Получение бортовых данных обнаружения CH4 и высокоточный алгоритм инверсии данных дистанционного зондирования CH4 со спутника.

Для получения информации о пространственно-временном распределении и вариациях концентрации метана вблизи поверхности в последние годы стремительно развивается технология обнаружения метана в коротковолновом инфракрасном диапазоне с помощью космических аппаратов. Как внутри страны, так и за рубежом было запущено множество спутников для обнаружения метана в коротковолновом инфракрасном диапазоне, которые провели ряд исследований по обнаружению метана и смежным областям применения, обеспечив обнаружение метана в космосе. Запущенные в этот период научные экспериментальные спутники способствовали развитию алгоритмов инверсии данных дистанционного зондирования метана и алгоритмов инверсии потока, заложив технологическую основу для улучшения возможностей космического обнаружения, получения данных и их непосредственного применения. Кроме того, они продемонстрировали потенциал применения коротковолнового инфракрасного обнаружения в оценке глобального баланса источников и поглотителей метана с точки зрения точности данных обнаружения и оценки потока.

Получение данных об обнаружении метана в космосе.

Для точного получения данных о концентрации метана (CH4) со спутников требуется поддержка высокоточных алгоритмов инверсии спутниковых данных дистанционного зондирования CH4. Качество спутниковых данных о концентрации CH4 обычно зависит от выбора приборов обнаружения и параметров инверсии. Детектирование в коротковолновом инфракрасном диапазоне имеет преимущество в том, что оно чувствительно к изменениям концентрации CH4 вблизи поверхности, однако спектры поглощения в коротковолновом инфракрасном диапазоне легко подвержены влиянию атмосферных и поверхностных параметров, таких как мешающие газы, температура, облака и аэрозоли, что приводит к значительным ошибкам. Цель высокоточных алгоритмов инверсии состоит в уменьшении влияния мешающих факторов и получении информации о концентрации целевого газа из эффективной спектральной информации. На международном уровне разработаны различные методы инверсии спутниковых данных о концентрации парниковых газов с использованием спектральных методов обнаружения спутников SCIAMACHY и GOSAT. Среди них наиболее широко используются алгоритм инверсии на основе полностью физической модели, метод прокси-инверсии и метод инверсии WFM-DOAS.

Прокси-алгоритм

Алгоритм Proxy обычно использует стабильные атмосферные компоненты, такие как CO2, в качестве представителей для коррекции влияния облаков и аэрозолей на оптический путь в полосе обнаружения CH4, тем самым извлекая информацию об эффективной концентрации CH4. Это требует, чтобы влияние облаков и аэрозолей на оптический путь в полосах, где находятся целевой газ и представительный газ, было сопоставимым. Поэтому он обычно применим только к спутниковому обнаружению, которое одновременно охватывает полосы поглощения CO2 и CH4 на длине волны 1,6 мкм. Данные GOSAT, полученные с помощью алгоритма UoL-Proxy, разработанного Университетом Лестера (Великобритания), были проверены TCCON с точностью обнаружения в одной точке 13,72 ppb и общим смещением приблизительно 9,06 ppb. Исследования показывают, что точность определения XCH4 с помощью метода Proxy значительно зависит от точности определения представительного газа XCO2, оптического пути и коррекции систематических ошибок, при этом точность определения колеблется от приблизительно 0,6% до 2%.

алгоритм WFM-DOAS

Алгоритм WFM-DOAS основан на классической дифференциальной абсорбционной спектроскопии, используя весовую функцию общего количества целевого газового столба вместо сечения поглощения для подгонки дифференциального спектра поглощения. Первоначально разработанный на основе спектроскопии детектирования SCIAMACHY, алгоритм WFM-DOAS позволил инвертировать концентрации газового столба различных типов; теперь он применяется для инверсии XCH4 и XCO в Tropomi, обеспечивая получение данных с высокой степенью согласованности с результатами полностью физического алгоритма. Результаты наземной проверки показывают, что случайная ошибка XCH4, полученная с помощью алгоритма WFM-DOAS, составляет 14,0 ppb (0,8%), а систематическая ошибка — 4,3 ppb (0,2%). Алгоритм инверсии WFMDOAS предъявляет относительно низкие требования к спектральному разрешению, но высокие требования к точности спектральной калибровки и вспомогательных параметров, таких как метеорологические поля (например, профили температуры и влажности, давление), и значительно подвержен влиянию облачности.

Полный алгоритм физической инверсии

Алгоритмы инверсии, использующие все физические параметры, применяют прямое моделирование для имитации процесса переноса излучения в атмосфере, что значительно снижает ошибки, вызванные неопределенностями оптического пути из-за рассеяния во время переноса излучения, и, как правило, обеспечивает высокую точность инверсии. К основным международным алгоритмам инверсии данных дистанционного зондирования парниковых газов со спутников относятся стандартный алгоритм GOSAT NIES-FP, стандартный алгоритм NASA OCO-2 ACOS, UoL-FP Университета Лестера, стандартный алгоритм TROPOMI RemoTeC и китайский стандартный алгоритм углеродного спутника IAPCAS. Эти алгоритмы могут использоваться для получения высокоточных данных об атмосферном XCH4 и XCO2 из коротковолновых инфракрасных спектров спутников. В связи с углубленным анализом ошибок результатов инверсии и растущими требованиями к точности данных, эти алгоритмы постоянно обновляются и оптимизируются. В настоящее время точность инверсии XCH4 с использованием TROPOMI и GOSAT значительно улучшена. Точность инверсии данных TROPOMI XCH4, полученных с использованием улучшенного алгоритма RemoTeC, достигла −3,4 ± 5,6 ppb. Получение высокоточных данных XCH4 закладывает основу для оценки баланса атмосферного CH4. Алгоритм IAPCAS был разработан для обработки данных с китайского спутника TanSat. Используя этот алгоритм, можно получить высокоточный продукт данных XCO2 с точностью 1,47 ppm из спектра зонда TanSat, а также получить данные XCH4 и XCO2 из спектра GOSAT. Создание этого алгоритма и его успешное применение в многоспутниковой инверсии заложили алгоритмическую основу для практики последующих спутниковых миссий в моей стране.

методы оценки потока

Оценка глобальных и региональных бюджетов метана может помочь улучшить наше понимание распределения источников и поглотителей метана и послужить ориентиром для решения проблем, связанных с будущими изменениями климата. Существующие методы оценки потоков в основном делятся на два подхода: «снизу вверх» и «сверху вниз». Подход «снизу вверх», основанный на данных об эмиссии, потоках, наблюдаемых на станциях, или данных моделирования потоков в масштабе сетки, выполняет пространственную экстраполяцию и является традиционным методом оценки углеродного бюджета. Однако из-за низкой актуальности данных результаты расчетов обычно запаздывают и не могут своевременно отражать динамические изменения источников и поглотителей. Подход «сверху вниз» в основном опирается на данные о концентрации компонентов атмосферы и данные об эмиссии, полученные в результате наблюдений, с использованием моделей переноса химических веществ в атмосфере и методов ассимиляции данных для оценки потоков. Существующие исследования показывают, что использование спутниковых данных наблюдений для оценки потоков может снизить неопределенность примерно на 85% по сравнению с использованием только наземных наблюдений. Однако этот метод предъявляет строгие требования к точности данных наблюдений; Даже 1% регионально или временно коррелированная систематическая погрешность может повлиять на достоверность результатов инверсии потоков. На основе моделей переноса химических веществ в атмосфере и высокоточных спутниковых данных XCH4 многочисленные группы исследователей проводили исследования по оценке потоков CH4. Многочисленные исследования показали, что использование спутниковых данных для определения потоков может значительно снизить неопределенность определения потоков в разных регионах, предоставляя важные данные для проверки кадастров выбросов CH4, составленных «снизу вверх», и моделей выбросов водно-болотных угодий. В настоящее время данные GOSAT широко используются для оценки потоков CH4 на поверхности, помогая в анализе распределения источников и поглотителей CH4 и изменений в глобальном и региональном масштабах. Они предоставляют надежные данные для оценки вклада различных секторов в выбросы CH4 и для более глубокого понимания изменений в распределении источников и поглотителей CH4 и их влияния на климат. TROPOMI обладает высоким пространственно-временным разрешением, а объем и точность его данных значительно превосходят GOSAT, что позволяет ему преуспевать в оценке потоков в мелком масштабе. Результаты этих исследований предоставляют научные данные для глобального баланса метана и способствуют дальнейшему пониманию изменений источников и поглотителей CH4.

Высокоразрешенные по пространству и времени спутниковые данные о выбросах метана могут напрямую отражать антропогенные процессы выбросов метана. Спутник TROPOMI продемонстрировал свои преимущества в непрерывном пространственно-временном обнаружении для мониторинга и оценки выбросов метана, а его высокоточные возможности обнаружения также создают условия для мониторинга и количественной оценки региональных выбросов метана из площадей. В сочетании с синхронно регистрируемыми данными о концентрации CO2 в атмосфере стабильность локальных выбросов метана может быть оценена независимо без использования моделей атмосферного переноса. Серия коммерческих спутников GHGSat с высоким пространственным разрешением предназначена для сбора данных о точечных выбросах метана из промышленного производства. Благодаря выявлению мелкомасштабных шлейфов выбросов метана, они широко используются для локального мониторинга и оценки выбросов.

Источник справочных материалов:

Анализ текущего состояния и тенденций развития спутников наблюдения за атмосферным метаном с целью достижения углеродной нейтральности и пика выбросов углерода в моей стране.