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大气甲烷的卫星观测：AIRS和GOSAT-SAT反演的比较

Mingmin Zou₁, Xiaozhen Xiong₂,₃ Naoko Saitoh₄ Juying Warner₅, Ying Zhang₁, Liangfu Chen₁, Fuzhong Weng₃,and Meng Fan₁

1中国科学院遥感与数字地球研究所遥感科学国家重点实验室，中国科学院，北京100101，中国

2Earth Resources Technology，Inc.，Laurel，MD，USA

3NOAA卫星应用和研究中心，美国马里兰州帕克市20740

4日本千叶县稻叶区弥生町1-33千叶大学环境遥感中心

5美国马里兰大学大学园大气与海洋科学系，MD 20740，USA

收到日期：2015年8月10日 - 在Atmos发布。MEAS。技术。 讨论：2015年10月14日

修订日期：2016年7月5日 - 接受日期：2016年7月11日 - 发布日期：2016年8月3日

摘要：大气甲烷的星载雷达观测自2002年8月以来，利用EOS / Aqua卫星上的大气红外测深仪（AIRS）和从2009年4月的碳观测傅里叶变换光谱仪（TANSO-FTS）的热红近红外传感器，对大气甲烷（CH4 ）进行了空间观测（GOSAT）。该研究利用2010年8月1日至2012年6月30日的数据，将GOSAT TANSO-FTS热红外（TIR）1.0版CH4产品与配套的AIRS第6版CH4产品进行了比较，其中包括温室气体观测卫星CH4混合比和柱子总量，结果表明，在300-600 hPa时，AIRS和GOSAT-TIR CH4都具有峰值灵敏度，它们非常吻合，但GOSAT-TIR反演往往高于200-300 hPa；在300 hPa时，GOSAT-TIR的CH4混合比平均比AIRS高10.3 31 ppbv; 600 hPa GOSAT-TIR的CH4低于AIRS CH4 16.2 25.7 ppbv。总列数量CH4显示GOSAT-TIR与南半球中纬度地区以及热带地区1％以内的AIRS一致。在北半球中高纬度地区，比较显示GOSAT-TIR比AIRS低1-2％，在南半球的高纬度地区，GOSAT与AIRS的差异从10月份的3％变化到10月份的3％ 7月份为C2％。 AIRS和GOSAT TANSO-FTS反演的区别主要是由于反演算法和仪器本身的差异，高纬度地区差异较大与低信息量和小自由度有关检索。 GOSAT-TIR检索的自由度低于AIRS，这也表明GOSAT-TIR检索中的限制可能太强。从AIRS和GOSAT-TIR反演的良好相关性以及它们观测到的季节变化来看，我们确信AIRS和GOSAT-TIR的热红外测量可以提供有价值的信息来捕捉CH4的空间和时间变化，尤其是在大多数时期和地区的中上层卫星。

1引言

作为二氧化碳（CO2 /和水蒸汽）之后的第三大温室气体，大气中的甲烷（CH4 ）有着大约12年的寿命并且吸收长波辐射更有效，因为它的辐射强迫是大约26倍超过100年时间的二氧化碳排放量，占人为混合温室气体人为辐射强迫总量的32％（IPCC，2013），主要是受人类活动影响，大气中CH4浓度从约700 ppb的工业化前水平上升到近1800至1900 ppb。基于地面的网络，如NOAA / ESRL / GMD（国家海洋和大气管理局，地球系统研究实验室，全球监测部门） ，提供了在地面有长时间记录的CH4测量数据，但是主要位于北半球的有限数量的台站测量了NOAA / ESRL / GMD（Tans，2009）和ARIES在英国FAAM飞机上运行的飞机测量数据，以及一些研究活动提供了CH4垂直剖面的稀疏间歇测量。由于在时间和空间领域的实地测量数量有限，不同地区和不同地区的CH4排放的量化仍然很大程度上不确定。近年来，卫星对CH4进行的空间测量已经出现，例如使用热红外（TIR）传感器进行的测量，其中包括NASA / Aqua上的大气红外测深仪（AIRS）（Aumann等人，2003;熊等人，2008，2010a，b），NASA / Aura对流层发射光谱仪（TES）和METOP-A和METOP-B（Xiong等，2013; Crevoisiter等，2009,2013; Razavi等，2009）的红外大气探测干涉仪（IASI）。使用近红外（NIR）传感器进行的测量包括2003年至2009年期间在ENVISAT上的大气CHARTographY（SCIAMACHY）仪器的扫描成像吸收光谱仪（Frankenberg等人，2008,2011）以及用于碳观测的热和近红外传感器（TOSO）在2009年至今的温室气体观测SATellite（GOSAT）（Yokota等，2009; Paker等，2011; Schepers等，2012; Saitoh等，2012）。这些空间测量数据为地面观测提供了补充数据来源，用于监测大气空间CH4，具有较大的空间和时间覆盖范围。

AIRS，GOSAT TANSO-FTS TIR和其他热成像传感器，包括TES和IASI，已被用于检索大气CH4，并且这些数据已被用于分析CH4的时空变化，所以比较AIRS和GOSAT这两款不同的产品将为用户提供有用信息，以更好地了解这两款产品的特性。最近使用AIRS V6 CH4数据进行验证，使用1000架飞机剖面（Xiong等，2015），结果显示AIRS CH4在343-441和441-575 hPa层的平均偏差分别为0.76和0.05％，RMSE分别为1.56和1.16％。还发现了取回误差与自由度（DOF）之间的一些相关性，春季和北部高纬度地区的误差比其他季节或地区大。因此，GOSAT TIR甲烷检索与AIRS的甲烷检索之间的比较代表了GOSAT数据与原位测量的间接验证。第2节简要介绍了这两种仪器，它们的检索算法和本研究中使用的数据。第3部分显示了比较结果，其中包括比较检索的配置文件，自由度特征的信息内容和这两种仪器的平均老化内核。比较不同季节和不同地区的CH4混合比和总柱数。总结和结论在章节中给出。

2 AIRS和GOSAT-TIR的CH4探索

2.1 AIRS仪器和检索算法描述

EOS / Aqua卫星上的AIRS于2002年5月在极轨道（13:30 LST，升交点）发射。它具有2378个频道，覆盖649-1136,1217-1613和2169-2674 cm -1，光谱分辨率高= 1 D 1200,0.5 cm 1 /（Au-mann et al。，2003），参考温度为250 K时的噪声等效微分温度（Ne1T）范围为4.2mu;m区域的0.14 K对流层探空）在15mu;m区域（上部对流层探测）中达到0.35 K，AIRS的空间分辨率在最低点为13.5 km，在24 h期间，AIRS名义上每天两次观测整个地球。为了在晴朗和局部多云的场景中检索CH4，高级微型探测单元（AMSU）占地面积内的9个AIRS视场（FOV）被用于在一个视场中推导出一个云清除辐射光谱FOR），然后用清除的FOR辐射光谱检索空间分辨率约为45 km的剖面（Aumann等，2003）。需要将大气温度分布，水汽廓线，表面温度和表面发射率作为输入来计算CH4吸收带的辐射。计算出的辐射率与晴空像元的AIRS测量辐射率之间的差异或部分阴天像素的派生云清除FOR辐射率用于基于最佳估计方法推导CH4剖面。选择7.66mu;m波段附近的总共50-60个CH 4吸收通道用于回收。 AIRS检索算法是一个多步骤的顺序检索方法，其中在前面的步骤中使用适当的通道检索温度和水汽廓线。因此，CH4再循环的质量取决于整个AIRS科学团队在改善温度和湿度分布以及表面温度和发射率产品方面的努力。 Xiong等人在其最新版本，即版本6（V6）中查找了AIRS CH4检索的更多细节。 （2015年）。

2.2 GOSAT TANSO-FTS TIR和检索算法描述

GOSAT于2009年1月23日由H-IIA运载火箭发射进入太阳同步轨道。 GOSAT在666公里的轨道上，有3天的重访轨道周期和12天的操作周期。当地太阳时间是13:00 15分钟。 GOSAT带有两个传感器：TANSO-FTS和TANSO-CAI。 TANSO-FTS的IFOV直径为10.5公里，TANSO-CAI的直径为0.5-1.5公里。 GOSAT上的TANSO-FTS每三天对全球大约56 000个地面点进行全球观测，包括最低点和最低点测量。 TANSO-FTS由四个光谱带组成：波段1（0.75-0.78mu;m），波段2（1.56-1.72mu;m），波段3（1.92-2.08mu;m）和波段4（5.5-14.3mu;m）。频带4的频谱分辨率为0.2cm 1，其信噪比（SNR）在频带4处平均约为300，黑体温度为280 K.（Kuze等人，2009，2012; Saitoh等人。，2009）。有关TANSO-FTS TIR及其校准的更多信息可参见Kuze等人。 （2012年）。在TIR检索算法1.0版中，7.3-8.8mu;m的所有通道（包括CH4和N2O吸收带）都用于CH4再检测。在TANSO-FTS TIR V1.0 CH4回收过程中，我们同时检索H2O，N2O，O3和除CH4以外的温度。我们同时推导出表面温度和表面发射率作为TANSO-FTS TIR V161.160 L1B光谱中固有的光谱偏置的校正参数，其方式与CO2回收相同（Saitoh et al。，2016）。检索算法是用线性映射的非线性最大后验方法（Rodgers，2000）。在检索中使用的先验CH4谱来自国家环境研究所（NIES）的转运模型（Maksyutov等，2008; Saeki等，2013）。从日本气象厅网格点值（JMA-GPV）数据集中获取检索所需的温度和水汽文件。利用高级空间热辐射反射辐射仪（ASTER）光谱库（Baldridge等，2009），土地覆盖，海冰，风速的信息，通过线性回归分析估算地表放射率值，以及由TANSO云和气溶胶成像仪（CAI）得出的植物指数。根据窗口区域的TANSO-FTS TIR光谱估算表面温度。 TANSO-FTS在7-8mu;m波段附近的信噪比（SNR）估计为70-100，用于检索的测量协方差矩阵基于SNR值。 GOSAT-TANSO的轨迹直径为10.5公里，GOSAT在跨轨道方向的扫描点数在2010年7月之前为5，之后为3。

2.3使用的数据

这项研究是使用两种传感器的标准产品制成的。使用GOSAT TANSO-FTS TIR 2级01版01.01版的CH4轮廓产品，为期为2010年至2012年6月的2年期间，此期间的数据已发布给根据GOSAT研究公告选定的所有注册用户。 AIRS V6 CH4数据用于本研究，它们从Goddard地球科学数据和信息服务中

图1.相比之下，AIRS检索的覆盖范围更广（a）到GOSAT TANSO-FTS（b）从全球CH4总量显示柱密度2010年9月4日。AIRS数据从升序QC = 0,1模式绘制。

心（DISC）下载。只有来自AIRS升序模式的数据（品质标志等于0或1）才用于与GOSAT-TIR进行比较。请注意，AIRS的检索配置文件的数量比GOSAT-TIR密集得多，如图1所示。在这种情况下，来自GOSAT-TIR的配置文件数量为1479，而来自升序节点的AIRS配置文件数量为QC D 0和1是164 355.从每次GOSAT-TIR测量结果和同一天内的AIRS检索结果平均值与每个GOSAT-TIR测量结果相匹配。考虑到CH4是一种长寿命和充分混合的气体，AIRS和GOSAT-TIR观测值之间约4 h的时差产生的误差在本研究中没有考虑。为了简化，在总列CH4的比较中，直接使用来自NASA DISC的AIRS网格产品，并且将GOSAT-TIR数据插入与AIRS相同的地理网格。

图2. 2010年9月4日使用1天的全球数据比较匹配的AIRS CH4配置文件与GOSAT-TIR配置文件。N = 1182。下图是AIRS减GOSAT资料的平均差值。

GOSAT-TIR和AIRS CH4产品之间的比较包括（1）CH4剖面比较，（2）比较CH4混合比率和不使用平均核值，以及（3）柱平均CH4和不同纬度地区和不同时间的柱子总丰度。来自AIRS上升模式的CH4总列丰度，其单位是分子cm 2，由于GOSAT-TIR CH4曲线单位为ppb，因此使用压力曲线P和表面压力P0来转换GOSAT-TIR CH4曲线的单位。首先，压力梯度计算为

（1）

其中i代表层数;计算Tc的公式

（2）。PT是顶层压力。压力曲线包含在GOSAT-TIR产品中。作为GOSAT TANSO-FTS TIR CH4轮廓由22层组成，AIRS-V6 CH4轮廓包含100层支撑产品和10层标准产品，将AIRS CH4轮廓从100层插入到22层是使用包括在两个CH4产品中的压力数据。

在本文中，GOSAT-TIR和AIRS CH4之间的“差异”计算为

（3） 其中XG表示来自GOSAT-TIR的CH4混合比率或柱量，以及来自AIRS的XA。

3结果

3.1配置文件比较

图2显示了2010年9月4日全球资料的1

天内GOSAT-TIR资料与同时出现的AIRS CH4资料的简单对比，他们在100 hPa以上和400 hPa以下达到了很好的一致

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