反演二氧化碳的敏感性

反演二氧化碳的敏感性

1.1前向模型LBLRTM及光谱分辨率

逐线积分辐射传输模型LBLRTM是在FASCODE(Fast Atmospheric Signature

Code model)基础上发展的一种高精度、高分辨率的模型[7]。LBLRTM的所有参数使用的是高分辨率透过率分子吸收数据库(HITRAN),在计算所有压力层时均采用Voigt线型。同时，它包括了水汽连续吸收模型(CKD)的自增宽和外增宽。在长波范围内，LBLRTM包括了二氧化碳、氧气和氮气的连续吸收带。

在反演过程中，需要对大气进行分层处理，并且水平大气层中近似认为大气的温压条件以及吸收气体含量都是稳定的。模拟以US1976美国标准大气为背景 ，在观测高度是100km条件下，运用最优非线性反演算法使用逐线积分辐射传输模型模拟计算，模拟分析出每1km大气层上分别增加1ppmv CO2变化所产生的影响 、温度廓线在每1km高度上分别增加1k所引起的辐射值变化 、H2O及O3产品每1km厚度10%的精度，计算不同高度大气层上两者变化分别引起的辐射值变化。

参考光谱的模拟条件是：大气CO2初始浓度设定为330ppmv，晴空无气溶胶，无云， 模拟的波段范围为690-725cm-1 ， 光谱分辨率为准大气情况下模拟的690-725cm-1光谱范围内大气顶的出射辐射值。

，朗伯体、

地表发射率0.98，垂直向下观测作为基本输入参数来设置前向模型。图1.1为标

图1.1 标准大气下星下观测的大气顶出射辐射值

由图1.1可以看出690-725cm-1波段内随波数的增加，大气层顶的出射辐射率整体呈上升趋势，720cm-1左右出射辐射响应出现最低值。高分辨率的光谱信息能够高精度的反应出CO2浓度反演的敏感性，但光谱分辨率和辐射探测灵敏度不可兼得，需要考虑到仪器的光谱分辨率。我们按照AIRS 响应函数（Response Function），利用扫描函数计算得到模拟光谱，使其与AIRS 卫星仪器光谱分辨率

吻合。

1.2 初始廓线

本文使用US1976美国标准大气为背景进行敏感度分析。将地面至100km的

大气温度、二氧化碳浓度、水汽浓度及臭氧浓度收集绘制如图1.2。

图1.2 (1) CO2、(2)温度、(3)水汽、(4)臭氧的大气初始廓线

图1.2为二氧化碳、温度、水汽、臭氧四种因子的大气初始廓线，由图可知，二氧化碳在对流层浓度变化不明显，温度值、水汽浓度在对流层随高度减小，水汽浓度在10km以上不再变化，臭氧在对流层无明显变化，在平流层浓度有明显变化。

1.3二氧化碳浓度变化的敏感度

敏感度定义公式如下：

其中，S(%)表示敏感度，记为S，R0表示原始大气顶出射辐射率，R'表示二氧化碳增加1ppm后大气顶出射亮度。

1.1.1高度变化

线型函数是指谱线强度在整个波数范围内的分布概率，其具体形式由引起谱线增宽的物理因素决定，在地球大气下，主要是以自然增宽，压力增宽和多普勒效应引起的[8]。高度变化即压力变化对反演 CO2总含量存在较大的影响，压力的变化会通过压力增宽对 CO2气体分子的吸收线型产生影响。计算每 1km 大气层上分别增加1ppmv CO2变化所产生的影响，结果如图1.3所示。

图1.3 CO2 浓度每 1km 变化 1ppmv 的辐射变化

由图1.3表示690-725cm-1范围内每1km变化1ppmv的扰动比，红色区域为负值即辐射率减弱，蓝色区域为正值即辐射率增强。纵观全图，整体趋势为大气顶出射辐射值随二氧化碳浓度的增加而降低，主要原因是二氧化碳浓度的增加导

致整层透过率降低。对流层CO2的浓度变化对出射辐射的贡献较大，变化的最大值主要集中10km左右。在20km以下，出射辐射值整体呈现负增长趋势。大体上，随着波数的增加，敏感程度也随之增加。20km至60km范围内，690 cm-1至700cm-1的局部及720cm-1左右浓度的增加导致辐射值呈增加趋势外，其余波段的辐射值变化不大。60km以上辐射值随浓度增加呈轻微减弱。

图1.4 AIRS卫星13个波段CO2浓度变化雅克比

此外，我们考虑参与反演的13个波段，他们在每1km高度上分别增加1ppmv CO2浓度所引起的辐射值变化，即此13个波段的权重函数，如图1.4所示。参与反演的13个波段的敏感度基本保持一致，在10km左右的对流层中部对CO2的变化非常敏感，并且辐射值的变化基本完全来自于20km以内大气层上CO2浓度变化的贡献。其中，711.005cm-1这个波段最为敏感，不同波段在近地面处廓线差异较大，廓线达到顶层时趋于一致。 1.1.2温度对二氧化碳敏感性的分析

温度能通过谱线线强、线型或谱线位置对二氧化碳的吸收系数产生影响，因此红外辐射总量主要依赖于大气温度。虽然参与反演的13个波段对温度的依赖性远小于用于温度廓线反演的波段，仍表现出温度变化对二氧化碳敏感性的影响。

AIRS/AMSU/HSB传感器组探测温度廓线的精度为对流层每1km误差1k，平流层40km以下每4km误差1k。在我们的研究中，我们将1k的误差分别加到标准大气中的每一层，也就是近似的将温度廓线的反演误差反馈于计算的辐射值和观测值间的误差。我们考虑参与反演的13个波段，分别计算在标准大气下，温度廓线在每1km高度上分别增加1k所引起的辐射值变化，如图1.5所示。

图1.5 AIRS卫星13个波段温度廓线变化雅克比

由图1.5所知，温度变化引起的反演误差所造成的辐射值变化的敏感度不超过0.2%,远小于二氧化碳自身变化所引起的敏感度的变化值。将参与反演的13个波段在二氧化碳与温度两者变化引起的扰动廓线中看出，前后两者廓线形状大致相同。最大值区域均出现在10km左右，说明10km的温度变化与二氧化碳浓度变化具有同样重要的意义，敏感性最强的波段为706.137cm-1。

图1.6是温度误差引起的大气辐射变化，45km以下，随温度的增加大气层出射辐射值增加即正相关，45km以上为负相关，敏感区位于对流层。图中大部分的趋势变化均能很好地与浓度变化图相对应，因此，作为二氧化碳浓度反演的重要因子，更好地的了解和提高温度廓线的精度是十分必要的。