大气环境监测卫星星载激光雷达二氧化碳遥感反演方法及精度验证

张 璐，张兴赢，曹西凤，闫欢欢，刘恭举

（1.中国气象局中国遥感卫星辐射测量和定标重点开放实验室/国家卫星气象中心（国家空间天气监测预警中心），许健民气象卫星创新中心，北京 100081；2.青岛科技大学 理学院，山东 青岛 266061）

0 引言

19 世纪80 年代后，随着对全球大气CO2浓度观测数据的需求，各国分别建立CO2探测地基观测站。由世界气象组织（World Meteorological Organization，WMO）协调建立的全球大气监测网（Global Atmosphere Watch，GAW），在全球尺度上对大气中CO2、CH4和其他的温室气体进行精确、准确的地面现场测量。GAW 监测网约有30 个全球站，400 多个区域站［1］。此外还有美国大气和海洋局建立的全球温室气体参考网络（Global Greenhouse Gas Reference Network，GGGRN），欧洲建立的综合碳监测系（Integrated Carbon Observation System，ICOS）等［2-3］。虽然地基监测站点已近大规模的在布局，但仍然没有足够的空间分辨率和覆盖范围来量化单个国家向大气中排放CO2和CH4或量化自然汇的消纳量，并且地基观测在南北极地区以及海洋尤其稀疏。需要大幅度扩大温室气体网络，以确定清单遗漏的排放“热点”或评估国家碳排放管理战略的有效性。但是海上、南北极建设和运行站点的困难，使得地基观测在上述区域无法进行长期观测。

利用卫星遥感高的空间分辨率、全球覆盖广的特点监测温室气体的源汇分布，为碳监测、全球尺度碳循环和气候变化提供大量观测数据，而且联合国气候变化框架公约科学技术组也认可了卫星遥感在监测CO2排放方面的效用［4］。从20 世纪开始已经有多颗卫星遥感大气中的CO2，由于人类活动主要影响近地面的温室气体浓度变化，所以对近地面更敏感短波红外较热红外探测器更适合监测碳源汇动态分布［5］。自2003 年起国际上发射了多颗被动光学的遥感卫星用于监测近地面XCO2。例如，国际上欧洲航天局（European Space Agency，ESA）发射的ENVISAT（ENVIronmental SATellite）卫星上的搭载了SCIAMACHY（SCanning Imaging Absorption spectrometer for Atmospheric CartograpHY）探测仪［6］；日本的发射的GOSAT（Greenhouse Gases Observing Satellite）和 GOSAT-2（Greenhouse Gases Observing Satellite-2）［7-8］；美国国家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）的OCO-2（Orbiting Carbon Observatory-2）、OCO-3（Orbiting Carbon Observatory-3）［9-10］；中国的碳卫星（TanSat）、高分五号（GaoFen-5，GF-5）以及风云 3D（FengYun3D，FY3D）等［11-13］。

星载被动遥感系统结构简单、技术成熟、重量轻，并且功耗低，但是由于星载被动遥感技术机制原理问题，对于高纬度地区，由于太阳高度角大，光照不充足，被动遥感在高纬度地区探测缺乏敏感性；依赖于太阳光背景辐射，所以夜间无法观测；反演强烈受云和气溶胶影响，对数据精度影响大。例如：SCIAMACHY 探测CO2的精度为2%～3%（8×10-6～12×10-6）［14］，虽然经过校正后GOSAT-2，OCO-2 以及碳卫星的遥感的大气CO2精度达到了1×10-6左右［15-16］，但是其损失了大量有效数据，此外，受云遮挡的影响有效数据又大量损失。

已有多个国家进行了基于卫星的主动激光雷达探测XCO2的地面试验和机载试验验证。例如以激光多光束探测的美国ASCENDS（Active Sensing of CO2Emissions over Nights，Days，&Seasons）计划和我国大气1 号的双光束积分路径差分吸收机制（Integral Path Differential Absorption，IPDA）［17-20］。

我国2022 年4 月发射的大气环境（DQ-1）卫星，其探测机制是由系统主动发出一定波长的电磁并获取其回波信号完成大气探测，探测CO2精度高于1×10-6。与被动观测相比，主动观测方式不依赖于太阳光，具有全天候、全天时、探测范围广的特点，且在对流层底部气体浓度变化具有较高的敏感性。大气环境卫星搭载的XCO2探测仪IPDA 激光雷达通过测量两束激光在硬目标表面的回波信号差异提取CO2气体浓度信息。

但是美国的SACENDS 计划在特朗普就任总统之后就取消了，所以国际上主动探测XCO2的星载卫星计划就只有国产的大气环境卫星。此外欧洲的MERLIN 主动激光雷达卫星机制与我国的大气环境卫星类似，但是MERLIN 探测XCH4［21］。

本文是对国产大气环境卫星主动探测CO2的技术进行全面介绍，论文的内容安排如下：第2 章介绍大气环境卫星的硬件指标，第3 章介绍大气环境卫星的反演算法，第4 章介绍初步反演结果和地面验证工作，第5 章总结和未来的研究计划。

1 大气环境卫星温室气体探测激光雷达的参数

2022 年4 月16 日国产大气环境卫星成功发射到太阳同步极地轨道，重访周期为51 d。其上搭载的气溶胶和碳探测激光雷达（Aerosol and Carbon Detection Lidar，ACDL）由上海精密光学机械研究所研制，ACDL 是世界上第一个星载路径差分吸收激光雷达仪器，可以用于测量大气中二氧化碳和气溶胶。ACDL 发射两个相邻波长的激光脉冲CO2吸收峰1 572.024 nm（on-line），CO2非吸收峰1 572.085 nm（off-line），这两束激光位置经过严格筛选，降低了气溶胶水汽等因素对反演CO2的影响。此外直径为1 m 的接收望远镜采集从硬目标反射的带有CO2吸收的回波信号。在脉冲频率为20 Hz 时，激光发射器的能量约为75 mJ。双脉冲间隔200 μs 切换，确保地面上on-line 和off-line 激光光斑重叠（两束激光中心距离1.5 m）。ACDL 的激光发散角为0.1 mrad，近地点时对应于沿着卫星轨道的70 m 足迹。ACDL 仪器的光学设计如图1所示。

3 大气环境卫星CO2的反演算法

3.1 基本原理

IPDA 激光雷达交替发射两束波长相近的激光，分别称为on-line 与off-line。on-line 激光位于CO2吸收峰附近吸收较强的位置，其吸收率对CO2浓度的变化较为敏感；off-line 激光远离CO2吸收线的中心，位于吸收较弱的位置，作为参考光。由于on-line 和off-line 波长很近，水汽光学厚度可以忽略不记，气溶胶等其他因素的影响相互抵消，可由两波数差分信号得到CO2的浓度信息［23-27］。下文将详细介绍IPDA 机制探测XCO2的物理原理。

首先假设硬目标的散射类型为郎伯散射，则on-line 与off-line 处雷达方程如下：

式中：P(λon)、P(λoff)分别为on-line 和off-line 的激光脉冲回波功率；Q为目标反射率；E为发射激光脉冲信号强度；teff激光雷达回波信号的有效脉冲宽度；A为有效接收器面积；R为雷达系统到硬目标距离；Topt为仪器辐射传输影响；Tatm为其他大气成分的辐射传输影响；nCO2(r)为CO2分子数密度；σ(λon，r)为CO2分析吸收截面。

两式相除可得：

定义DAOD为差分吸收光学厚度（Differential Absorption Optical Depth，DAOD）。

由于理想气体状态方程可得空气分子数密度nair(r)为

式中：p(r)为压强；k为玻尔兹曼常数；T(r)为温度；r为海拔高度。

因此，干空气分子数密度ndryair(r)可表示为

依据流体静力学方程和理想气体状态方程，压强与高度的关系为

将式（7）和式（8）带入式（3）可得

最终可得大气层顶到地面整个积分路径干空气CO2加权柱浓度为

3.2 反演流程

大气环境卫星的IPDA 的数据处理主要分为以下几步：

步骤1背景信号扣除。

雷达信号中包含有背景辐射和系统暗电流等噪声能量，且通过比值的无法直接消除。因此，在数据使用前应减去背景信号，保证测量数据的准确定。

步骤2回波信号滤波去噪。

采用滑动平均滤波器或小波分析、经验模态分解、变分模态分解等方法进行噪声去除。

步骤3几何因子校正。

由于差分吸收激光雷达两个探测波长来自不同的固体激光器，两者几何因子不同，需要对2 个波长的几何因子进行校正。目前通过激光雷达回波信号校正几何因子的方法有单通道几何因子校正和双通道几何因子校正。

步骤4DAOD 计算。

DAOD 可由传感器获取的观测数据直接计算得到，具体计算公式如下：

步骤5CO2权重函数。

采用表面压强、温度、水汽廓线等大气状态数据进行CO2权重函数计算，计算公式如式（10）所示。辅助数据可由欧洲中期天气预报中心（European Center for Medium-Range Weather Forecasts，ECMWF）［29］。

在实际反演中，由于温度、压强及水汽含量的变化，吸收截面积的计算需要消耗大量的时间。为提高计算效率，可构建针对不同温度、压强、波长下的CO2吸收截面积查找表，以实现CO2实时动态监测。

步骤6CO2加权柱浓度计算。

由权重函数和DAOD 计算得到0～R高度范围内CO2加权柱浓度结果：

5 大气环境卫星反演XCO2 结果和地面验证

利用大气环境卫星上搭载的ACDL 激光雷达反演了2022 年6 月XCO2的结果，并与大全球碳柱总量观测网（Total Carbon Column Observing Network，TCCON）测量结果进行了验证。

2022 年6 月昼夜ACDL 监测的全球XCO2结果如图2 所示。为满足精度和信噪比要求（1×10-6精度），对148 个回波进行平均（8 s 积分时间，沿轨道50 km）。尽管激光雷达可以穿透云层获得云下回波，但部分厚云是不可穿透或者穿透后信噪比也很低，这部分数据影响探测精度，所以图2 显示不包括云反射的激光信号反演的XCO2。

图2 大气环境卫星探测2022 年6 月全球XCO2昼夜图Fig.2 Daytime and nighttime XCO2 retrieved from the ACDL in June 2022

如图2（a）所示，白天的XCO2值范围约为（390.0～430.0）×10-6，具有较大的南北极梯度。6 月北半球的平均XCO2比南半球高约10.0×10-6，原因是CO2的人为来源较大，植被的光合作用速率较低。XCO2的高值出现在北半球中纬度（10～40° N），特别是在北美、西欧、南亚和东亚。这一特征与人类活动的化石燃料排放密切相关。此外还显示中东和北非的XCO2相对较高，这可能是由于这些地区光合作用较少。在高纬度（60～90° N）观察到较低的XCO2值（＜405×10-6），这与海洋和植被光合作用的强烈吸收有关。由于人类活动减少，XCO2值随着纬度的增加而逐渐降低。在非洲南部、澳大利亚和南美洲，化石燃料排放导致XCO2增强。

图2（b）显示了由激光雷达探测得出的第一个全球夜间XCO2分布。通过对6 月全球探测数据统计，夜间XCO2的平均值比白天高约7.5×10-6，特别是在植被密集和人类活动密集的地区昼夜XCO2浓度差异会更大。此外，发现尽管极地地区人类活动较少，但XCO2并不明显低于周边地区。

为了验证ACDL 激光雷达探测XCO2精度，我们选择了2 个TCCON 站点比对（能获取观测数据的站点）。图3 显示了大气环境卫星探测点和TCCON 位置（大气环境卫星观测与TCCON 时空匹配为：2°纬度/经度范围和2 h 观测时间内，对比中滤掉了被云层和海洋污染的大气环境卫星探测数据）。对比发现ACDL 与香河站点的平均偏差为0.48×10-6，标准差为1.48×10-6，ACDL 与Sodankylä 站点的平均偏差为0.80×10-6，标准差为1.99×10-6。由于目前大气环境卫星和TCCON 站点匹配的结果有限，无法进行大量数据统计比较。未来在获取更多数据后，我们将进行更全面的验证研究［30-31］。

此外TCCON 计算XCO2如下：

式（15）与式（11）相比，大气环境卫星探测的XCO2为二氧化碳廓线加权后的积分，而TCCON 探测XCO2为廓线的直接积分。所以目前使用TCCON 与大气环境卫星探测XCO2对比，主要是监测卫星探测二氧化碳稳定性。

6 结束语

本文研究了介绍了大气环境卫星上搭载的星载积分路径差分吸收激光雷达探测XCO2的原理和初步结果，从结果可以看出相比被动探测，主动探测的精度高、时空覆盖广而且可以昼夜不间断观测。与TCCON 站点比较平均偏差小于1×10-6。这些数据为研究二氧化碳源汇提供新视角。但是由于卫星在轨时间有限，对于卫星测量XCO2的精度需要进一步工作，而且由于主动探测和被动探测机制不同，地面TCCON 观测的XCO2能不能可以对主动探测XCO2进行验证这一点值得进一步研究。此外积分路径差分吸收激光雷达在轨定标的工作也是未来工作的重点