基于卫星遥感技术的大气CO2辐射特性研究

摘要

近些年来，人类活动的影响导致大气CO2浓度急剧上升。大气CO2浓度的上升引起了一系列环境问题，受到了人们广泛的关注。要深入研究大气二氧化碳浓度上升所引发的环境问题，必需定量地研究分析大气二氧化碳的源汇分布和变化。准确的全球大气二氧化碳浓度数据是研究其源汇分布和变化的首要条件。目前对大气CO2浓度的测量主要依靠地面监测。然而地面测量的数据存在时空分辨率低、资料匮乏和成本昂贵等缺陷，很难满足研究需要。利用卫星遥感技术探测大气CO2浓度可以克服上述缺陷，能够获取高时空分辨率的大气CO2浓度数据。本文利用MODTRAN辐射传输模型，研究了近红外波段大气CO2的辐射特征，为大气CO2近红外波段的反演打下基础。
　　 本文利用MODTRAN辐射传输模型，在中纬度夏季和中纬度冬季两种大气模式下，模拟分析了大气CO2在近红外波段770～2100nm范围内的透过率，以及大气O3，CH4，O2和H2O的干扰，最后确定1934～2044nm(SCIAMACHY Channel7)为模拟通道，该波段包含了大气CO2最强的吸收峰，同时大气成分的干扰最小。本文进一步研究分析了1934～2044nm波段范围辐射亮度对大气CO2浓度敏感性及相关性，发现二者具有良好的线性相关性和相对比较强的敏感性。分析了大气成分H2O、O2、O3和CH4廓线的特点，并利用MODTRAN辐射传输模型，在中纬度夏季和中纬度冬季两种大气模式下，定量分析了大气成分H2O、O2、O3和CH4对1934～2044nm波段辐射亮度的影响，发现大气O2，O3和CH4浓度变化对1934～2044nm波段辐射亮度影响极其微弱，可以忽略，但是大气水汽浓度的变化对1934～2044nm波段辐射亮度存在微弱的影响，当大气水汽浓度变化4％时，中纬度夏季大气模式下，辐射亮度减小3.05％，平均透过率减小1.46％；中纬度冬季大气模式下辐射亮度减小0.81％，平均透过率减小0.74％。本文进一步研究了在1934～2044nm波段范围大气水汽浓度的变化对CO2-辐射亮度关系的影响，发现大气水汽浓度的增加会使CO2的辐射亮度曲线下移，会降低传感器所接收的辐射亮度对大气CO2浓度变化的敏感性。本文进一步利用MODTRAN辐射传输模型在中纬度夏季和中纬度冬季两种大气模式下研究了大气温度、大气压强的变化和不同气溶胶对1934～2044nm波段辐射亮度的影响。研究结果表明在两种大气模式下，当大气温度上升2K时，辐射亮度变化范围在0.4％以下；大气压强增加10MB时，辐射亮度减小幅度在2％以下；不同类型气溶胶对辐射亮度的影响相对比较强，并且在两种大气模式下有差异。因此大气温度和大气压强的影响微弱，大气气溶胶的影响相对比较强。

目录

文摘

英文文摘

第一章 前言

第一节 研究背景和意义

第二节 研究现状

第三节 研究内容

第二章 近红外大气辐射传输理论

第一节 辐射理论

2.1.1 基尔霍夫定律

2.1.2 普朗克辐射定律

2.1.3 Stefan-Boltzmann定律

第二节 辐射传输的概念模型

2.2.1 电磁波与大气的相互作用

2.2.2 电磁波与地表的作用

第三节 数学模型

第三章 遥感系统和MODTRAN模型简介

第一节 ENVISAT卫星

第二节 高光谱大气成分观测仪SCIAMACHY

第三节 MODTRAN模型

3.3.1 MODTRAN模型简介

3.3.2 模拟计算过程

第四节 MODTRAN模型中辐射亮度和透过率的计算

3.4.1 辐射亮度的计算

3.4.2 透过率的计算

第四章 近红外波段大气二氧化碳吸收特性和其它大气成分的重叠吸收影响分析

第一节 模拟通道的选择

4.1.1 大气CO2在近红外波段770～2100nm范围内的吸收特性

4.1.2 大气O3，CH4，O2和H2O在近红外波段770～2100nm范围内的吸收特性

4.1.3 在1934～2044nm(SCIAMACHY channel 7)波段范围辐射亮度对大气CO2浓度敏感性及相关性研究

第二节 大气成分H2O、O2、O3和CH4对1934～2044nm(SCIAMACHY Channel 7)波段范围辐射亮度影响的定量分析

4.2.1 大气中H2O对1934～2044nm(SCIAMACHY Channel 7)波段范围辐射亮度的影响

4.2.2 大气中CH4对1934～2044nm(SCIAMACHY Channel 7)波段范围辐射亮度的影响

4.2.3 大气中O3在1934～2044nm(SCIAMACHY Channel 7)波段范围辐射亮度的影响

4.2.4 大气中O2对1934～2044nm(SCIAMACHY Channel 7)波段范围辐射亮度的影响

第三节 不同浓度大气水汽廓线对1934～2044nm波段辐射亮度的影响..44

第五章 大气温度、压强和气溶胶对1934～2044nm波段范围辐射亮度的影响定量分析

第一节 大气温度

5.1.1 大气温度廓线

5.1.2 大气温度对1934～2044nm波段范围辐射亮度的影响定量分析

第二节 大气压强

5.2.1 大气压强廓线

5.2.2 大气压强对1934～2044nm波段范围辐射亮度的影响定量分析

第三节 气溶胶

第六章 结论

参考文献

致谢

个人简历