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、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
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
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
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
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 线性误差 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
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
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
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
•
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
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
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
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
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。