Adquisición de datos de detección de CH4 a bordo y algoritmo de inversión de teledetección satelital de CH4 de alta precisión

Para obtener información sobre la distribución espaciotemporal y la variación de la concentración de CH4 cerca de la superficie, la tecnología de detección espacial de CH4 mediante infrarrojo de onda corta se ha desarrollado rápidamente en los últimos años. Se han lanzado múltiples satélites de detección de infrarrojo de onda corta, tanto a nivel nacional como internacional, realizando una serie de estudios de detección de CH4 y aplicaciones relacionadas, logrando así la detección de CH4 desde el espacio. Los satélites experimentales científicos lanzados durante este período han impulsado el desarrollo de algoritmos de inversión de teledetección satelital de CH4 y algoritmos de inversión de flujo, sentando las bases tecnológicas para mejorar las capacidades de detección espacial, generar productos de datos y aplicarlos directamente. Además, han demostrado el potencial de aplicación de la detección por infrarrojo de onda corta en la estimación del balance global de fuentes y sumideros de CH4 desde las perspectivas de la precisión de los datos de detección y la estimación del flujo.

Adquisición de datos de detección de CH4 desde el espacio

La adquisición precisa de datos de detección de CH4 por satélite requiere el apoyo de algoritmos de inversión de teledetección satelital de CH4 de alta precisión. La calidad de los productos de datos de CH4 detectados por satélite depende típicamente de la selección de instrumentos de detección y parámetros de inversión. La detección en infrarrojo de onda corta tiene la ventaja de ser sensible a los cambios de concentración de CH4 cerca de la superficie, pero los espectros de absorción en infrarrojo de onda corta se ven fácilmente afectados por parámetros atmosféricos y de superficie, como gases interferentes, temperatura, nubes y aerosoles, lo que introduce errores significativos. El objetivo de los algoritmos de inversión de alta precisión es reducir la influencia de los factores interferentes y obtener la información de concentración del gas objetivo a partir de la información espectral efectiva. A nivel internacional, se han establecido varios métodos de inversión de teledetección satelital de gases de efecto invernadero utilizando los métodos de detección espectral de los satélites SCIAMACHY y GOSAT. Entre estos, los más utilizados son el algoritmo de inversión de modelo físico completo, el método de inversión proxy y el método de inversión WFM-DOAS.

Algoritmo proxy

El algoritmo Proxy utiliza componentes atmosféricos estables, como el CO2, como representantes para corregir la influencia de las nubes y los aerosoles en la trayectoria óptica de la banda de detección de CH4, extrayendo así información sobre la concentración efectiva de CH4. Esto requiere que la influencia de las nubes y los aerosoles en la trayectoria óptica de las bandas donde se encuentran el gas objetivo y el gas representativo sea comparable. Por lo tanto, suele ser aplicable únicamente a la detección satelital que cubre simultáneamente las bandas de absorción de CO2 y CH4 de 1,6 μm. El producto de datos GOSAT obtenido mediante el algoritmo UoL-Proxy, desarrollado por la Universidad de Leicester (Reino Unido), ha sido verificado por TCCON, con una precisión de detección de punto único de 13,72 ppb y un sesgo global de aproximadamente 9,06 ppb. Los estudios muestran que la precisión de XCH4 recuperada mediante el método Proxy se ve significativamente afectada por la precisión del gas representativo XCO2, la trayectoria óptica y las correcciones de errores sistemáticos, con una precisión de recuperación que oscila entre aproximadamente el 0,6 % y el 2 %.

Algoritmo WFM-DOAS

El algoritmo WFM-DOAS se basa en la espectroscopia de absorción diferencial clásica, utilizando una función de ponderación de la cantidad total de la columna de gas objetivo en lugar de la sección transversal de absorción para ajustar el espectro de absorción diferencial. Inicialmente construido sobre la espectroscopia de detección de SCIAMACHY, el algoritmo WFM-DOAS permitió la inversión de diversas concentraciones de columna de gas; ahora se ha aplicado a la inversión de XCH4 y XCO en Tropomi, produciendo productos de datos con alta consistencia con los resultados del algoritmo totalmente físico. Los resultados de validación en tierra muestran que el error aleatorio de XCH4 obtenido por el algoritmo WFM-DOAS es de 14,0 ppb (0,8 %) y el error sistemático es de 4,3 ppb (0,2 %). El algoritmo de inversión WFM-DOAS tiene requisitos relativamente bajos para la resolución espectral, pero altos requisitos para la precisión de la calibración espectral y parámetros auxiliares como campos meteorológicos (p. ej., perfiles de temperatura y humedad, presión), y se ve afectado significativamente por la cobertura de nubes.

Algoritmo de inversión física completa

Los algoritmos de inversión totalmente físicos utilizan modelado directo para simular el proceso de transferencia radiativa atmosférica de señales, reduciendo significativamente los errores causados ​​por incertidumbres en la trayectoria óptica debido a la dispersión durante la transferencia radiativa, y generalmente logrando una alta precisión de inversión. Los principales algoritmos internacionales de inversión de teledetección satelital de gases de efecto invernadero incluyen el algoritmo estándar GOSAT NIES-FP, el algoritmo estándar OCO-2 de la NASA ACOS, el UoL-FP de la Universidad de Leicester, el algoritmo estándar TROPOMI RemoTeC y el algoritmo estándar chino de satélites de carbono IAPCAS. Estos algoritmos pueden utilizarse para obtener productos de datos atmosféricos de alta precisión XCH4 y XCO2 a partir de espectros infrarrojos de onda corta satelitales. Con un análisis profundo de los errores en los resultados de la inversión y una creciente demanda de precisión del producto, estos algoritmos se actualizan y optimizan continuamente. Actualmente, la precisión de las inversiones de XCH4 utilizando TROPOMI y GOSAT ha mejorado considerablemente. La precisión de la inversión de TROPOMI XCH4 obtenida utilizando el algoritmo RemoTeC mejorado ha alcanzado −3,4 ± 5,6 ppb. La adquisición de productos de datos XCH4 de alta precisión sienta las bases para la estimación del balance atmosférico de CH4. El algoritmo IAPCAS se desarrolló para aplicaciones de datos del satélite chino TanSat. Mediante este algoritmo, se puede obtener un producto de datos XCO2 de alta precisión de 1,47 ppm a partir del espectro de la sonda TanSat, y también permite obtener datos XCH4 y XCO2 del espectro GOSAT. El desarrollo de este algoritmo y su exitosa aplicación en la inversión multisatélite han sentado las bases algorítmicas para la práctica de futuras misiones satelitales en mi país.

Métodos de estimación de flujo

Estimar los presupuestos globales y regionales de CH4 puede ayudar a mejorar nuestra comprensión de la distribución de fuentes y sumideros de CH4 y proporcionar una referencia para abordar el cambio climático futuro. Los métodos actuales de estimación de flujos se dividen principalmente en dos enfoques: de abajo hacia arriba y de arriba hacia abajo. El enfoque de abajo hacia arriba, basado en inventarios de emisiones, flujos observados en estaciones o datos de flujo simulados a escala de cuadrícula, realiza una extrapolación espacial y es un método tradicional de estimación del presupuesto de carbono. Sin embargo, debido a la baja puntualidad de los datos, los resultados del cálculo suelen estar retrasados ​​y no pueden capturar los cambios dinámicos en las fuentes y sumideros de manera oportuna. El enfoque de arriba hacia abajo se basa principalmente en datos de concentración de componentes atmosféricos y datos de inventario de emisiones obtenidos a través de la observación, utilizando modelos de transporte químico atmosférico y métodos de asimilación de datos para estimar los flujos. La investigación existente muestra que el uso de datos de observación satelital para la estimación de flujos puede reducir la incertidumbre en aproximadamente un 85% en comparación con el uso de solo observaciones terrestres. Sin embargo, este método tiene requisitos estrictos en la precisión de los datos de observación; Incluso un sesgo sistemático del 1% correlacionado regional o temporalmente puede afectar la validez de los resultados de la inversión de flujo. Basándose en modelos de transporte químico atmosférico y productos de datos satelitales XCH4 de alta precisión, varios equipos han realizado investigaciones sobre la estimación del flujo de CH4. Numerosos estudios han demostrado que el uso de datos satelitales en la recuperación de flujo puede reducir significativamente la incertidumbre de la recuperación de flujo en diferentes regiones, proporcionando datos de validación importantes para los inventarios de emisiones de CH4 ascendentes y los modelos de emisiones de humedales. Actualmente, los datos GOSAT se utilizan ampliamente en la estimación del flujo de CH4 superficial, lo que ayuda en el análisis de la distribución de fuentes y sumideros de CH4 y los cambios a escalas globales y regionales. Proporciona evidencia confiable para evaluar las contribuciones de diferentes sectores a las emisiones de CH4 y para obtener una comprensión más profunda de los cambios en la distribución de fuentes y sumideros de CH4 y su impacto en el clima. TROPOMI tiene una alta resolución espaciotemporal, y su volumen de datos y precisión son muy superiores a los de GOSAT, lo que le permite sobresalir en la estimación de flujo a pequeña escala. Estos resultados de investigación proporcionan datos científicos que respaldan la elaboración de presupuestos globales de metano y una mayor comprensión de los cambios en las fuentes y sumideros de CH4.

Los productos de datos de CH4 satelitales de alta resolución espaciotemporal pueden reflejar directamente los procesos de emisión antropogénica de CH4. TROPOMI ha demostrado su ventaja en la detección espaciotemporal continua para el monitoreo y la estimación de emisiones de CH4, y sus capacidades de detección de alta precisión también crean las condiciones para el monitoreo y la cuantificación de las emisiones regionales de CH4 de fuente de área. Combinado con datos de concentración de CO atmosférico detectados sincrónicamente, la estabilidad de las emisiones locales de CH4 puede evaluarse de forma independiente sin modelos de transporte atmosférico. La serie de satélites comerciales GHGSat, con alta resolución espacial, está diseñada para adquirir emisiones puntuales de CH4 de la producción industrial. Al identificar plumas de emisión de CH4 a pequeña escala, se han utilizado ampliamente en el monitoreo y la estimación de emisiones locales.

Fuente del material de referencia:

Análisis del estado actual y las tendencias de desarrollo de los satélites de observación de metano atmosférico orientados a la neutralidad de carbono y al pico de carbono en mi país.