優(yōu)點是可以較好地模擬等熵面坐標空間上(大約在350K)的垂直運動。NIES TM大氣輸送模式采用歐拉運動的氣體通量傳輸算法,可用來模擬對流層長壽命大氣成分的日變化、季節(jié)變化和年際變化的天氣尺度運動。模式傳輸?shù)尿寗訄鍪窃俜治鰵庀髨?用來模擬大氣化學成分隨對流層天氣變化的日和季節(jié)循環(huán)空間分布。在模式模擬中所用地表通量包括生物圈通量、化石燃料消耗通量、生物質(zhì)燃燒通量以及CO2的反演校正通量。在本文中,我們用NIES傳輸模式模擬的CO2濃度值與飛機航測獲取的HIPPO (HIAPER Pole-to-Pole Observation) C02等相應的觀測數(shù)據(jù)進行了比較。所用的HIPPO觀測數(shù)據(jù)融合了10s的氣象、大氣化學及氣溶膠資料(R 20121129),包括HIPPO-1 (20090109-20090126), HIPPO-2 (20091102-20091122)以及HIPPO-3 (20100324-20100415),這些數(shù)據(jù)的經(jīng)緯度從128.0°E到-84.0°W 87.0°N到-67.2°S,基本跨越全球。在模擬這三個任務的過程中,我們所用的初始數(shù)據(jù)包括C02濃度變化、垂直廓線、地表通量及氣象變化場。本文對日變化結果進行了分析,并與2009年1月、2009年9月和2010年3月至4月共計63804觀測個樣本進行了比較。結果表明,模式模擬的柱濃度結果與觀測值有較高的擬合精度。以HIPPO-1為例,隨時間變化的模擬值與觀測值的絕對偏差大約69.2%低于1ppmv,大約92.3%低于2ppmv,只有7.7%高于3ppmv。均方根誤差在大多數(shù)時間內(nèi)都很穩(wěn)定。同時,模擬值與觀測值隨緯度變化的偏差表明,模式往往會在南半球低估大氣CO2濃度,偏差在1.5ppmv之內(nèi),而在北半球卻會出現(xiàn)恰好相反的現(xiàn)象,85.8%的偏差低于1.1ppmv。 HIPPO-2與HIPPO-3的統(tǒng)計分析結果與HIPPO-1類似。在南半球模擬垂直廓線的值一般低于其觀測值,而北半球的模擬情況恰恰相反。模擬的誤差呈現(xiàn)出季節(jié)性特征(HIPPO-1,2,3),這種誤差尤以北半球高緯度地區(qū)更為明顯。分析結果表明,NIES大氣化學傳輸模式能夠很好的模擬垂直廓線,且大部分模擬誤差在1-2ppmv之內(nèi),但在對流層高層及平流層低層,尤其在北半球高緯度地區(qū)會出現(xiàn)較大模擬誤差,此時往往也伴隨著位溫垂直廓線梯度的突變。3.通過基于貝葉斯理論的反演模式,對2009年1月至2010年2月全球43個區(qū)域的甲烷月通量進行估計,所用數(shù)據(jù)是GOSAT SEIR 2級柱平均干空氣甲烷濃度值(XCH4)及WDCGG的地基CH4觀測值。大氣中甲烷濃度的通量估計和全球分布是為GOSAT 4級研究產(chǎn)品的分布做準備的。我們將GFED(Global Fire Emissions Database)和VISIT(Vegetation Integrative Simulator for Trace gases)生態(tài)模式得到的CH4排放年際變化、CH4排放的年際循環(huán)EDGAR (Emission Database for Global Atmospheric Research) 、TransCom-CH4計劃的化學沉降場運用于NIES大氣化學傳輸模型的前向模式,并將尺度調(diào)整分別應用到每個區(qū)域的這4類通量中。優(yōu)化通量的反演問題可以通過卡爾曼濾波的固定延遲平滑算法來解決。本文中,我們通過兩種數(shù)據(jù)集相結合來進行反演,評估了GOSAT XCH4在通量估計中的適用性。其次,對通過前向模式得到的每月129個排放源進行奇異值分解,并將新的擾動值運用到反演模式中。研究結果表明,經(jīng)過奇異值分解之后,全球后驗源通量標準偏差平均減少10.2%,卡方值最高減少17.3%。另外,除了亞洲地區(qū)和海洋區(qū)域,全球的誤差都不同程度的降低,尤其是在南北美洲和澳大利亞。因此,引入奇異值分解不僅能夠減少數(shù)據(jù)存儲量,更重要的是改善了全球甲烷區(qū)域通量的反演精度。
【關鍵詞】：CO_2 CH_4 反演 模擬 大氣輸送 通量
【學位授予單位】：華東師范大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：X87;X16
【目錄】：

• 論文摘要6-9
• ABSTRACT9-15
• 第一章 引言15-39
• 第一節(jié) 研究背景和意義16-20
• 第二節(jié) 國外研究現(xiàn)狀20-31
• 1.2.1 衛(wèi)星遙感溫室氣體的反演模擬20-23
• 1.2.2 大氣輸送模式模擬溫室氣體的研究現(xiàn)狀23-27
• 1.2.3 全球碳通量同化模擬研究現(xiàn)狀27-31
• 第三節(jié) 國內(nèi)研究現(xiàn)狀31-36
• 第四節(jié) 研究內(nèi)容和方法36-38
• 第五節(jié) 論文的特色與創(chuàng)新之處38-39
• 第二章 AIRS的對流層CO_2濃度反演39-62
• 第一節(jié) AIRS及其產(chǎn)品39-46
• 第二節(jié) 研究方法46-52
• 第三節(jié) 結果與分析52-61
• 2.3.1 瓦里關反演結果52-57
• 2.3.2 Plateau Rosa反演結果57-61
• 第四節(jié) 本章小結61-62
• 第三章 HIPPO CO_2濃度及其廓線的模擬62-84
• 第一節(jié) NIES大氣輸送模式62-66
• 3.1.1 混合σ-θ垂直坐標62-63
• 3.1.2 平流層中上升運動的模擬63-64
• 3.1.3 水平質(zhì)量通量校正64-66
• 第二節(jié) 模式輸入數(shù)據(jù)66-71
• 3.2.1 驅動場數(shù)據(jù)66-67
• 3.2.2 HIPER Pole-to-Pole數(shù)據(jù)67-71
• 第三節(jié) 數(shù)值方法及其測試71-75
• 第四節(jié) 結果與分析75-83
• 第五節(jié) 本章小結83-84
• 第四章 全球CH_4區(qū)域通量估計84-109
• 第一節(jié) GOSAT及其產(chǎn)品84-88
• 第二節(jié) CH_4排放通量88-95
• 4.2.1 GFED88-90
• 4.2.2 VISIT生態(tài)模式90-92
• 4.2.3 EDGAR92
• 4.2.4 TransCom-CH_4計劃92-95
• 第三節(jié) 大氣化學輸送前向模式95-96
• 第四節(jié) 反演同化理論與方法96-102
• 4.4.1 卡爾曼濾波的固定延遲平滑算法97-98
• 4.4.2 貝葉斯理論98-99
• 4.4.3 奇異值分解99-100
• 4.4.4 反演同化模型的建立100-102
• 第五節(jié) 結果與分析102-108
• 第六節(jié) 本章小結108-109
• 第五章 結論與展望109-113
• 第一節(jié) 主要結論109-111
• 第二節(jié) 工作展望111-113
• 攻讀博士學位期間發(fā)表論文113-114
• 參考文獻114-143
• 后記

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