用于MERLIN的CH4积分路径差分吸收激光雷达任务数据模拟器和处理器:LMD/CNRS/ECOLE POLYTECHNIQUE的原型开发外文翻译资料

英语原文共 5 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

用于MERLIN的CH₄积分路径差分吸收激光雷达任务数据模拟器和处理器:LMD/CNRS/ECOLE POLYTECHNIQUE的原型开发

Chomette Olivier1^1*, Raymond Armante¹, Cyril Crevoisier¹, Thibault Delahaye¹, Dimitri Edouart¹, Fabien Gibert¹, Freacute;deacute;ric Nahan², Yoann Tellier¹

¹Laboratoire de Meacute;teacute;orologie Dynamique (LMD), Ecole Polytechnique, 91128 Palaiseau,FRANCE,

^*chomette@lmd.polytechnique.fr

²Magellium Paris, 92400 Courbevoie, FRANCE

摘要：甲烷遥感激光雷达任务(MERLIN)是法国和德国联合合作的关于发展空间积分路径差分吸收(IPDA)激光雷达(光探测和测距)进行全球大气甲烷观测，目前处于C阶段。本文将着重介绍法国巴黎理工学院LMD(Laboratoire de Meteorologie Dynamique)开发的激光雷达任务数据模拟器和处理器的现状，以便MERLIN评估其在实际观测情况下的性能。

1.引言

CH₄的主要人为来源是能源生产、垃圾填埋、废物处理、牲口、稻田和生物质不完全燃烧产生的排放。此外，还有来自湿地的重要天然CH₄来源。由于人类活动，其浓度自工业化前(1750年代)以来增加了2倍以上，目前约为1800ppb^[1]。

继二氧化碳之后，甲烷(CH₄)是导致全球变暖的第二种人为温室气体。虽然其全球排放量(估计约550 TgCH₄ yr-1^[2])仅为以碳质量通量为单位的全球二氧化碳人为排放的4%，但CH₄的变暖潜力约为二氧化碳的28倍。目前，地表甲烷排放贡献了总辐射力的30%，其中直接贡献20%^[1]，通过对流层的O₃和H₂O的产生间接贡献了10%^[1]。

了解和监测大气中该气体的源和汇机制的演变是更好地预测未来气候的一项重大挑战。MERLIN的目标是获得大气CH₄的空间和时间梯度的全球测量，其精度和准确度足以比通过无源光学辐射测量技术进行的当前观测，能更好地监测甲烷的连续变化，并且其精度和时空覆盖范围有限（云量，气溶胶干扰，夜间等）。Merlin的主要驱动因素是CH₄柱加权干空气混合比（XCH₄）的精度（随机误差）、最大偏差（系统误差）和水平取样的详述，如表1所示。

表1 XCH₄的MERLIN任务要求

极低水平的系统误差旨在避免XCH₄的地理偏差，这可能导致通量的不确定性。

为了减少主要由于仪器的信噪比引起的相对随机误差，数据将沿轨道水平平均距离超过50km的范围获得。

2.MERLIN任务

装备由德国航天局(DLR)负责，而平台(MYRIAD的演变生产线)由法国航天局(CNES)开发，MERLIN计划于2020年底发射。IPDA技术依赖于DIAL（差分吸收激光雷达）测量，利用脉冲激光发射两束不同波长的激光，一束激光波长精确锁定在甲烷吸收线的特征光谱上，另一种波长激光不被吸收，作为参考。关于这些仪器的更多细节可以在^[3]中找到。MERLIN任务将提供以下数据产品:

表2 MERLIN产品

1级数据由DLR负责，2级和3级数据是CNES负责。

本文介绍了MERLIN测量原理和在LMD的MERLIN团队中开发的与LIDSIM（激光雷达模拟器）激光雷达信号模拟有关的工作，以便能够模拟0/1a级数据（见表2），并使用PROLID（激光雷达处理器）对该信号进行反演，以获得1b级和2级产品（见表2），即卫星子轨道上CH₄（称为XCH₄）的线柱加权干空气混合比。

3.测量原理

MERLIN任务的核心部分是星下点视角的CH₄ IPDA激光雷达系统。该仪器测量从地球表面和云面的后向散射，激光脉冲发射具有略微不同波长的激光，表示为和（图1）。波长精确地定位在1.64mu;m近红外光谱区域中的CH₄吸收线多个吸收峰之一的峰值上，以显著提高激光频率稳定性和平台指向要求。

图1 MERLIN测量概念

处的测量作为参考测量，路径中CH₄分子的吸收可忽略不计。和的光谱距离足够近，除了CH₄吸收（以及二级吸收的H₂O和CO₂），可以认为大气和地表性质相同。MERLIN测量概念如图1所示。

4.LIDSIM amp; PROLID

4.1 LIDSIM

LIDSIM和PROLID的目标是用于评估MERLIN在实际观测情况（即地形特征，大气条件）中的性能。

LIDSIM的输入由三个模块组成（图2）

—几何模块提供了一个模拟的MERLIN轨道，发射的经纬度与激光雷达瞄准线、卫星高度、太阳天顶角和发射时间有关。

—场景生成模块提供来自不同数据源的大气条件和地表特征信息:

• 大气剖面图（T，P，H₂O，O₃），ECMWF表面的P和T。
• 从数据高程模型(DEM)获得的一些信息，以获得每次拍摄的高度，以及地形的坡度和粗糙度。目前使用GMTED2010。
• 全球土地覆盖产品（GlobCover），用于获取每次拍摄土地覆盖的信息。这些信息有助于创建与土地覆盖相关联的不同表面回波（所有的表面回波都是高斯回波，只是修改了宽度）。
• 从MODIS数据生成的数据库，以获得地表反射率。
• 从洪水气候学方面，考虑到洪水带来的地表特征变化。

—仪器模块提供了在LIDSIM中模拟激光雷达信号所需的所有仪器特性(激光发射、望远镜接收、光学单元、检测和数字化单元)。

图2 LIDSIM/PROLID链的示意图和流程图

LIDSIM的核心从信号(即被地面或云面反射后检测到的光电子，考虑大气的吸收和消光)和背景(即天空背景产生的光电子)确定光电子数。这一步不仅需要对CH₄多峰光谱信息有很高的准确度，还需要对两个MERLIN波长附近的H₂O和CO₂有很高的准确度，这两种气体在辐射传输计算中必须考虑其影响。光谱学采用GEISA数据库^[4]和自动化大气吸收图谱(4A)^[5]进行辐射计算，^[5]是一种快速、准确的逐行辐射传输模型，该模型在光谱的红外区域特别有效。

然后在信号上添加噪声（激光和背景散粒噪声，激光和背景散斑，来自探测器和探测链的噪声）。检测脉冲响应也考虑在内。图3显示了一个LIDSIM的信号输出示例。

图3 LIDSIM输出示例。MERLIN ON和OFF波长的激光雷达信号（带噪声）

4.2 PROLID

LIDSIM输出由PROLID直接处理，该处理器分两步工作。第一步，PROLID-L1，创建类似MERLIN-L1b的数据。然后用PROLID-L2获得类似MERLIN-L2的数据（XCH₄）。 PROLID也需要LIDSIM输入（图2）。

PROLID-L1仍在LMD开发中，它是基于DLR提出的算法。由于检测链的脉冲响应是不对称的，因此改变了地面回波信号（参见图3中的地面回波的不对称性）。使用去卷积过程，对脉冲响应的不对称性进行校正，减小距离偏差估计。PROLID-L1还将从地面回波和每个模拟激光照射的相关SNR中检测散射能量。

根据激光雷达回波的比值，差分吸收光学厚度（DAOD）以及主数据产品XCH₄（定义为加权函数WF平均的垂直线柱），可以用以下方程组来计算：

P、T为压力和温度的垂直分布，sigma;为甲烷吸收截面（单位：msup2;），m为一种物质的分子质量，为水蒸气体积混合比相对于干空气的垂直分布。

为了计算WF（方程3），我们需要知道至少三种大气物质CH₄，CO₂和H₂O的有效吸收截面。这些有效吸收截面取决于大气温度、压力和成分，并使用4A计算。需要在PROLID-L1中确定SSE（散射表面高度），以便更精确地了解表面压力，因为WF是在大气层顶到地表之间的积分。

一旦逐个获得（等式1），PROLID-L2中的最后一个模块执行超过50km的平均。使用的方法在^[6]中描述。

目前，LIDSIM/PROLID-L2链正在运行并经过验证。为了验证它，我们选择使用TIGR（热力学初始猜测检索）数据集而不是轨道作为输入。TIGR是一个气候学图书馆，通过统计方法从80,000个无线电探空仪报告中选择了2311个典型的大气情况^[7]。从地表到大气层顶，通过给定压力网格上的T、H₂O、O₃的值描述了每种情况。

图4 通过TIGR数据库的无噪声的PROLID-L2输出XCH4示例

与轨道数据相比，该数据库在优化时间计算时考虑了所有大气条件。我们还通过增加随机值来研究表面反射率对TIGR的影响。我们通过比较在没有添加噪声的情况下，通过将由PROLID计算出的XCH₄与LIDSIM中输入的XCH₄进行验证。我们通过所有TIGR数据库中发现PROLID为1.7795plusmn;0.0002ppm（图4），其中CH₄为1.78ppm，作为LIDSIM的输入。

5.讨论

在未来，除了完整的PROLID-L1之外，我们还计划在LIDSIM/PROLID链中进行一些改进，例如更好的垂直离散化、更具代表性的表面回波，考虑多普勒效应、气溶胶和云。

参考文献 剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[19017]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word