基于红外高光谱CrIS卫星数据的大气CO垂直廓线反演研究

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目前,国际社会已经开始广泛关注气候变化的问题,环境问题也逐步得到人们的重视。一氧化碳是大气中仅次于二氧化碳和甲烷的含碳量第三的温室气体,也是大气污染气体之一,主要来自于生物质的不完全燃烧以及大气中挥发性有机物的氧化,与人类活动息息相关。一氧化碳已被我国的《环境空气质量标准》列入观测,也是环境空气质量指数(AQI)的重要分指数之一。在地基观测中,由于站点布设收到诸多地面因素的限制和影响,且站点有限,不能很好的反应整个空间的分布情况。卫星遥感不受地表条件的限制,可以进行大区域尺度的观测,在观测中占据非常重要的位置。目前已发展了很多代红外卫星传感器,在近红外和红外区域,CO的强吸收波长为4.7μ m,弱吸收波长为2.3μ m,本文选用的CrIS卫星传感器搭载在NPP卫星上,提供了1305个光谱通道。本文的主要研究内容如下:  (1)利用官方发布的AIRS卫星传感器的CO产品,研究CO浓度与火点数、CO浓度与人口分布的关系。AIRS基于4.7μ m波段信息反演CO,本文选取近地表和500 hPa高度的CO体积混合比数据展开研究,发现CO浓度与火点数具有较好的相关关系;且使用我国第六次人口普查数据(2010年)绘制全国人口密度分布图,发现CO的空间分布与人口密度分布较为一致。这表明,CO浓度确实受生物质燃烧的影响,人类活动是重要的因素。同时也说明,AIRS的CO产品能够反映CO的时空分布,可以作为本文的验证数据。  (2)利用辐射传输模型CRTM模拟亮度温度。将0~50°扫描角分为11类,将0~1100 Pa的压强分为101层,与80条样本廓线一起输入CRTM辐射传输模型中,模拟出亮度温度,得到按扫描角分类的11组训练样本,每组训练样本包括一氧化碳样本廓线和模拟亮度温度。  (3)利用经验正交函数法计算训练样本的回归系数。对于11组训练样本,对一氧化碳样本廓线和模拟亮度温度分别进行求均值、距平、协方差矩阵,对协方差矩阵进行正交展开,并根据最小二乘法和正交性质,得到11组回归系数。  (4)根据回归系数和卫星观测值,反演出一氧化碳垂直廓线,并且计算出一氧化碳的柱浓度。本文选取4.7μ m附近的27个通道的卫星观测值,并根据每个点的卫星扫描角选择训练样本和系数,反演出一氧化碳垂直廓线。  (5)将反演出的廓线数据与AIRS官方产品进行对比。发现反演出的一氧化碳垂直廓线与AIRS的廓线产品较为一致,但是基于经验正交函数方法反演出的一氧化碳对样本的依赖性太强,在日后的工作中应当引入物理方法,进一步进行更深入的研究和反演。
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