气溶胶对短波红外卫星遥感大气CH4影响的敏感性-国家卫星气象中心
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气溶胶对短波红外卫星遥感大气CH4 影响的敏感性分析
报 告 人：邓剑波 单 位：湖南省气象科学研究所
湖南全省气象科学研究所
目
录
一、研究背景
二、正演模型系统 三、反演算法 四、气溶胶影响敏感性分析
一 研究背景-温室效应
直接辐射强迫：0.48 W/m2
a.消耗OH，OH的减少导致 大气CH4生命周期的延长
间接辐 射效应
b.氧化反应导致对流层臭氧， 平流层水汽的增加 c.最终氧化产物：CO2
By courtesy of IPCC 2013
直接辐射强迫 + 间接辐射效应 = 0.97 W/m2
研究意义-全球CH4通量估算方法
大气CH4净排放的估算： 地基资料
精度高，覆盖低
模式模拟
（bottom-up）
气溶胶参数权重函数的相关系数
Param eters CH4 τ σr R H σw
CH4 1.0
τ -0.722 1.0
σr -0.635 0.972 1.0
r -0.684 0.993 0.992 1.0
H 0.684 -0.666 -0.475 -0.576 1.0
σw 0.675 -0.658 0.470 -0.699 0.988 1.0
反演算法
反演框架
正演模式
-模拟光谱 -权重函数
实测光谱 观测误差
最优估计反演算法
-最小化代价函数 -LM方法迭代求解
更新反演 状态参量
否
收敛测试 是 线性误Fra Baidu bibliotek 分析
XCH4产品
一、选题背景，研究意义和现状 二、正演模型及敏感性分析 三、反演算法设计
四、气溶胶修影响敏感性分析
气溶胶修订
气溶胶对辐亮度的影响
先验信息
反演算法
Levenberg-Marquardt 迭代
结合了牛顿迭代法和高斯牛顿迭代的优点 求解过程更为稳定
通过非线性程度调整
自动调整γ :
c i2-1 - c i2 R= 2 c i-1 - c i2,linear
ì R > 0.75;g / 2 ï í 0.25 < R < 0.75;g ï R < 0.25;g * 5 î
短波红外对边界层大气CH4变化敏感性较强，利用
该波段进行探测可以获取整层大气CH4信息。 短波红外波段获取低层大气CH4信息， 结果有利于支撑对地表碳源、汇估算
一、选题背景，研究意义和现状 二、正演模型系统 三、反演算法 四、气溶胶影响敏感性分析
正演模型系统
大气辐射传输过程
VLIDORT
Vector LInearized Discrete Ordinate Radiative Transfer
VLIDORT 辐射传输
大气参数 权重函数
一、选题背景，研究意义和现状 二、正演模型及敏感性分析 三、反演算法
四、气溶胶影响敏感性分析
反演算法
最优估计理论
正演模型系统描述大气辐射传输过程
先验信息 贝叶斯 状态参量 定理 后验概率
观测信息 正演模型
“最优解”
最小化代价函数
最优解
观测信息
•
模拟反演结果表明：通过同步反演气溶胶光学厚度和廓线中 心高度两个参数，能降低80%的误差
谢谢大家 请予指正
1 光学厚度，谱分布宽度，粒子半径权重函数参数较为一致； 2 廓线中心高度，宽度权重函数较为参数一致 采用同步反演光学厚度和中心高度参数修订气溶胶的影响
反演算法
气溶胶参数的自由度
SZA=5°
• 光学厚度和中心高 度具有较大的自由 度 • 该波段内不含有气 溶胶类型的信息
SZA=30°
气溶胶修订
气溶胶参数权重函数
Parame ters CH4 τ σr R H σw
CH4 1.0
τ 0.549 1.0
σr 0.654 0.980 1.0
r 0.220 0.880 0.771 1.0
H 0.296 0.798 0.812 0.615 1.0
σw 0.242 0.762 0.770 0.594 0.997 1.0
区域范围 小 不确定度 大 50%~？ 区域范围 大 不确定度 小
卫星+地基
覆盖广，时间长
模式反推
（top-down）
卫星资料：高精度（系统误差<1%）[Meirink 不确定性：卫星+地基 = 1/3 地基
et al 2006]
[Feng et al 2013]
热红外 VS 短波红外
热红外遥感对中层大气CH4变化相对敏感。
原因： 1 气溶胶自身的吸收 影响大气顶辐亮度 2 气溶胶的散射效应 改变光程，影响大气分子吸收 研究表明： 由于气溶胶的散射所引入误差 > 1%
地表
反演算法
翼峰比：
气溶胶对辐亮度的影响
CH4吸收相对深度
结论： 1 气溶胶的存在加强了 CH4的吸收
黑：0-1km
蓝：2-3km
2 不同高度的气溶胶对 CH4吸收的影响程度存 在差异
太阳辐射
• 大气分子吸收 • 大气粒子散射 • 地表反射 • 仪器探测
地表反射 CH4等吸收 云和气溶胶
正演模型系统
计算流程
分子吸收 光谱数据库 大气状态
CH4, H2O, T, P
LBLRTM 分子吸收光学厚度 气溶胶米散射 光学厚度，相函数， 单次反射率 大气分子瑞利散射 光学厚度，相函数， 单次反射率 地表模型 仪器 模型 辐亮度
光学厚度
高度
反演算法
混合型气溶胶反演实验（1）
混合型气溶胶反演实验（2）
气溶胶廓线中心高度参数
1 吸收性强的气溶胶（Urban），对反演结果精度的影响较小 2 通过反演光学厚度和气溶胶廓线中心高度，能订正80%的反演误差
小结
• • 分析了气溶胶对辐亮度的影响
分析了所选用的反演波段内气溶胶参数的信息含量 短波红外含有部分气溶胶光学厚度和廓线中心高度的信息
报 告 人：邓剑波 单 位：湖南省气象科学研究所
湖南全省气象科学研究所
目
录
一、研究背景
二、正演模型系统 三、反演算法 四、气溶胶影响敏感性分析
一 研究背景-温室效应
直接辐射强迫：0.48 W/m2
a.消耗OH，OH的减少导致 大气CH4生命周期的延长
间接辐 射效应
b.氧化反应导致对流层臭氧， 平流层水汽的增加 c.最终氧化产物：CO2
By courtesy of IPCC 2013
直接辐射强迫 + 间接辐射效应 = 0.97 W/m2
研究意义-全球CH4通量估算方法
大气CH4净排放的估算： 地基资料
精度高，覆盖低
模式模拟
（bottom-up）
气溶胶参数权重函数的相关系数
Param eters CH4 τ σr R H σw
CH4 1.0
τ -0.722 1.0
σr -0.635 0.972 1.0
r -0.684 0.993 0.992 1.0
H 0.684 -0.666 -0.475 -0.576 1.0
σw 0.675 -0.658 0.470 -0.699 0.988 1.0
反演算法
反演框架
正演模式
-模拟光谱 -权重函数
实测光谱 观测误差
最优估计反演算法
-最小化代价函数 -LM方法迭代求解
更新反演 状态参量
否
收敛测试 是 线性误Fra Baidu bibliotek 分析
XCH4产品
一、选题背景，研究意义和现状 二、正演模型及敏感性分析 三、反演算法设计
四、气溶胶修影响敏感性分析
气溶胶修订
气溶胶对辐亮度的影响
先验信息
反演算法
Levenberg-Marquardt 迭代
结合了牛顿迭代法和高斯牛顿迭代的优点 求解过程更为稳定
通过非线性程度调整
自动调整γ :
c i2-1 - c i2 R= 2 c i-1 - c i2,linear
ì R > 0.75;g / 2 ï í 0.25 < R < 0.75;g ï R < 0.25;g * 5 î
短波红外对边界层大气CH4变化敏感性较强，利用
该波段进行探测可以获取整层大气CH4信息。 短波红外波段获取低层大气CH4信息， 结果有利于支撑对地表碳源、汇估算
一、选题背景，研究意义和现状 二、正演模型系统 三、反演算法 四、气溶胶影响敏感性分析
正演模型系统
大气辐射传输过程
VLIDORT
Vector LInearized Discrete Ordinate Radiative Transfer
VLIDORT 辐射传输
大气参数 权重函数
一、选题背景，研究意义和现状 二、正演模型及敏感性分析 三、反演算法
四、气溶胶影响敏感性分析
反演算法
最优估计理论
正演模型系统描述大气辐射传输过程
先验信息 贝叶斯 状态参量 定理 后验概率
观测信息 正演模型
“最优解”
最小化代价函数
最优解
观测信息
•
模拟反演结果表明：通过同步反演气溶胶光学厚度和廓线中 心高度两个参数，能降低80%的误差
谢谢大家 请予指正
1 光学厚度，谱分布宽度，粒子半径权重函数参数较为一致； 2 廓线中心高度，宽度权重函数较为参数一致 采用同步反演光学厚度和中心高度参数修订气溶胶的影响
反演算法
气溶胶参数的自由度
SZA=5°
• 光学厚度和中心高 度具有较大的自由 度 • 该波段内不含有气 溶胶类型的信息
SZA=30°
气溶胶修订
气溶胶参数权重函数
Parame ters CH4 τ σr R H σw
CH4 1.0
τ 0.549 1.0
σr 0.654 0.980 1.0
r 0.220 0.880 0.771 1.0
H 0.296 0.798 0.812 0.615 1.0
σw 0.242 0.762 0.770 0.594 0.997 1.0
区域范围 小 不确定度 大 50%~？ 区域范围 大 不确定度 小
卫星+地基
覆盖广，时间长
模式反推
（top-down）
卫星资料：高精度（系统误差<1%）[Meirink 不确定性：卫星+地基 = 1/3 地基
et al 2006]
[Feng et al 2013]
热红外 VS 短波红外
热红外遥感对中层大气CH4变化相对敏感。
原因： 1 气溶胶自身的吸收 影响大气顶辐亮度 2 气溶胶的散射效应 改变光程，影响大气分子吸收 研究表明： 由于气溶胶的散射所引入误差 > 1%
地表
反演算法
翼峰比：
气溶胶对辐亮度的影响
CH4吸收相对深度
结论： 1 气溶胶的存在加强了 CH4的吸收
黑：0-1km
蓝：2-3km
2 不同高度的气溶胶对 CH4吸收的影响程度存 在差异
太阳辐射
• 大气分子吸收 • 大气粒子散射 • 地表反射 • 仪器探测
地表反射 CH4等吸收 云和气溶胶
正演模型系统
计算流程
分子吸收 光谱数据库 大气状态
CH4, H2O, T, P
LBLRTM 分子吸收光学厚度 气溶胶米散射 光学厚度，相函数， 单次反射率 大气分子瑞利散射 光学厚度，相函数， 单次反射率 地表模型 仪器 模型 辐亮度
光学厚度
高度
反演算法
混合型气溶胶反演实验（1）
混合型气溶胶反演实验（2）
气溶胶廓线中心高度参数
1 吸收性强的气溶胶（Urban），对反演结果精度的影响较小 2 通过反演光学厚度和气溶胶廓线中心高度，能订正80%的反演误差
小结
• • 分析了气溶胶对辐亮度的影响
分析了所选用的反演波段内气溶胶参数的信息含量 短波红外含有部分气溶胶光学厚度和廓线中心高度的信息