大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)衛(wèi)星星載激光雷達(dá)二氧化碳遙感反演方法及精度驗(yàn)證

張 璐，張興贏，曹西鳳，閆歡歡，劉恭舉

（1.中國(guó)氣象局中國(guó)遙感衛(wèi)星輻射測(cè)量和定標(biāo)重點(diǎn)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室/國(guó)家衛(wèi)星氣象中心（國(guó)家空間天氣監(jiān)測(cè)預(yù)警中心），許健民氣象衛(wèi)星創(chuàng)新中心，北京 100081；2.青島科技大學(xué) 理學(xué)院，山東 青島 266061）

0 引言

19 世紀(jì)80 年代后，隨著對(duì)全球大氣CO2濃度觀測(cè)數(shù)據(jù)的需求，各國(guó)分別建立CO2探測(cè)地基觀測(cè)站。由世界氣象組織（World Meteorological Organization，WMO）協(xié)調(diào)建立的全球大氣監(jiān)測(cè)網(wǎng)（Global Atmosphere Watch，GAW），在全球尺度上對(duì)大氣中CO2、CH4和其他的溫室氣體進(jìn)行精確、準(zhǔn)確的地面現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量。GAW 監(jiān)測(cè)網(wǎng)約有30 個(gè)全球站，400 多個(gè)區(qū)域站［1］。此外還有美國(guó)大氣和海洋局建立的全球溫室氣體參考網(wǎng)絡(luò)（Global Greenhouse Gas Reference Network，GGGRN），歐洲建立的綜合碳監(jiān)測(cè)系（Integrated Carbon Observation System，ICOS）等［2-3］。雖然地基監(jiān)測(cè)站點(diǎn)已近大規(guī)模的在布局，但仍然沒(méi)有足夠的空間分辨率和覆蓋范圍來(lái)量化單個(gè)國(guó)家向大氣中排放CO2和CH4或量化自然匯的消納量，并且地基觀測(cè)在南北極地區(qū)以及海洋尤其稀疏。需要大幅度擴(kuò)大溫室氣體網(wǎng)絡(luò)，以確定清單遺漏的排放“熱點(diǎn)”或評(píng)估國(guó)家碳排放管理戰(zhàn)略的有效性。但是海上、南北極建設(shè)和運(yùn)行站點(diǎn)的困難，使得地基觀測(cè)在上述區(qū)域無(wú)法進(jìn)行長(zhǎng)期觀測(cè)。

利用衛(wèi)星遙感高的空間分辨率、全球覆蓋廣的特點(diǎn)監(jiān)測(cè)溫室氣體的源匯分布，為碳監(jiān)測(cè)、全球尺度碳循環(huán)和氣候變化提供大量觀測(cè)數(shù)據(jù)，而且聯(lián)合國(guó)氣候變化框架公約科學(xué)技術(shù)組也認(rèn)可了衛(wèi)星遙感在監(jiān)測(cè)CO2排放方面的效用［4］。從20 世紀(jì)開(kāi)始已經(jīng)有多顆衛(wèi)星遙感大氣中的CO2，由于人類活動(dòng)主要影響近地面的溫室氣體濃度變化，所以對(duì)近地面更敏感短波紅外較熱紅外探測(cè)器更適合監(jiān)測(cè)碳源匯動(dòng)態(tài)分布［5］。自2003 年起國(guó)際上發(fā)射了多顆被動(dòng)光學(xué)的遙感衛(wèi)星用于監(jiān)測(cè)近地面XCO2。例如，國(guó)際上歐洲航天局（European Space Agency，ESA）發(fā)射的ENVISAT（ENVIronmental SATellite）衛(wèi)星上的搭載了SCIAMACHY（SCanning Imaging Absorption spectrometer for Atmospheric CartograpHY）探測(cè)儀［6］；日本的發(fā)射的GOSAT（Greenhouse Gases Observing Satellite）和 GOSAT-2（Greenhouse Gases Observing Satellite-2）［7-8］；美國(guó)國(guó)家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）的OCO-2（Orbiting Carbon Observatory-2）、OCO-3（Orbiting Carbon Observatory-3）［9-10］；中國(guó)的碳衛(wèi)星（TanSat）、高分五號(hào)（GaoFen-5，GF-5）以及風(fēng)云 3D（FengYun3D，F(xiàn)Y3D）等［11-13］。

星載被動(dòng)遙感系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、技術(shù)成熟、重量輕，并且功耗低，但是由于星載被動(dòng)遙感技術(shù)機(jī)制原理問(wèn)題，對(duì)于高緯度地區(qū)，由于太陽(yáng)高度角大，光照不充足，被動(dòng)遙感在高緯度地區(qū)探測(cè)缺乏敏感性；依賴于太陽(yáng)光背景輻射，所以夜間無(wú)法觀測(cè)；反演強(qiáng)烈受云和氣溶膠影響，對(duì)數(shù)據(jù)精度影響大。例如：SCIAMACHY 探測(cè)CO2的精度為2%～3%（8×10-6～12×10-6）［14］，雖然經(jīng)過(guò)校正后GOSAT-2，OCO-2 以及碳衛(wèi)星的遙感的大氣CO2精度達(dá)到了1×10-6左右［15-16］，但是其損失了大量有效數(shù)據(jù)，此外，受云遮擋的影響有效數(shù)據(jù)又大量損失。

已有多個(gè)國(guó)家進(jìn)行了基于衛(wèi)星的主動(dòng)激光雷達(dá)探測(cè)XCO2的地面試驗(yàn)和機(jī)載試驗(yàn)驗(yàn)證。例如以激光多光束探測(cè)的美國(guó)ASCENDS（Active Sensing of CO2Emissions over Nights，Days，&Seasons）計(jì)劃和我國(guó)大氣1 號(hào)的雙光束積分路徑差分吸收機(jī)制（Integral Path Differential Absorption，IPDA）［17-20］。

我國(guó)2022 年4 月發(fā)射的大氣環(huán)境（DQ-1）衛(wèi)星，其探測(cè)機(jī)制是由系統(tǒng)主動(dòng)發(fā)出一定波長(zhǎng)的電磁并獲取其回波信號(hào)完成大氣探測(cè)，探測(cè)CO2精度高于1×10-6。與被動(dòng)觀測(cè)相比，主動(dòng)觀測(cè)方式不依賴于太陽(yáng)光，具有全天候、全天時(shí)、探測(cè)范圍廣的特點(diǎn)，且在對(duì)流層底部氣體濃度變化具有較高的敏感性。大氣環(huán)境衛(wèi)星搭載的XCO2探測(cè)儀IPDA 激光雷達(dá)通過(guò)測(cè)量?jī)墒す庠谟材繕?biāo)表面的回波信號(hào)差異提取CO2氣體濃度信息。

但是美國(guó)的SACENDS 計(jì)劃在特朗普就任總統(tǒng)之后就取消了，所以國(guó)際上主動(dòng)探測(cè)XCO2的星載衛(wèi)星計(jì)劃就只有國(guó)產(chǎn)的大氣環(huán)境衛(wèi)星。此外歐洲的MERLIN 主動(dòng)激光雷達(dá)衛(wèi)星機(jī)制與我國(guó)的大氣環(huán)境衛(wèi)星類似，但是MERLIN 探測(cè)XCH4［21］。

本文是對(duì)國(guó)產(chǎn)大氣環(huán)境衛(wèi)星主動(dòng)探測(cè)CO2的技術(shù)進(jìn)行全面介紹，論文的內(nèi)容安排如下：第2 章介紹大氣環(huán)境衛(wèi)星的硬件指標(biāo)，第3 章介紹大氣環(huán)境衛(wèi)星的反演算法，第4 章介紹初步反演結(jié)果和地面驗(yàn)證工作，第5 章總結(jié)和未來(lái)的研究計(jì)劃。

1 大氣環(huán)境衛(wèi)星溫室氣體探測(cè)激光雷達(dá)的參數(shù)

2022 年4 月16 日國(guó)產(chǎn)大氣環(huán)境衛(wèi)星成功發(fā)射到太陽(yáng)同步極地軌道，重訪周期為51 d。其上搭載的氣溶膠和碳探測(cè)激光雷達(dá)（Aerosol and Carbon Detection Lidar，ACDL）由上海精密光學(xué)機(jī)械研究所研制，ACDL 是世界上第一個(gè)星載路徑差分吸收激光雷達(dá)儀器，可以用于測(cè)量大氣中二氧化碳和氣溶膠。ACDL 發(fā)射兩個(gè)相鄰波長(zhǎng)的激光脈沖CO2吸收峰1 572.024 nm（on-line），CO2非吸收峰1 572.085 nm（off-line），這兩束激光位置經(jīng)過(guò)嚴(yán)格篩選，降低了氣溶膠水汽等因素對(duì)反演CO2的影響。此外直徑為1 m 的接收望遠(yuǎn)鏡采集從硬目標(biāo)反射的帶有CO2吸收的回波信號(hào)。在脈沖頻率為20 Hz 時(shí)，激光發(fā)射器的能量約為75 mJ。雙脈沖間隔200 μs 切換，確保地面上on-line 和off-line 激光光斑重疊（兩束激光中心距離1.5 m）。ACDL 的激光發(fā)散角為0.1 mrad，近地點(diǎn)時(shí)對(duì)應(yīng)于沿著衛(wèi)星軌道的70 m 足跡。ACDL 儀器的光學(xué)設(shè)計(jì)如圖1所示。

3 大氣環(huán)境衛(wèi)星CO2的反演算法

3.1 基本原理

IPDA 激光雷達(dá)交替發(fā)射兩束波長(zhǎng)相近的激光，分別稱為on-line 與off-line。on-line 激光位于CO2吸收峰附近吸收較強(qiáng)的位置，其吸收率對(duì)CO2濃度的變化較為敏感；off-line 激光遠(yuǎn)離CO2吸收線的中心，位于吸收較弱的位置，作為參考光。由于on-line 和off-line 波長(zhǎng)很近，水汽光學(xué)厚度可以忽略不記，氣溶膠等其他因素的影響相互抵消，可由兩波數(shù)差分信號(hào)得到CO2的濃度信息［23-27］。下文將詳細(xì)介紹IPDA 機(jī)制探測(cè)XCO2的物理原理。

首先假設(shè)硬目標(biāo)的散射類型為郎伯散射，則on-line 與off-line 處雷達(dá)方程如下：

式中：P(λon)、P(λoff)分別為on-line 和off-line 的激光脈沖回波功率；Q為目標(biāo)反射率；E為發(fā)射激光脈沖信號(hào)強(qiáng)度；teff激光雷達(dá)回波信號(hào)的有效脈沖寬度；A為有效接收器面積；R為雷達(dá)系統(tǒng)到硬目標(biāo)距離；Topt為儀器輻射傳輸影響；Tatm為其他大氣成分的輻射傳輸影響；nCO2(r)為CO2分子數(shù)密度；σ(λon，r)為CO2分析吸收截面。

兩式相除可得：

定義DAOD為差分吸收光學(xué)厚度（Differential Absorption Optical Depth，DAOD）。

由于理想氣體狀態(tài)方程可得空氣分子數(shù)密度nair(r)為

式中：p(r)為壓強(qiáng)；k為玻爾茲曼常數(shù)；T(r)為溫度；r為海拔高度。

因此，干空氣分子數(shù)密度ndryair(r)可表示為

依據(jù)流體靜力學(xué)方程和理想氣體狀態(tài)方程，壓強(qiáng)與高度的關(guān)系為

將式（7）和式（8）帶入式（3）可得

最終可得大氣層頂?shù)降孛嬲麄€(gè)積分路徑干空氣CO2加權(quán)柱濃度為

3.2 反演流程

大氣環(huán)境衛(wèi)星的IPDA 的數(shù)據(jù)處理主要分為以下幾步：

步驟1背景信號(hào)扣除。

雷達(dá)信號(hào)中包含有背景輻射和系統(tǒng)暗電流等噪聲能量，且通過(guò)比值的無(wú)法直接消除。因此，在數(shù)據(jù)使用前應(yīng)減去背景信號(hào)，保證測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確定。

步驟2回波信號(hào)濾波去噪。

采用滑動(dòng)平均濾波器或小波分析、經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解、變分模態(tài)分解等方法進(jìn)行噪聲去除。

步驟3幾何因子校正。

由于差分吸收激光雷達(dá)兩個(gè)探測(cè)波長(zhǎng)來(lái)自不同的固體激光器，兩者幾何因子不同，需要對(duì)2 個(gè)波長(zhǎng)的幾何因子進(jìn)行校正。目前通過(guò)激光雷達(dá)回波信號(hào)校正幾何因子的方法有單通道幾何因子校正和雙通道幾何因子校正。

步驟4DAOD 計(jì)算。

DAOD 可由傳感器獲取的觀測(cè)數(shù)據(jù)直接計(jì)算得到，具體計(jì)算公式如下：

步驟5CO2權(quán)重函數(shù)。

采用表面壓強(qiáng)、溫度、水汽廓線等大氣狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行CO2權(quán)重函數(shù)計(jì)算，計(jì)算公式如式（10）所示。輔助數(shù)據(jù)可由歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心（European Center for Medium-Range Weather Forecasts，ECMWF）［29］。

在實(shí)際反演中，由于溫度、壓強(qiáng)及水汽含量的變化，吸收截面積的計(jì)算需要消耗大量的時(shí)間。為提高計(jì)算效率，可構(gòu)建針對(duì)不同溫度、壓強(qiáng)、波長(zhǎng)下的CO2吸收截面積查找表，以實(shí)現(xiàn)CO2實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。

步驟6CO2加權(quán)柱濃度計(jì)算。

由權(quán)重函數(shù)和DAOD 計(jì)算得到0～R高度范圍內(nèi)CO2加權(quán)柱濃度結(jié)果：

5 大氣環(huán)境衛(wèi)星反演XCO2 結(jié)果和地面驗(yàn)證

利用大氣環(huán)境衛(wèi)星上搭載的ACDL 激光雷達(dá)反演了2022 年6 月XCO2的結(jié)果，并與大全球碳柱總量觀測(cè)網(wǎng)（Total Carbon Column Observing Network，TCCON）測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。

2022 年6 月晝夜ACDL 監(jiān)測(cè)的全球XCO2結(jié)果如圖2 所示。為滿足精度和信噪比要求（1×10-6精度），對(duì)148 個(gè)回波進(jìn)行平均（8 s 積分時(shí)間，沿軌道50 km）。盡管激光雷達(dá)可以穿透云層獲得云下回波，但部分厚云是不可穿透或者穿透后信噪比也很低，這部分?jǐn)?shù)據(jù)影響探測(cè)精度，所以圖2 顯示不包括云反射的激光信號(hào)反演的XCO2。

圖2 大氣環(huán)境衛(wèi)星探測(cè)2022 年6 月全球XCO2晝夜圖Fig.2 Daytime and nighttime XCO2 retrieved from the ACDL in June 2022

如圖2（a）所示，白天的XCO2值范圍約為（390.0～430.0）×10-6，具有較大的南北極梯度。6 月北半球的平均XCO2比南半球高約10.0×10-6，原因是CO2的人為來(lái)源較大，植被的光合作用速率較低。XCO2的高值出現(xiàn)在北半球中緯度（10～40° N），特別是在北美、西歐、南亞和東亞。這一特征與人類活動(dòng)的化石燃料排放密切相關(guān)。此外還顯示中東和北非的XCO2相對(duì)較高，這可能是由于這些地區(qū)光合作用較少。在高緯度（60～90° N）觀察到較低的XCO2值（＜405×10-6），這與海洋和植被光合作用的強(qiáng)烈吸收有關(guān)。由于人類活動(dòng)減少，XCO2值隨著緯度的增加而逐漸降低。在非洲南部、澳大利亞和南美洲，化石燃料排放導(dǎo)致XCO2增強(qiáng)。

圖2（b）顯示了由激光雷達(dá)探測(cè)得出的第一個(gè)全球夜間XCO2分布。通過(guò)對(duì)6 月全球探測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，夜間XCO2的平均值比白天高約7.5×10-6，特別是在植被密集和人類活動(dòng)密集的地區(qū)晝夜XCO2濃度差異會(huì)更大。此外，發(fā)現(xiàn)盡管極地地區(qū)人類活動(dòng)較少，但XCO2并不明顯低于周邊地區(qū)。

為了驗(yàn)證ACDL 激光雷達(dá)探測(cè)XCO2精度，我們選擇了2 個(gè)TCCON 站點(diǎn)比對(duì)（能獲取觀測(cè)數(shù)據(jù)的站點(diǎn)）。圖3 顯示了大氣環(huán)境衛(wèi)星探測(cè)點(diǎn)和TCCON 位置（大氣環(huán)境衛(wèi)星觀測(cè)與TCCON 時(shí)空匹配為：2°緯度/經(jīng)度范圍和2 h 觀測(cè)時(shí)間內(nèi)，對(duì)比中濾掉了被云層和海洋污染的大氣環(huán)境衛(wèi)星探測(cè)數(shù)據(jù)）。對(duì)比發(fā)現(xiàn)ACDL 與香河站點(diǎn)的平均偏差為0.48×10-6，標(biāo)準(zhǔn)差為1.48×10-6，ACDL 與Sodankyl? 站點(diǎn)的平均偏差為0.80×10-6，標(biāo)準(zhǔn)差為1.99×10-6。由于目前大氣環(huán)境衛(wèi)星和TCCON 站點(diǎn)匹配的結(jié)果有限，無(wú)法進(jìn)行大量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)比較。未來(lái)在獲取更多數(shù)據(jù)后，我們將進(jìn)行更全面的驗(yàn)證研究［30-31］。

此外TCCON 計(jì)算XCO2如下：

式（15）與式（11）相比，大氣環(huán)境衛(wèi)星探測(cè)的XCO2為二氧化碳廓線加權(quán)后的積分，而TCCON 探測(cè)XCO2為廓線的直接積分。所以目前使用TCCON 與大氣環(huán)境衛(wèi)星探測(cè)XCO2對(duì)比，主要是監(jiān)測(cè)衛(wèi)星探測(cè)二氧化碳穩(wěn)定性。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文研究了介紹了大氣環(huán)境衛(wèi)星上搭載的星載積分路徑差分吸收激光雷達(dá)探測(cè)XCO2的原理和初步結(jié)果，從結(jié)果可以看出相比被動(dòng)探測(cè)，主動(dòng)探測(cè)的精度高、時(shí)空覆蓋廣而且可以晝夜不間斷觀測(cè)。與TCCON 站點(diǎn)比較平均偏差小于1×10-6。這些數(shù)據(jù)為研究二氧化碳源匯提供新視角。但是由于衛(wèi)星在軌時(shí)間有限，對(duì)于衛(wèi)星測(cè)量XCO2的精度需要進(jìn)一步工作，而且由于主動(dòng)探測(cè)和被動(dòng)探測(cè)機(jī)制不同，地面TCCON 觀測(cè)的XCO2能不能可以對(duì)主動(dòng)探測(cè)XCO2進(jìn)行驗(yàn)證這一點(diǎn)值得進(jìn)一步研究。此外積分路徑差分吸收激光雷達(dá)在軌定標(biāo)的工作也是未來(lái)工作的重點(diǎn)