Thu thập dữ liệu phát hiện CH4 trên tàu và thuật toán đảo ngược viễn thám vệ tinh CH4 độ chính xác cao

Để thu thập thông tin về phân bố và biến thiên nồng độ CH4 gần bề mặt theo không gian và thời gian, công nghệ phát hiện CH4 bằng tia hồng ngoại sóng ngắn từ vệ tinh đã phát triển nhanh chóng trong những năm gần đây. Nhiều vệ tinh phát hiện tia hồng ngoại sóng ngắn đã được phóng lên trong nước và quốc tế, tiến hành một loạt các nghiên cứu phát hiện CH4 và các ứng dụng liên quan, đạt được khả năng phát hiện CH4 từ không gian. Các vệ tinh thí nghiệm khoa học được phóng trong giai đoạn này đã thúc đẩy sự phát triển của các thuật toán đảo ngược cảm biến từ xa vệ tinh CH4 và thuật toán đảo ngược dòng chảy, đặt nền tảng công nghệ để nâng cao khả năng phát hiện từ không gian, tạo ra các sản phẩm dữ liệu và ứng dụng trực tiếp chúng. Hơn nữa, chúng đã chứng minh tiềm năng ứng dụng của việc phát hiện tia hồng ngoại sóng ngắn trong ước tính cân bằng nguồn-lưu lượng CH4 toàn cầu từ góc độ độ chính xác dữ liệu phát hiện và ước tính dòng chảy.

Thu thập dữ liệu phát hiện CH4 từ không gian

Việc thu thập dữ liệu phát hiện CH4 từ vệ tinh một cách chính xác đòi hỏi sự hỗ trợ của các thuật toán nghịch đảo viễn cảm vệ tinh CH4 có độ chính xác cao. Chất lượng của các sản phẩm dữ liệu CH4 được phát hiện từ vệ tinh thường phụ thuộc vào việc lựa chọn các thiết bị phát hiện và các tham số nghịch đảo. Phát hiện hồng ngoại sóng ngắn có ưu điểm là nhạy cảm với sự thay đổi nồng độ CH4 gần bề mặt, nhưng phổ hấp thụ hồng ngoại sóng ngắn dễ bị ảnh hưởng bởi các thông số khí quyển và bề mặt như khí gây nhiễu, nhiệt độ, mây và sol khí, dẫn đến sai số đáng kể. Mục tiêu của các thuật toán nghịch đảo có độ chính xác cao là giảm thiểu ảnh hưởng của các yếu tố gây nhiễu và thu được thông tin về nồng độ khí mục tiêu từ thông tin phổ hiệu quả. Trên phạm vi quốc tế, nhiều phương pháp nghịch đảo viễn cảm vệ tinh khí nhà kính khác nhau đã được thiết lập bằng cách sử dụng các phương pháp phát hiện phổ của các vệ tinh SCIAMACHY và GOSAT. Trong số đó, được sử dụng rộng rãi nhất là thuật toán nghịch đảo mô hình vật lý toàn diện, phương pháp nghịch đảo proxy và phương pháp nghịch đảo WFM-DOAS.

Thuật toán ủy quyền

Thuật toán Proxy thường sử dụng các thành phần khí quyển ổn định như CO2 làm đại diện để hiệu chỉnh ảnh hưởng của mây và sol khí lên đường truyền quang trong dải phát hiện CH4, từ đó trích xuất thông tin nồng độ CH4 hiệu quả. Điều này đòi hỏi ảnh hưởng của mây và sol khí lên đường truyền quang trong các dải chứa khí mục tiêu và khí đại diện phải tương đương nhau. Do đó, phương pháp này thường chỉ áp dụng được cho việc phát hiện bằng vệ tinh bao phủ đồng thời các dải hấp thụ CO2 và CH4 ở bước sóng 1,6 μm. Sản phẩm dữ liệu GOSAT thu được bằng thuật toán UoL-Proxy do Đại học Leicester, Anh phát triển, đã được TCCON kiểm chứng, với độ chính xác phát hiện điểm đơn là 13,72 ppb và độ lệch tổng thể toàn cầu khoảng 9,06 ppb. Các nghiên cứu cho thấy độ chính xác của XCH4 thu được bằng phương pháp Proxy bị ảnh hưởng đáng kể bởi độ chính xác của khí đại diện XCO2, đường truyền quang và các hiệu chỉnh lỗi hệ thống, với độ chính xác thu được dao động từ khoảng 0,6% đến 2%.

Thuật toán WFM-DOAS

Thuật toán WFM-DOAS dựa trên phương pháp quang phổ hấp thụ vi sai cổ điển, sử dụng hàm trọng số của tổng lượng cột khí mục tiêu thay vì tiết diện hấp thụ để phù hợp với phổ hấp thụ vi sai. Ban đầu được xây dựng dựa trên quang phổ phát hiện của SCIAMACHY, thuật toán WFM-DOAS cho phép đảo ngược các nồng độ cột khí khác nhau; hiện nay nó đã được áp dụng cho việc đảo ngược XCH4 và XCO trong Tropomi, tạo ra các sản phẩm dữ liệu có độ nhất quán cao với kết quả của thuật toán hoàn toàn dựa trên vật lý. Kết quả kiểm chứng trên mặt đất cho thấy sai số ngẫu nhiên của XCH4 thu được bằng thuật toán WFM-DOAS là 14,0 ppb (0,8%), và sai số hệ thống là 4,3 ppb (0,2%). Thuật toán đảo ngược WFM-DOAS có yêu cầu tương đối thấp về độ phân giải quang phổ, nhưng yêu cầu cao về độ chính xác của hiệu chuẩn quang phổ và các tham số phụ trợ như các trường khí tượng (ví dụ: hồ sơ nhiệt độ và độ ẩm, áp suất), và bị ảnh hưởng đáng kể bởi độ che phủ của mây.

Thuật toán đảo ngược vật lý toàn phần

Các thuật toán đảo ngược hoàn toàn dựa trên vật lý sử dụng mô hình thuận để mô phỏng quá trình truyền bức xạ khí quyển của tín hiệu, giảm đáng kể các lỗi do sự không chắc chắn của đường truyền quang học do tán xạ trong quá trình truyền bức xạ, và thường đạt được độ chính xác đảo ngược cao. Các thuật toán đảo ngược viễn cảm vệ tinh khí nhà kính quốc tế chính bao gồm thuật toán tiêu chuẩn GOSAT NIES-FP, thuật toán tiêu chuẩn OCO-2 của NASA ACOS, UoL-FP của Đại học Leicester, thuật toán tiêu chuẩn TROPOMI RemoTeC và thuật toán tiêu chuẩn vệ tinh carbon của Trung Quốc IAPCAS. Các thuật toán này có thể được sử dụng để thu được các sản phẩm dữ liệu XCH4 và XCO2 khí quyển có độ chính xác cao từ phổ hồng ngoại sóng ngắn của vệ tinh. Với việc phân tích sâu các lỗi kết quả đảo ngược và nhu cầu ngày càng tăng về độ chính xác của sản phẩm, các thuật toán này liên tục được cập nhật và tối ưu hóa. Hiện nay, độ chính xác của phép đảo ngược XCH4 sử dụng TROPOMI và GOSAT đã được cải thiện đáng kể. Độ chính xác đảo ngược của TROPOMI XCH4 thu được bằng thuật toán RemoTeC cải tiến đã đạt −3,4 ± 5,6 ppb. Việc thu thập dữ liệu XCH4 có độ chính xác cao tạo nền tảng dữ liệu cho việc ước tính cân bằng CH4 trong khí quyển. Thuật toán IAPCAS được phát triển cho các ứng dụng dữ liệu từ vệ tinh TanSat của Trung Quốc. Sử dụng thuật toán này, có thể thu được sản phẩm dữ liệu XCO2 có độ chính xác cao là 1,47 ppm từ phổ thăm dò của TanSat, và nó cũng có khả năng thu được dữ liệu XCH4 và XCO2 từ phổ của GOSAT. Việc thiết lập thuật toán này và ứng dụng thành công của nó trong phép nghịch đảo đa vệ tinh đã đặt nền tảng thuật toán cho thực tiễn của các sứ mệnh vệ tinh tiếp theo ở nước ta.

Phương pháp ước tính thông lượng

Việc ước tính ngân sách CH4 toàn cầu và khu vực có thể giúp cải thiện sự hiểu biết của chúng ta về phân bố nguồn-bể chứa CH4 và cung cấp tài liệu tham khảo để giải quyết biến đổi khí hậu trong tương lai. Các phương pháp ước tính dòng chảy hiện nay chủ yếu được chia thành hai cách tiếp cận: từ dưới lên và từ trên xuống. Cách tiếp cận từ dưới lên, dựa trên các bản kiểm kê phát thải, dòng chảy quan sát được tại trạm hoặc dữ liệu dòng chảy mô phỏng trên quy mô lưới, thực hiện ngoại suy không gian và là một phương pháp ước tính ngân sách carbon truyền thống. Tuy nhiên, do tính kịp thời của dữ liệu thấp, kết quả tính toán thường bị chậm trễ và không thể nắm bắt được những thay đổi động trong nguồn và bể chứa một cách kịp thời. Cách tiếp cận từ trên xuống chủ yếu dựa vào dữ liệu nồng độ thành phần khí quyển và dữ liệu kiểm kê phát thải thu được thông qua quan sát, sử dụng các mô hình vận chuyển hóa học khí quyển và các phương pháp đồng hóa dữ liệu để ước tính dòng chảy. Nghiên cứu hiện có cho thấy rằng việc sử dụng dữ liệu quan sát vệ tinh để ước tính dòng chảy có thể giảm sự không chắc chắn khoảng 85% so với chỉ sử dụng các quan sát trên mặt đất. Tuy nhiên, phương pháp này có yêu cầu nghiêm ngặt về độ chính xác của dữ liệu quan sát; thậm chí một sai lệch hệ thống tương quan theo khu vực hoặc thời gian 1% cũng có thể ảnh hưởng đến tính hợp lệ của kết quả đảo ngược dòng chảy. Dựa trên các mô hình vận chuyển hóa chất trong khí quyển và dữ liệu vệ tinh XCH4 có độ chính xác cao, nhiều nhóm nghiên cứu đã tiến hành nghiên cứu về ước tính dòng CH4. Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc sử dụng dữ liệu vệ tinh trong việc thu thập dòng chảy có thể làm giảm đáng kể sự không chắc chắn của việc thu thập dòng chảy ở các khu vực khác nhau, cung cấp dữ liệu xác thực quan trọng cho các bản kiểm kê phát thải CH4 từ dưới lên và các mô hình phát thải vùng đất ngập nước. Hiện nay, dữ liệu GOSAT được sử dụng rộng rãi trong ước tính dòng chảy CH4 bề mặt, hỗ trợ phân tích sự phân bố và thay đổi nguồn và bẫy CH4 ở quy mô toàn cầu và khu vực. Nó cung cấp bằng chứng đáng tin cậy để đánh giá sự đóng góp của các ngành khác nhau vào phát thải CH4 và để hiểu sâu hơn về những thay đổi trong sự phân bố nguồn và bẫy CH4 và tác động của chúng đến khí hậu. TROPOMI có độ phân giải không gian và thời gian cao, và khối lượng dữ liệu cũng như độ chính xác của nó vượt trội hơn nhiều so với GOSAT, cho phép nó vượt trội trong việc ước tính dòng chảy ở quy mô nhỏ. Những kết quả nghiên cứu này cung cấp dữ liệu khoa học hỗ trợ cho việc lập ngân sách khí mêtan toàn cầu và hiểu biết sâu hơn về những thay đổi trong nguồn và bẫy CH4.

Dữ liệu CH4 từ vệ tinh với độ phân giải không gian và thời gian cao có thể phản ánh trực tiếp các quá trình phát thải CH4 do con người gây ra. Vệ tinh TROPOMI đã chứng minh ưu điểm của mình trong việc phát hiện liên tục theo không gian và thời gian để giám sát và ước tính phát thải CH4, và khả năng phát hiện chính xác cao của nó cũng tạo điều kiện cho việc giám sát và định lượng phát thải CH4 từ các nguồn khu vực. Kết hợp với dữ liệu nồng độ CO trong khí quyển được phát hiện đồng thời, tính ổn định của phát thải CH4 cục bộ có thể được đánh giá độc lập mà không cần đến các mô hình vận chuyển khí quyển. Dòng vệ tinh thương mại GHGSat, với độ phân giải không gian cao, được thiết kế để thu thập dữ liệu phát thải CH4 từ các nguồn điểm trong sản xuất công nghiệp. Bằng cách xác định các luồng phát thải CH4 quy mô nhỏ, chúng đã được sử dụng rộng rãi trong việc giám sát và ước tính phát thải cục bộ.

Nguồn tài liệu tham khảo:

Phân tích hiện trạng và xu hướng phát triển của các vệ tinh quan sát khí mêtan trong khí quyển nhằm mục tiêu trung hòa carbon và đạt đỉnh carbon ở nước ta.