Pemerolehan data pengesanan CH4 onboard dan algoritma penyongsangan penderiaan jauh satelit CH4 berketepatan tinggi

Untuk mendapatkan maklumat tentang taburan spatiotemporal dan variasi kepekatan CH4 berhampiran permukaan, teknologi pengesanan bawaan angkasa CH4 inframerah gelombang pendek telah berkembang pesat dalam beberapa tahun kebelakangan ini. Pelbagai satelit pengesanan inframerah gelombang pendek telah dilancarkan di dalam dan luar negara, menjalankan satu siri pengesanan CH4 dan kajian aplikasi berkaitan, mencapai pengesanan CH4 berasaskan angkasa. Satelit eksperimen saintifik yang dilancarkan dalam tempoh ini telah menggalakkan pembangunan algoritma penyongsangan penderiaan jauh satelit CH4 dan algoritma penyongsangan fluks, meletakkan asas teknologi untuk meningkatkan keupayaan pengesanan angkasa, menghasilkan produk data, dan mengaplikasikannya secara langsung. Tambahan pula, ia telah menunjukkan potensi aplikasi pengesanan inframerah gelombang pendek dalam anggaran imbangan sumber-sinki CH4 global dari perspektif ketepatan data pengesanan dan anggaran fluks.

Pemerolehan data pengesanan CH4 bawaan angkasa

Pemerolehan data pengesanan CH4 bawaan satelit yang tepat memerlukan sokongan algoritma penyongsangan penderiaan jauh satelit CH4 yang berketepatan tinggi. Kualiti produk data CH4 yang dikesan satelit biasanya bergantung pada pemilihan instrumen pengesanan dan parameter penyongsangan. Pengesanan inframerah gelombang pendek mempunyai kelebihan kerana sensitif terhadap perubahan kepekatan CH4 berhampiran permukaan, tetapi spektrum penyerapan inframerah gelombang pendek mudah terjejas oleh parameter atmosfera dan permukaan seperti gas yang mengganggu, suhu, awan dan aerosol, yang memperkenalkan ralat yang ketara. Matlamat algoritma penyongsangan berketepatan tinggi adalah untuk mengurangkan pengaruh faktor gangguan dan mendapatkan maklumat kepekatan gas sasaran daripada maklumat spektrum berkesan. Di peringkat antarabangsa, pelbagai kaedah penyongsangan penderiaan jauh satelit gas rumah hijau telah diwujudkan menggunakan kaedah pengesanan spektrum satelit SCIAMACHY dan GOSAT. Antaranya, yang paling banyak digunakan ialah algoritma penyongsangan model semua-fizikal, kaedah penyongsangan proksi dan kaedah penyongsangan WFM-DOAS.

Algoritma proksi

Algoritma Proxy biasanya menggunakan komponen atmosfera yang stabil seperti CO2 sebagai wakil untuk membetulkan pengaruh awan dan aerosol pada laluan optik dalam jalur pengesanan CH4, sekali gus mengekstrak maklumat kepekatan CH4 yang berkesan. Ini memerlukan pengaruh awan dan aerosol pada laluan optik dalam jalur di mana gas sasaran dan gas wakil berada setanding. Oleh itu, ia biasanya hanya terpakai pada pengesanan satelit yang serentak meliputi jalur penyerapan CO2 dan CH4 1.6 μm. Produk data GOSAT yang diperoleh oleh algoritma UoL-Proxy yang dibangunkan oleh Universiti Leicester, UK, telah disahkan oleh TCCON, dengan ketepatan pengesanan titik tunggal 13.72 ppb dan bias keseluruhan global kira-kira 9.06 ppb. Kajian menunjukkan bahawa ketepatan XCH4 yang diambil menggunakan kaedah Proxy dipengaruhi dengan ketara oleh ketepatan gas wakil XCO2, laluan optik dan pembetulan ralat sistematik, dengan ketepatan pengambilan semula antara kira-kira 0.6% hingga 2%.

Algoritma WFM-DOAS

Algoritma WFM-DOAS adalah berdasarkan spektroskopi penyerapan pembezaan klasik, menggunakan fungsi pemberat bagi jumlah keseluruhan turus gas sasaran dan bukannya keratan rentas penyerapan untuk menyesuaikan spektrum penyerapan pembezaan. Pada mulanya dibina berdasarkan spektroskopi pengesanan SCIAMACHY, algoritma WFM-DOAS membolehkan penyongsangan pelbagai kepekatan turus gas; ia kini telah digunakan pada penyongsangan XCH4 dan XCO dalam Tropomi, menghasilkan produk data dengan konsistensi yang tinggi dengan keputusan algoritma semua-fizikal. Keputusan pengesahan berasaskan darat menunjukkan bahawa ralat rawak XCH4 yang diperoleh oleh algoritma WFM-DOAS ialah 14.0 ppb (0.8%), dan ralat sistematik ialah 4.3 ppb (0.2%). Algoritma penyongsangan WFMDOAS mempunyai keperluan yang agak rendah untuk resolusi spektrum, tetapi keperluan yang tinggi untuk ketepatan penentukuran spektrum dan parameter tambahan seperti medan meteorologi (cth., profil suhu dan kelembapan, tekanan), dan terjejas dengan ketara oleh litupan awan.

Algoritma Penyongsangan Fizikal Penuh

Algoritma penyongsangan semua fizikal menggunakan pemodelan ke hadapan untuk mensimulasikan proses pemindahan sinaran atmosfera isyarat, mengurangkan ralat yang disebabkan oleh ketidakpastian laluan optik akibat penyerakan semasa pemindahan sinaran dengan ketara, dan biasanya mencapai ketepatan penyongsangan yang tinggi. Algoritma penyongsangan satelit gas rumah hijau antarabangsa utama termasuk algoritma standard GOSAT NIES-FP, algoritma standard OCO-2 NASA ACOS, UoL-FP Universiti Leicester, algoritma standard TROPOMI RemoTeC, dan algoritma standard satelit karbon Cina IAPCAS. Algoritma ini boleh digunakan untuk mendapatkan produk data XCH4 dan XCO2 atmosfera berketepatan tinggi daripada spektrum inframerah gelombang pendek satelit. Dengan analisis mendalam tentang ralat hasil penyongsangan dan peningkatan permintaan untuk ketepatan produk, algoritma ini sentiasa dikemas kini dan dioptimumkan. Pada masa ini, ketepatan penyongsangan XCH4 menggunakan TROPOMI dan GOSAT telah dipertingkatkan dengan ketara. Ketepatan penyongsangan TROPOMI XCH4 yang diperoleh menggunakan algoritma RemoTeC yang dipertingkatkan telah mencapai −3.4 ± 5.6 ppb. Pemerolehan produk data XCH4 berketepatan tinggi meletakkan asas data untuk anggaran bajet CH4 atmosfera. Algoritma IAPCAS telah dibangunkan untuk aplikasi data daripada satelit TanSat China. Dengan menggunakan algoritma ini, produk data XCO2 berketepatan tinggi sebanyak 1.47 ppm boleh diperolehi daripada spektrum prob TanSat, dan ia juga mempunyai keupayaan untuk mendapatkan data XCH4 dan XCO2 daripada spektrum GOSAT. Penubuhan algoritma ini dan aplikasinya yang berjaya dalam penyongsangan berbilang satelit telah meletakkan asas algoritma untuk amalan misi satelit seterusnya di negara saya.

Kaedah anggaran fluks

Menganggarkan bajet CH4 global dan serantau dapat membantu meningkatkan pemahaman kita tentang taburan sumber-sinki CH4 dan menyediakan rujukan untuk menangani perubahan iklim masa hadapan. Kaedah anggaran fluks semasa terbahagi kepada dua pendekatan: dari bawah ke atas dan dari atas ke bawah. Pendekatan dari bawah ke atas, berdasarkan inventori pelepasan, fluks yang diperhatikan di stesen, atau data fluks simulasi skala grid, melakukan ekstrapolasi ruang dan merupakan kaedah anggaran bajet karbon tradisional. Walau bagaimanapun, disebabkan oleh ketepatan masa data yang rendah, keputusan pengiraan biasanya ketinggalan dan tidak dapat menangkap perubahan dinamik dalam sumber dan sinki tepat pada masanya. Pendekatan dari atas ke bawah terutamanya bergantung pada data kepekatan komponen atmosfera dan data inventori pelepasan yang diperoleh melalui pemerhatian, menggunakan model pengangkutan kimia atmosfera dan kaedah asimilasi data untuk menganggarkan fluks. Penyelidikan sedia ada menunjukkan bahawa penggunaan data pemerhatian satelit untuk anggaran fluks dapat mengurangkan ketidakpastian sebanyak kira-kira 85% berbanding hanya menggunakan pemerhatian berasaskan darat. Walau bagaimanapun, kaedah ini mempunyai keperluan ketat terhadap ketepatan data pemerhatian; walaupun bias sistematik berkorelasi serantau atau temporal sebanyak 1% boleh menjejaskan kesahan keputusan penyongsangan fluks. Berdasarkan model pengangkutan kimia atmosfera dan produk data satelit XCH4 berketepatan tinggi, pelbagai pasukan telah menjalankan penyelidikan mengenai anggaran fluks CH4. Banyak kajian telah menunjukkan bahawa penggunaan data satelit dalam pengambilan fluks dapat mengurangkan ketidakpastian pengambilan fluks dengan ketara di kawasan yang berbeza, menyediakan data pengesahan penting untuk inventori pelepasan CH4 dari bawah ke atas dan model pelepasan tanah lembap. Pada masa ini, data GOSAT digunakan secara meluas dalam anggaran fluks CH4 permukaan, membantu dalam analisis taburan sumber dan sinki CH4 dan perubahan pada skala global dan serantau. Ia menyediakan bukti yang boleh dipercayai untuk menilai sumbangan sektor yang berbeza kepada pelepasan CH4 dan untuk mendapatkan pemahaman yang lebih mendalam tentang perubahan dalam taburan sumber dan sinki CH4 dan kesannya terhadap iklim. TROPOMI mempunyai resolusi spatiotemporal yang tinggi, dan jumlah data serta ketepatannya jauh lebih baik daripada GOSAT, membolehkannya cemerlang dalam anggaran fluks skala halus. Keputusan penyelidikan ini memberikan sokongan data saintifik untuk penganggaran metana global dan pemahaman lanjut tentang perubahan sumber dan sinki CH4.

Produk data CH4 bawaan satelit beresolusi spatiotemporal tinggi boleh mencerminkan secara langsung proses pelepasan CH4 antropogenik. TROPOMI telah menunjukkan kelebihannya dalam pengesanan spatiotemporal berterusan untuk pemantauan dan anggaran pelepasan CH4, dan keupayaan pengesanan ketepatan tingginya juga mewujudkan keadaan untuk pemantauan dan pengkuantitian pelepasan CH4 sumber kawasan serantau. Digabungkan dengan data kepekatan CO atmosfera yang dikesan secara serentak, kestabilan pelepasan CH4 tempatan boleh dinilai secara bebas tanpa model pengangkutan atmosfera. Siri satelit komersial GHGSat, dengan resolusi spatial yang tinggi, direka bentuk untuk memperoleh pelepasan sumber titik CH4 daripada pengeluaran perindustrian. Dengan mengenal pasti gumpalan pelepasan CH4 berskala halus, ia telah digunakan secara meluas dalam pemantauan pelepasan tempatan dan anggaran pelepasan.

Sumber bahan rujukan:

Analisis Status Semasa dan Trend Pembangunan Satelit Pemerhatian Metana Atmosfera yang Bertujuan untuk Meneutralkan Karbon dan Puncak Karbon di negara saya