การรับข้อมูลการตรวจจับ CH4 บนยานอวกาศและอัลกอริทึมการผกผันการตรวจวัดระยะไกลดาวเทียม CH4 ความแม่นยำสูง

เพื่อให้ได้ข้อมูลเกี่ยวกับการกระจายตัวและการเปลี่ยนแปลงของความเข้มข้นของ CH4 ใกล้พื้นผิวในเชิงพื้นที่และเวลา เทคโนโลยีการตรวจจับ CH4 จากอวกาศด้วยรังสีอินฟราเรดคลื่นสั้นได้พัฒนาอย่างรวดเร็วในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา มีการปล่อยดาวเทียมตรวจจับรังสีอินฟราเรดคลื่นสั้นหลายดวงทั้งในประเทศและต่างประเทศ ดำเนินการศึกษาการตรวจจับ CH4 และการประยุกต์ใช้งานที่เกี่ยวข้องหลายโครงการ จนประสบความสำเร็จในการตรวจจับ CH4 จากอวกาศ ดาวเทียมทดลองทางวิทยาศาสตร์ที่ปล่อยในช่วงเวลานี้ได้ส่งเสริมการพัฒนาอัลกอริทึมการผกผันการตรวจวัดระยะไกลของดาวเทียม CH4 และอัลกอริทึมการผกผันฟลักซ์ วางรากฐานทางเทคโนโลยีสำหรับการปรับปรุงขีดความสามารถในการตรวจจับจากอวกาศ การผลิตผลิตภัณฑ์ข้อมูล และการประยุกต์ใช้งานโดยตรง นอกจากนี้ยังแสดงให้เห็นถึงศักยภาพในการประยุกต์ใช้การตรวจจับรังสีอินฟราเรดคลื่นสั้นในการประมาณสมดุลแหล่งกำเนิด-แหล่งดูดซับ CH4 ทั่วโลกจากมุมมองของความแม่นยำของข้อมูลการตรวจจับและการประมาณฟลักซ์

การได้มาซึ่งข้อมูลการตรวจจับ CH4 จากอวกาศ

การได้มาซึ่งข้อมูลการตรวจจับ CH4 จากดาวเทียมอย่างแม่นยำนั้น จำเป็นต้องอาศัยอัลกอริทึมการผกผันข้อมูลการตรวจวัดระยะไกลของ CH4 จากดาวเทียมที่มีความแม่นยำสูง คุณภาพของผลิตภัณฑ์ข้อมูล CH4 ที่ตรวจจับได้จากดาวเทียมโดยทั่วไปขึ้นอยู่กับการเลือกเครื่องมือตรวจจับและพารามิเตอร์การผกผัน การตรวจจับด้วยรังสีอินฟราเรดคลื่นสั้นมีข้อดีคือมีความไวต่อการเปลี่ยนแปลงความเข้มข้นของ CH4 ใกล้พื้นผิว แต่สเปกตรัมการดูดกลืนรังสีอินฟราเรดคลื่นสั้นนั้นได้รับผลกระทบได้ง่ายจากพารามิเตอร์ของบรรยากาศและพื้นผิว เช่น ก๊าซรบกวน อุณหภูมิ เมฆ และละอองลอย ทำให้เกิดข้อผิดพลาดอย่างมาก เป้าหมายของอัลกอริทึมการผกผันที่มีความแม่นยำสูงคือการลดอิทธิพลของปัจจัยรบกวนและได้ข้อมูลความเข้มข้นของก๊าซเป้าหมายจากข้อมูลสเปกตรัมที่มีประสิทธิภาพ ในระดับสากล มีการกำหนดวิธีการผกผันข้อมูลการตรวจวัดระยะไกลของก๊าซเรือนกระจกจากดาวเทียมต่างๆ โดยใช้วิธีการตรวจจับสเปกตรัมของดาวเทียม SCIAMACHY และ GOSAT ในบรรดาวิธีเหล่านี้ วิธีที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุด ได้แก่ อัลกอริทึมการผกผันแบบจำลองทางกายภาพทั้งหมด วิธีการผกผันแบบพร็อกซี และวิธีการผกผัน WFM-DOAS

อัลกอริทึมพร็อกซี

โดยทั่วไปแล้ว อัลกอริทึม Proxy จะใช้ส่วนประกอบของบรรยากาศที่เสถียร เช่น CO2 เป็นตัวแทนเพื่อแก้ไขอิทธิพลของเมฆและละอองลอยต่อเส้นทางแสงในแถบการตรวจจับ CH4 จึงทำให้สามารถดึงข้อมูลความเข้มข้นของ CH4 ที่มีประสิทธิภาพออกมาได้ ซึ่งจำเป็นต้องให้ผลกระทบของเมฆและละอองลอยต่อเส้นทางแสงในแถบที่ก๊าซเป้าหมายและก๊าซตัวแทนอยู่มีความใกล้เคียงกัน ดังนั้น วิธีนี้จึงมักใช้ได้เฉพาะกับการตรวจจับจากดาวเทียมที่ครอบคลุมแถบการดูดซับ CO2 และ CH4 ที่ 1.6 μm พร้อมกันเท่านั้น ผลิตภัณฑ์ข้อมูล GOSAT ที่ได้จากอัลกอริทึม UoL-Proxy ซึ่งพัฒนาโดยมหาวิทยาลัยเลสเตอร์ สหราชอาณาจักร ได้รับการตรวจสอบโดย TCCON แล้ว โดยมีความแม่นยำในการตรวจจับจุดเดียวที่ 13.72 ppb และค่าเบี่ยงเบนโดยรวมทั่วโลกประมาณ 9.06 ppb การศึกษาแสดงให้เห็นว่าความแม่นยำของ XCH4 ที่ได้จากการใช้วิธี Proxy ได้รับผลกระทบอย่างมากจากความแม่นยำของก๊าซตัวแทน XCO2 เส้นทางแสง และการแก้ไขข้อผิดพลาดอย่างเป็นระบบ โดยความแม่นยำในการดึงข้อมูลอยู่ในช่วงประมาณ 0.6% ถึง 2%

อัลกอริทึม WFM-DOAS

อัลกอริทึม WFM-DOAS นั้นอิงตามสเปกโทรสโกปีการดูดกลืนแบบดิฟเฟอเรนเชียลแบบคลาสสิก โดยใช้ฟังก์ชันถ่วงน้ำหนักของปริมาณรวมของคอลัมน์ก๊าซเป้าหมายแทนที่จะใช้พื้นที่หน้าตัดการดูดกลืนเพื่อปรับให้เข้ากับสเปกตรัมการดูดกลืนแบบดิฟเฟอเรนเชียล เดิมทีสร้างขึ้นบนพื้นฐานของสเปกโทรสโกปีการตรวจจับของ SCIAMACHY อัลกอริทึม WFM-DOAS ทำให้สามารถผกผันความเข้มข้นของคอลัมน์ก๊าซต่างๆ ได้ ปัจจุบันได้ถูกนำไปใช้กับการผกผัน XCH4 และ XCO ใน Tropomi ซึ่งให้ผลิตภัณฑ์ข้อมูลที่มีความสอดคล้องสูงกับผลลัพธ์ของอัลกอริทึมทางกายภาพทั้งหมด ผลการตรวจสอบความถูกต้องภาคพื้นดินแสดงให้เห็นว่าข้อผิดพลาดแบบสุ่มของ XCH4 ที่ได้จากอัลกอริทึม WFM-DOAS คือ 14.0 ppb (0.8%) และข้อผิดพลาดแบบเป็นระบบคือ 4.3 ppb (0.2%) อัลกอริทึมการผกผัน WFMDOAS มีข้อกำหนดค่อนข้างต่ำสำหรับความละเอียดของสเปกตรัม แต่มีข้อกำหนดสูงสำหรับความแม่นยำของการสอบเทียบสเปกตรัมและพารามิเตอร์เสริม เช่น สนามทางอุตุนิยมวิทยา (เช่น โปรไฟล์อุณหภูมิและความชื้น ความดัน) และได้รับผลกระทบอย่างมากจากปริมาณเมฆ

อัลกอริทึมการผกผันทางกายภาพแบบเต็มรูปแบบ

อัลกอริทึมการผกผันเชิงฟิสิกส์ทั้งหมดใช้แบบจำลองไปข้างหน้าเพื่อจำลองกระบวนการถ่ายเทรังสีในชั้นบรรยากาศของสัญญาณ ซึ่งช่วยลดข้อผิดพลาดที่เกิดจากความไม่แน่นอนของเส้นทางแสงเนื่องจากการกระเจิงระหว่างการถ่ายเทรังสีได้อย่างมาก และโดยทั่วไปจะให้ความแม่นยำในการผกผันสูง อัลกอริทึมการผกผันการสำรวจระยะไกลของดาวเทียมก๊าซเรือนกระจกที่สำคัญในระดับนานาชาติ ได้แก่ อัลกอริทึมมาตรฐาน GOSAT NIES-FP, อัลกอริทึมมาตรฐาน OCO-2 ของ NASA ACOS, UoL-FP ของมหาวิทยาลัยเลสเตอร์, อัลกอริทึมมาตรฐาน TROPOMI RemoTeC และอัลกอริทึมมาตรฐานดาวเทียมคาร์บอนของจีน IAPCAS อัลกอริทึมเหล่านี้สามารถใช้เพื่อสร้างผลิตภัณฑ์ข้อมูล XCH4 และ XCO2 ในชั้นบรรยากาศที่มีความแม่นยำสูงจากสเปกตรัมอินฟราเรดคลื่นสั้นของดาวเทียม ด้วยการวิเคราะห์เชิงลึกเกี่ยวกับข้อผิดพลาดของผลลัพธ์การผกผันและความต้องการความแม่นยำของผลิตภัณฑ์ที่เพิ่มขึ้น อัลกอริทึมเหล่านี้จึงได้รับการปรับปรุงและเพิ่มประสิทธิภาพอย่างต่อเนื่อง ปัจจุบัน ความแม่นยำของการผกผัน XCH4 โดยใช้ TROPOMI และ GOSAT ได้รับการปรับปรุงอย่างมาก ความแม่นยำในการคำนวณย้อนกลับของ TROPOMI XCH4 ที่ได้จากการใช้อัลกอริทึม RemoTeC ที่ได้รับการปรับปรุงแล้วนั้น สูงถึง −3.4 ± 5.6 ppb การได้มาซึ่งผลิตภัณฑ์ข้อมูล XCH4 ที่มีความแม่นยำสูงนี้เป็นการวางรากฐานข้อมูลสำหรับการประมาณงบประมาณ CH4 ในชั้นบรรยากาศ อัลกอริทึม IAPCAS ได้รับการพัฒนาขึ้นเพื่อใช้กับข้อมูลจากดาวเทียม TanSat ของจีน โดยใช้อัลกอริทึมนี้ สามารถได้ผลิตภัณฑ์ข้อมูล XCO2 ที่มีความแม่นยำสูงถึง 1.47 ppm จากสเปกตรัมของโพรบ TanSat และยังสามารถได้ข้อมูล XCH4 และ XCO2 จากสเปกตรัมของ GOSAT ด้วย การสร้างอัลกอริทึมนี้และการประยุกต์ใช้ที่ประสบความสำเร็จในการคำนวณย้อนกลับแบบหลายดาวเทียมได้วางรากฐานทางอัลกอริทึมสำหรับการปฏิบัติภารกิจดาวเทียมในอนาคตของประเทศของฉัน

วิธีการประมาณค่าฟลักซ์

การประมาณงบประมาณ CH4 ระดับโลกและระดับภูมิภาคสามารถช่วยให้เราเข้าใจการกระจายตัวของแหล่งกำเนิดและแหล่งดูดซับ CH4 ได้ดียิ่งขึ้น และเป็นข้อมูลอ้างอิงสำหรับการรับมือกับการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศในอนาคต วิธีการประมาณการฟลักซ์ในปัจจุบันส่วนใหญ่แบ่งออกเป็นสองแนวทาง ได้แก่ แนวทางจากล่างขึ้นบน (bottom-up) และแนวทางจากบนลงล่าง (top-down) แนวทางจากล่างขึ้นบน ซึ่งอิงตามบัญชีรายการการปล่อยมลพิษ ฟลักซ์ที่สังเกตได้จากสถานี หรือข้อมูลฟลักซ์จำลองระดับกริด จะทำการประมาณค่าเชิงพื้นที่และเป็นวิธีการประมาณงบประมาณคาร์บอนแบบดั้งเดิม อย่างไรก็ตาม เนื่องจากข้อมูลมีความทันสมัยต่ำ ผลการคำนวณจึงมักล่าช้าและไม่สามารถจับภาพการเปลี่ยนแปลงแบบไดนามิกของแหล่งกำเนิดและแหล่งดูดซับได้อย่างทันท่วงที แนวทางจากบนลงล่างส่วนใหญ่อาศัยข้อมูลความเข้มข้นขององค์ประกอบในบรรยากาศและข้อมูลบัญชีรายการการปล่อยมลพิษที่ได้จากการสังเกต โดยใช้แบบจำลองการขนส่งทางเคมีในบรรยากาศและวิธีการดูดซับข้อมูลเพื่อประมาณการฟลักซ์ งานวิจัยที่มีอยู่แสดงให้เห็นว่าการใช้ข้อมูลการสังเกตจากดาวเทียมสำหรับการประมาณการฟลักซ์สามารถลดความไม่แน่นอนได้ประมาณ 85% เมื่อเทียบกับการใช้การสังเกตภาคพื้นดินเพียงอย่างเดียว อย่างไรก็ตาม วิธีนี้มีข้อกำหนดที่เข้มงวดเกี่ยวกับความแม่นยำของข้อมูลการสังเกต แม้แต่ความคลาดเคลื่อนเชิงระบบเพียง 1% ที่สัมพันธ์กันในระดับภูมิภาคหรือช่วงเวลา ก็อาจส่งผลต่อความถูกต้องของผลลัพธ์การผกผันฟลักซ์ได้ หลายทีมได้ทำการวิจัยเกี่ยวกับการประมาณฟลักซ์ของ CH4 โดยอาศัยแบบจำลองการขนส่งทางเคมีในบรรยากาศและผลิตภัณฑ์ข้อมูล XCH4 จากดาวเทียมที่มีความแม่นยำสูง งานวิจัยจำนวนมากแสดงให้เห็นว่าการใช้ข้อมูลดาวเทียมในการดึงข้อมูลฟลักซ์สามารถลดความไม่แน่นอนของการดึงข้อมูลฟลักซ์ในภูมิภาคต่างๆ ได้อย่างมีนัยสำคัญ ซึ่งเป็นข้อมูลการตรวจสอบความถูกต้องที่สำคัญสำหรับบัญชีรายการการปล่อย CH4 แบบ bottom-up และแบบจำลองการปล่อยมลพิษจากพื้นที่ชุ่มน้ำ ปัจจุบัน ข้อมูล GOSAT ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในการประมาณฟลักซ์ CH4 บนพื้นผิว ช่วยในการวิเคราะห์การกระจายตัวและการเปลี่ยนแปลงของแหล่งกำเนิดและแหล่งดูดซับ CH4 ในระดับโลกและระดับภูมิภาค ให้หลักฐานที่เชื่อถือได้สำหรับการประเมินการมีส่วนร่วมของภาคส่วนต่างๆ ต่อการปล่อย CH4 และเพื่อทำความเข้าใจอย่างลึกซึ้งยิ่งขึ้นเกี่ยวกับการเปลี่ยนแปลงในการกระจายตัวของแหล่งกำเนิดและแหล่งดูดซับ CH4 และผลกระทบต่อสภาพภูมิอากาศ TROPOMI มีความละเอียดเชิงพื้นที่และเวลาสูง และปริมาณข้อมูลและความแม่นยำนั้นเหนือกว่า GOSAT มาก ทำให้มีความโดดเด่นในการประมาณฟลักซ์ในระดับละเอียด ผลการวิจัยเหล่านี้ให้ข้อมูลทางวิทยาศาสตร์ที่สนับสนุนการจัดทำงบประมาณมีเทนระดับโลก และความเข้าใจที่ดียิ่งขึ้นเกี่ยวกับการเปลี่ยนแปลงของแหล่งกำเนิดและแหล่งดูดซับ CH4

ข้อมูลก๊าซมีเทน (CH4) จากดาวเทียมที่มีความละเอียดเชิงพื้นที่และเวลาสูง สามารถสะท้อนกระบวนการปล่อยก๊าซมีเทนจากกิจกรรมของมนุษย์ได้โดยตรง ดาวเทียม TROPOMI ได้แสดงให้เห็นถึงข้อได้เปรียบในการตรวจจับอย่างต่อเนื่องทั้งในเชิงพื้นที่และเวลาสำหรับการติดตามและประเมินการปล่อยก๊าซมีเทน และความสามารถในการตรวจจับที่มีความแม่นยำสูงยังสร้างเงื่อนไขสำหรับการติดตามและวัดปริมาณการปล่อยก๊าซมีเทนจากแหล่งกำเนิดในระดับภูมิภาค เมื่อรวมกับข้อมูลความเข้มข้นของก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ (CO) ในบรรยากาศที่ตรวจจับได้พร้อมกัน ความเสถียรของการปล่อยก๊าซมีเทนในพื้นที่สามารถประเมินได้อย่างอิสระโดยไม่ต้องใช้แบบจำลองการขนส่งในบรรยากาศ ดาวเทียมเชิงพาณิชย์ตระกูล GHGSat ซึ่งมีความละเอียดเชิงพื้นที่สูง ได้รับการออกแบบมาเพื่อเก็บข้อมูลการปล่อยก๊าซมีเทนจากแหล่งกำเนิดแบบจุดจากการผลิตทางอุตสาหกรรม โดยการระบุกลุ่มก๊าซมีเทนขนาดเล็ก ดาวเทียมเหล่านี้จึงถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในการติดตามและประเมินการปล่อยก๊าซในพื้นที่

แหล่งที่มาของเอกสารอ้างอิง:

การวิเคราะห์สถานะปัจจุบันและแนวโน้มการพัฒนาของดาวเทียมสังเกตการณ์ก๊าซมีเทนในชั้นบรรยากาศ โดยมีเป้าหมายเพื่อการบรรลุความเป็นกลางทางคาร์บอนและจุดสูงสุดของการปล่อยคาร์บอนในประเทศของฉัน