基于星载差分吸收激光雷达的城市地区CO2浓度反演方法研究

Xco2 observations of high accuracy and spatial resolution are the fundamental data to estimate carbon flux in urban area precisely, deepening our understanding on how human activities affect the carbon cycle. Recently, the rapid development of hardware technology of CO2-IPDA provides a great opportunity to obtain the above data. However, performances of an IPDA would be worrying in urban area owing to difficulties such as heterogeneous meteorological parameters, complex surfaces and distinct vertical profiles of CO2.Handling the above problems, three measures are proposed in this project to achieve retrievals of high accuracy and spatial resolution in urban area. Firstly, a novel framework based on a multi-wavelength IPDA is proposed to suppress errors derived from inaccurate measurements of meteorological parameters. Meanwhile, maximum likelihood estimation combined with the Monte Carlo method would be utilized to perform accurate estimation of the length of the integrated-path under complex environments. Moreover, a novel retrieving method for range-resolved CO2 measuring would also be evaluated by using scattering signals enhance by the haze to acquire the CO2 profile. Results of this study will help establishing the theoretical foundation for carbon verification in urban area using remote sensing. Besides, the development of a Chinese CO2-IPDA will be benefited from those new findings.

覆盖城市地区的高分辨、高精度CO2浓度监测产品是准确估计城市碳通量，理解人类活动对碳循环影响的重要基础数据。近年来，星载CO2探测差分吸收激光雷达(CO2-IPDA)硬件技术的快速发展为实现这一目标提供了宝贵的机遇。但是，城市地区气象要素异质性高、地形复杂、CO2垂直分布异于自然地区，极大地制约了IPDA的探测性能。本项目以“反演框架-参数估计-限制条件”作为突破口和研究主线，提出多波长差分反演框架克服传统反演对大气要素精确测量的依赖；发展基于最大似然估计和蒙特卡洛模拟的宽脉宽测距方法增强复杂地形下的积分路径长度的估算精度；改进廓线反演算法利用灰霾散射信号进行CO2廓线反演为柱浓度反演提供限制条件。最终，以期在城市地区实现高分辨、高精度的柱浓度反演。本研究将为遥感应用于城市碳核查提供理论储备并为我国的星载CO2-IPDA研制工作提供技术支撑。

全球超过70%的CO2来源于城市地区的排放,厘清城市尺度的碳通量对于落实巴黎峰会通过的减排计划有着关键的支撑作用。因此，发展针对城市地区的大气CO2监测手段是一项具有重大科学和政治意义的任务。与现有的红外高光谱仪相比，IPDA激光雷达利用激光进行大气探测，不依赖于太阳光，因此不受太阳高度角限制，能够有效的在高纬地区进行探测；其次，激光光斑的直径在地面不超过30 m，能够利用云之间缝隙进行探测，大幅提高了有效观测数，从而使得高分辨率探测成为可能；最后，由于IPDA测量的直接物理量是两个相近波长激光的回波能量比，所以对气溶胶和地表反射率相对不敏感，能够很好的适应城市环境下的探测。然而，目前该领域的研究侧重于硬件指标的提升，而忽略了与之配套的反演方法改进，依然采取经典的差分吸收反演算法和各种基础的参数估计方法。.本项目发展基于星载IPDA激光雷达的数据反演方法。 (1)构建了一种多波长差分吸收反演方法，克服波长依赖变量对传统差分吸收反演算法性能的影响，从而大幅减少乃至消除大气压力和温度参数测量不确定性对CO2浓度反演精度的影响；(2)发展了一种基于最大似然估计和蒙特卡洛模拟的脉冲激光积分路径长度估计方法，准确的确定平均路径积分长度，以实现反演精度的进一步提升；(3)提出了一种基于灰霾散射信号的边界层内CO2廓线浓度反演方法，实现大气边界层内的CO2浓度廓线反演，为柱浓度反演提供可靠的先验条件。.项目实施以来，通过一系列技术攻关，完成了星载IPDA激光雷达的反演算法，目前该算法已经被应用在大气环境监测星（DQ-1）的CO2-IPDA LIDAR载荷试飞数据处理。预计大气环境星2020年后发射，本算法效力将得到更大的发挥。大气环境星立项于2016年中，本项目于2016年初申请，年中批复。反演算法开发大幅领先硬件研制，从而对硬件研制起到了很好的支撑作用，也充分体现了本项目的前沿性。依托本项目的研究，发表SCI论文11篇，获得授权专利1项，已申请正在审查阶段专利3项，获得软件著作权1项。