学位论文 > 优秀研究生学位论文题录展示

卫星反演二氧化硫的BRD算法研究

作　者: 王刚
导　师: 张鹏；张文建
学　校: 中国气象科学研究院
专　业: 大气物理学与大气环境
关键词: 大气二氧化硫地表反射率柱总量臭氧总量火山爆发反演方法火山喷发大气成分算法研究中国区域
分类号: X831
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 147次
引　用: 0次
阅　读: 论文下载

内容摘要

二氧化硫是无色、有刺激性气味的痕量气体,它不仅是评价空气质量的一项重要指标,同时在全球环境变化研究当中也是一个非常重要的因子。目前,国际上星载紫外大气成分探测仪已经取得了飞速发展,卫星遥感反演二氧化硫技术也突飞猛进。欧洲的GOME（Global Ozone Monitoring Experiment）、SCIAMACHY（Scanning Imaging AbsorptionSpectrometer for Atmospheric ChartographY）,美国的TOMS（Total Ozone MappingSpectrometer）、OMI（Ozone Monitoring Instrument）等星载紫外大气成分探测仪相继实现了对二氧化硫的监测。本文在系统回顾当前欧洲和美国主要的星载紫外大气成分探测仪器的基础上,从光谱分辨率、空间分辨率、全球无缝隙观测时间等几个方面分析了当前国际上卫星遥感探测二氧化硫的能力。在此基础上,本文对目前国际上主要的二氧化硫定量反演方法,即DOAS（Difference Optical Absorption Spectroscopy）方法、BRD（Band ResidualDifference）方法和LF（Linear fitting）方法等进行了介绍和对比。BRD方法选用305-315nm的霍金斯带（Huggins band）,该波段二氧化硫吸收随光谱变化巨大,选择临近波长处吸收最大、最小处的离散波长对组合,不仅可以消除地表和大气散射的影响,而且对二氧化硫浓度的微小变化具有极高的探测灵敏度。因此,相比其他两种方法而言,BRD具有探测边界层人为活动引起的二氧化硫的能力和优势。BRD方法中,影响二氧化硫反演精度的一个主要因素是大气质量因子MVIF（Airmass factor）。影响AMF的因素很多,包括地表反射率LER（Lambertian effectivereflectivity）、臭氧等大气组成、卫星观测几何条件等。本文使用紫外波段的TOMRAD逐线积分模式正演分析了AMF对垂直气柱二氧化硫总量反演精度的敏感性,通过正演分析对众多影响AMF因子的物理量进行了影响排序。针对影响AMF的两个关键影响因子,即臭氧柱总量和LER,建立了AMF的三维订正查找表。实际反演过程中,通过使用该查找表可以提高二氧化硫的反演精度。BRD方法首先需要获取臭氧总量初估值和地表反射率两个参数。本文使用TOMS的臭氧反演方法,计算了臭氧总量初估值和地表反射率,其结果与OMI官方产品相比一致。臭氧总量初估值和地表反射率参数的获取为本文后续利用BRD方法开展二氧化硫的反演研究奠定了基础。根据BRD方法和原理,本文开发了一套反演大气中二氧化硫柱总量的算法和程序。实际资料处理中,由于仪器定标误差和模式模拟误差都会造成反演偏差,本文尝试了一种经验偏差订正方法,即将全球赤道地区无污染的二氧化硫背景值做为平均残差,每个像元残差值减去赤道平均偏差,以降低二氧化硫的反演偏差。通过同美国官方网站发布的OMI二氧化硫产品比较,结果表明利用本论文发展的方法反演结果同美国官方产品一致。基于本论文发展的反演方法,本文分析了中国区域二氧化硫分布情况和2008年两例火山爆发事件。分析表明中国区域二氧化硫浓度高值地区主要是华北、华东以及四川盆地。从2008年1月智利火山爆发和2008年8月阿留申群岛火山爆发排放的SO₂总量分布图上可以清楚的看到火山爆发的强度、烟羽随风漂移的轨迹以及在大气中持续的时间等。在前述工作基础上,本文尝试将所开发的二氧化硫反演方法应用于风云三号卫星紫外臭氧总量探测仪TOU（Total Ozone Unit）观测资料的处理。结果表明,利用TOU资料可以反演获得火山喷发造成的大气中二氧化硫浓度的变化,其反演结果与OMI的二级产品空间分布和大小趋势一致,初步验证了TOU具有一定程度的探测火山爆发引起的大气中较大幅度二氧化硫浓度变化的能力。但同国外仪器的探测结果相比,由于TOU在光谱分辨率和探测灵敏度的限制,利用TOU定量遥感大气二氧化硫的变化具有很大的不确定性和局限性。据此,本文提出将TOU的312.6nm通道移到311.9nm处,在不影响TOU探测臭氧的情况下,提高TOU探测二氧化硫的能力,为风云三号后续卫星大气成分探测仪器的指标改进奠定了基础。本文的主要特色主要有四点:1)系统回顾并比较了当前国际上主要的卫星遥感大气二氧化硫的仪器和方法;2)正演模拟分析了影响大气质量因子的主要物理参数及其对二氧化硫反演精度的影响;3)利用BRD原理,独立尝试发展了二氧化硫的反演程序,并实际处理了美国OMI和我国风云三号TOU资料;4)根据本论文研究结果对我国风云三号TOU仪器设计提出了具体的改进性意见。上述研究为发展我国风云卫星大气成分的遥感探测能力提供了坚实的基础。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-9
第一章引言  9-19
  1.1 大气中的二氧化硫  9-11
    1.1.1 SO_2的氧化反应  9-10
    1.1.2 SO_2的来源  10-11
  1.2 卫星探测二氧化硫的发展概况  11-17
    1.2.1 TOMS探测SO_2分析  12-13
    1.2.2 GOME和SCIAMAHCY探测SO_2分析  13-15
    1.2.3 OMI探测SO_2分析  15-17
  1.3 论文研究内容和意义  17-19
第二章 OMI仪器及相关数据产品简介  19-29
  2.1 AURA卫星  19-20
    2.1.1 AURA卫星的轨道参数  19
    2.1.2 AURA卫星的主要任务  19-20
  2.2 OMI仪器  20-23
    2.2.1 性能参数  20-21
    2.2.2 测量技术  21
    2.2.3 OMI的光谱通道  21-22
    2.2.4 观测模式  22-23
  2.3 四种星载紫外光谱仪的比较  23
  2.4 OMI的产品及L1b数据处理  23-26
  2.5 OMI二氧化硫产品反演方法  26-29
第三章卫星遥感大气二氧化硫的正演模拟分析  29-41
  3.1 TOMRAD模式  29-33
    3.1.1 辐射计算  29-30
    3.1.2 输入文件  30-32
    3.1.3 O_3廓线的选择  32
    3.1.4 云和气溶胶和的影响  32-33
  3.2 大气质量因子敏感性试验  33-37
    3.2.1 大气质量因子的影响分析  33
    3.2.2 大气质量因子敏感性试验  33-37
  3.3 AMF的三维订正查找表的建立  37-38
  3.4 小结与讨论  38-41
第四章臭氧柱总量反演方法  41-51
  4.1 臭氧柱总量反演的基本原理  41-42
  4.2 反演中的辐射传输计算参数化  42-43
  4.3 地表反射率和等效云量的处理  43-45
  4.4 臭氧总量初估值  45-47
  4.5 臭氧总量的迭代反演  47-49
  4.6 本章小结  49-51
第五章 OMI反演二氧化硫研究  51-63
  5.1 BRD算法介绍  51-54
    5.1.1 紫外波段O_3和SO_2气体吸收特征分析  51
    5.1.2 BRD反演理论  51-53
    5.1.3 背景值偏差订正  53-54
  5.2 DOAS方法与BRD方法的比较  54-55
  5.3 中国区域二氧化硫反演结果及对比  55-57
  5.4 火山爆发事件分析  57-61
    5.4.1 智利Llaima火山爆发事件  58-59
    5.4.2 阿留申群岛火山爆发事件  59-61
  5.5 本章小结  61-63
第六章 TOU反演二氧化硫初步研究  63-71
  6.1 FY-3卫星  63-64
  6.2 TOU仪器  64-65
  6.3 TOU通道分析  65-66
  6.4 TOU反演二氧化硫初步结果及比较  66-68
  6.5 TOU载荷设计改进建议  68-69
  6.6 本章小结  69-71
第七章总结  71-73
致谢  73-75
参考文献  75-79
个人简介  79

卫星反演二氧化硫的BRD算法研究

内容摘要

全文目录

相似论文