數(shù)據(jù)聯(lián)合同化的碳源匯估測方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及遙感技術(shù)、大氣科學(xué)、生態(tài)學(xué)等學(xué)科領(lǐng)域，特別是涉及基于衛(wèi)星-地基 CO2數(shù)據(jù)聯(lián)合同化的碳源匯估測方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 人類活動引起的大氣CO2濃度升高導(dǎo)致全球氣候變化，給人類社會的生存和發(fā)展 帶來了巨大威脅。陸地生態(tài)系統(tǒng)碳匯與大氣CO 2間存在著緊密關(guān)系，它不僅被動地受大氣 CO2的影響和控制，也對大氣CO2存在反饋作用，在氣候系統(tǒng)中具有舉足輕重的地位。因此， 在氣候與環(huán)境問題日益突出的今天，加深對陸地生態(tài)系統(tǒng)碳源匯的動態(tài)變化機(jī)制的理解， 加強(qiáng)區(qū)域陸地碳源匯分布格局的認(rèn)識，具有重要的科學(xué)價值。
[0003] 目前，國際上已發(fā)展了一系列直接（如：箱式通量觀測法及通量塔觀測法）或間接 (如："自下而上"的陸面生態(tài)過程模型模擬、土地利用和土地覆被變化監(jiān)測法，"自上而下" 的大氣CO 2反演法）的碳源匯觀測與估算方法。其中，"自上而下"的大氣反演法是碳源匯 計算的重要方法，在估算區(qū)域和全球生態(tài)系統(tǒng)碳收支和預(yù)測未來氣候變化和人類活動改變 條件下生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)過程提供了有效的手段。然而，傳統(tǒng)的大氣CO 2反演法是利用分散 在世界各地的近地面CO2濃度觀測站（僅約200個點）數(shù)據(jù)作為觀測值，結(jié)合數(shù)據(jù)同化方 法進(jìn)行的碳源匯推算。由于觀測站點的數(shù)量不足、分布不勻及觀測指標(biāo)的不統(tǒng)一，使全球二 氧化碳濃度/源匯估算結(jié)果具有相當(dāng)大的不確定性。因此，地基碳觀測數(shù)據(jù)有限的現(xiàn)狀，對 準(zhǔn)確估算全球碳源匯分布以及大氣CO 2濃度總體狀況提出了嚴(yán)重的挑戰(zhàn)。
[0004] 大氣CO2反演法的模擬精度對觀測數(shù)據(jù)的依賴性強(qiáng)，其觀測數(shù)據(jù)的數(shù)量和質(zhì)量決 定了碳源匯模擬結(jié)果的時空分辨率和精度。由于目前可用的地基CO 2觀測站點數(shù)量不夠、 數(shù)據(jù)分布不均及觀測指標(biāo)不統(tǒng)一等限制，大氣反演法往往只能用有限的站點去估測幾年內(nèi) (10-20年）全球幾十個（22-100)區(qū)的平均碳通量的分布情況，其模擬結(jié)果的精度、時間和 空間分辨率都比較低。
[0005] 鑒于以上問題，開發(fā)一種能夠提高時間和空間分辨率以及估算精度的碳源匯估測 方法具有重要意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的是提供一種基于衛(wèi)星-地基CO2數(shù)據(jù)聯(lián)合同化的碳源匯估測方法， 使其對碳源匯的估測結(jié)果具有較高的精度和時空分辨率，從而克服現(xiàn)有方法對碳源匯估測 結(jié)果精度低、時空分辨率低的不足。
[0007] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：
[0008] 基于衛(wèi)星-地基CO2數(shù)據(jù)聯(lián)合同化的碳源匯估測方法，包括以下步驟：根據(jù)先驗 CO2通量數(shù)據(jù)驅(qū)動大氣傳輸模型，獲得CO 2模擬濃度時空數(shù)據(jù)集；采用集合卡爾曼平滑方法 同化〇)2觀測數(shù)據(jù)，對所述CO 2觀測數(shù)據(jù)與CO 2模擬濃度之差最小化求解，獲得優(yōu)化的CO 2濃 度及CO2通量的時空分布場；其中，所述CO 2觀測數(shù)據(jù)包括CO 2站點濃度數(shù)據(jù)及CO 2衛(wèi)星柱 濃度數(shù)據(jù)：當(dāng)所述CO2觀測數(shù)據(jù)為CO 2站點濃度時，從所述CO 2模擬濃度時空數(shù)據(jù)集中提取 時空信息匹配的〇)2模擬濃度，對該CO 2模擬濃度與所述CO 2站點濃度之差最小化求解；當(dāng) 所述CO2觀測數(shù)據(jù)為CO 2衛(wèi)星柱濃度時，從所述CO 2模擬濃度時空數(shù)據(jù)集中提取時空信息匹 配的〇)2模擬濃度，先將該CO 2模擬濃度轉(zhuǎn)化成CO 2模擬柱濃度，再對CO 2衛(wèi)星柱濃度與轉(zhuǎn)化 后的〇)2模擬柱濃度之差最小化求解。
[0009] 進(jìn)一步地，所述CO2站點濃度數(shù)據(jù)來自美國海洋與大氣總署的地球系統(tǒng)研宄實驗 室及澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)與工業(yè)研宄組織的瓶裝采樣的flask數(shù)據(jù)；所述CO 2衛(wèi)星柱濃度數(shù) 據(jù)來自G0SAT-AC0S3. 3中的L2數(shù)據(jù)產(chǎn)品。
[0010] 進(jìn)一步地，所述進(jìn)行同化過程的CO2衛(wèi)星柱濃度數(shù)據(jù)選取G0SAT-AC0S V3. 3中標(biāo) 記為Good，且滿足以下條件的數(shù)據(jù)：衛(wèi)星柱濃度數(shù)據(jù)與其對應(yīng)的轉(zhuǎn)化后的CO2模擬柱濃度 相差小于3ppm。
[0011] 進(jìn)一步地，所述同化過程是通過大氣反演模型進(jìn)行的。
[0012] 進(jìn)一步地，具體包括以下步驟：S1 :根據(jù)碳通量調(diào)整系數(shù)背景場1/，利用方 程1-1計算先驗〇)2通量數(shù)據(jù)，即CO 2通量預(yù)報場；
[0013] X(t)= fU t) = [(Fbio，t+Focn，J X At+Fff，t+Ffire，t (1-1)
[0014] 式中，X (t)代表CO 2通量，F(xiàn) bi。，t、F_，t、Fff，t、F f ire，t分別代表陸表碳通量、海洋碳通量、 人為碳排放以及野火燃燒碳排放，λ t為碳通量調(diào)整系數(shù)，下標(biāo)t代表時間，當(dāng)t = 0時，λ t 為初始值I. 〇 ;S2 :根據(jù)所述先驗0)2通量數(shù)據(jù)，驅(qū)動大氣傳輸模式運行，生成CO 2模擬濃度 時空數(shù)據(jù)集；S3 :采用集合卡爾曼平滑方法對時空信息匹配的CO2觀測濃度與CO 2模擬濃度 之差最小化求解，獲得優(yōu)化的碳通量調(diào)整系數(shù)2Λ即λ t的分析場，再根據(jù)IZz利用方程1-1 計算優(yōu)化的CO2通量，即CO 2通量分析場；S4 :根據(jù)優(yōu)化的CO 2通量再次驅(qū)動大氣傳輸模式， 獲得優(yōu)化后的〇)2模擬濃度時空數(shù)據(jù)集；S5 :將優(yōu)化的碳通量調(diào)整系數(shù)\?作為下一時刻的 碳通量調(diào)整系數(shù)的背景場，返回步驟Sl。
[0015] 進(jìn)一步地，所述陸表碳通量FbiU是通過陸地生態(tài)系統(tǒng)模型獲得的。
[0016] 進(jìn)一步地，所述將0)2模擬濃度轉(zhuǎn)化成CO 2模擬柱濃度是通過公式1-2進(jìn)行的：
【主權(quán)項】
1. 基于衛(wèi)星-地基CO 2數(shù)據(jù)聯(lián)合同化的碳源匯估測方法，其特征在于，包括以下步驟： 根據(jù)先驗CO2通量數(shù)據(jù)驅(qū)動大氣傳輸模型，獲得CO 2模擬濃度時空數(shù)據(jù)集； 采用集合卡爾曼平滑方法同化〇)2觀測數(shù)據(jù)，對所述CO 2觀測數(shù)據(jù)與CO 2模擬濃度之差 最小化求解，獲得優(yōu)化的CO2濃度及CO 2通量的時空分布場； 其中，所述CO2觀測數(shù)據(jù)包括CO 2站點濃度數(shù)據(jù)及CO 2衛(wèi)星柱濃度數(shù)據(jù)： 當(dāng)所述CO2觀測數(shù)據(jù)為CO 2站點濃度時，從所述CO 2模擬濃度時空數(shù)據(jù)集中提取時空信 息匹配的〇)2模擬濃度，對該CO 2模擬濃度與所述CO 2站點濃度之差最小化求解； 當(dāng)所述CO2觀測數(shù)據(jù)為CO 2衛(wèi)星柱濃度時，從所述CO 2模擬濃度時空數(shù)據(jù)集中提取時空 信息匹配的〇)2模擬濃度，先將該CO 2模擬濃度轉(zhuǎn)化成CO 2模擬柱濃度，再對CO 2衛(wèi)星柱濃度 與轉(zhuǎn)化后的〇)2模擬柱濃度之差最小化求解。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于衛(wèi)星-地基CO 2數(shù)據(jù)聯(lián)合同化的碳源匯估測方法，其 特征在于，所述CO2站點濃度數(shù)據(jù)來自美國海洋與大氣總署的地球系統(tǒng)研宄實驗室及澳大 利亞聯(lián)邦科學(xué)與工業(yè)研宄組織的瓶裝采樣的flask數(shù)據(jù)；所述CO 2衛(wèi)星柱濃度數(shù)據(jù)來自 G0SAT-AC0S3. 3中的L2數(shù)據(jù)產(chǎn)品。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于衛(wèi)星-地基CO2數(shù)據(jù)聯(lián)合同化的碳源匯估測方法，其特征 在于，所述進(jìn)行同化過程的CO 2衛(wèi)星柱濃度數(shù)據(jù)選取G0SAT-AC0S V3. 3中標(biāo)記為Good，且滿 足以下條件的數(shù)據(jù)：衛(wèi)星柱濃度數(shù)據(jù)與其對應(yīng)的轉(zhuǎn)化后的CO2模擬柱濃度相差小于3ppm。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于衛(wèi)星-地基CO 2數(shù)據(jù)聯(lián)合同化的碳源匯估測方法，其特 征在于，所述同化過程是通過大氣反演模型進(jìn)行的。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于衛(wèi)星-地基CO 2數(shù)據(jù)聯(lián)合同化的碳源匯估測方法，其特 征在于，具體包括以下步驟： 51 :根據(jù)碳通量調(diào)整系數(shù)背景場利用方程1-1計算先驗〇)2通量數(shù)據(jù)，即CO2 通量預(yù)報場； x(t)= f (λt) = [(Fbio，t+Focn，J X At+Fff，t+Ffire，t (1-1) 式中，x(t)代表CO 2通量，F(xiàn) bi()，t、F_，t、Fff，t、F fiM，t分別代表陸表碳通量、海洋碳通量、人 為碳排放以及野火燃燒碳排放，λ t為碳通量調(diào)整系數(shù)，下標(biāo)t代表時間，當(dāng)t = 0時，λ 初始值I. 〇 ; 52 :根據(jù)所述先驗0)2通量數(shù)據(jù)，驅(qū)動大氣傳輸模式運行，生成CO 2模擬濃度時空數(shù)據(jù) 集； 53 :采用集合卡爾曼平滑方法對時空信息匹配的CO2觀測濃度與CO2模擬濃度之差最小 化求解，獲得優(yōu)化的碳通量調(diào)整系數(shù)λ ta，即At的分析場，再根據(jù)λ ta利用方程1-1計算優(yōu) 化的CO2通量，即CO 2通量分析場； 54 :根據(jù)優(yōu)化的CO2通量再次驅(qū)動大氣傳輸模式，獲得優(yōu)化后的CO 2模擬濃度時空數(shù)據(jù) 集； 55 :將優(yōu)化的碳通量調(diào)整系數(shù)λ ta作為下一時刻的碳通量調(diào)整系數(shù)的背景場，返回步 驟Sl0
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于衛(wèi)星-地基CO 2數(shù)據(jù)聯(lián)合同化的碳源匯估測方法，其特 征在于，所述陸表碳通量Fbi()， t是通過陸地生態(tài)系統(tǒng)模型獲得的。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于衛(wèi)星-地基CO 2數(shù)據(jù)聯(lián)合同化的碳源匯估測方法，其特 征在于，所述將〇)2模擬濃度轉(zhuǎn)化成CO 2模擬柱濃度是通過公式1-2進(jìn)行的： = h^"Xa +h -Xa) (12) 式中，是轉(zhuǎn)化后的CO2模擬柱濃度；1^是衛(wèi)星提供的氣壓加權(quán)函數(shù)；Xa是衛(wèi)星提供 的先驗廓線；A是衛(wèi)星提供的平均核函數(shù)；Xh是與衛(wèi)星提供的先驗濃度廓線Xa時空尺度相 匹配的、大氣傳輸模式模擬的模擬濃度廓線。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的基于衛(wèi)星-地基CO 2數(shù)據(jù)聯(lián)合同化的碳源匯估測方法，其特 征在于，所述模擬濃度廓線Xh通過以下方式實現(xiàn)與所述先驗濃度廓線X 3時空尺度相匹配： 大氣傳輸模式首先根據(jù)衛(wèi)星柱濃度數(shù)據(jù)的時間、空間信息對CO2模擬濃度進(jìn)行采樣，獲 得時空信息相一致的〇)2模擬濃度，再根據(jù)先驗濃度廓線X a的分層高度對CO 2模擬濃度進(jìn) 行插值，以生成與先驗濃度廓線Xa時空尺度相匹配的模擬濃度廓線X h。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于衛(wèi)星-地基CO 2數(shù)據(jù)聯(lián)合同化的碳源匯估測方法，其特 征在于，所述同化過程通過最小化代價函數(shù)J獲取要求解的CO 2通量X及其分析誤差P 3的 最優(yōu)化估測： X = x〇+k (y°-H (x〇)) (1-6) Pa= (I-kH)P (1-8) 其中，k是一個增益矩陣，表示如下方程： k = (PHt) / (HPHT+R) (1-7) 所述代價函數(shù)J : Jr = y(.y〇 -//(Λ.))7" Zi 1 (少'11 - "(Λ.))) + I(X - Λ.0 )Γ/) 1 (Λ. - Λ.0 ) ( 1_5 ) 式中，/是CO2觀測濃度，R = varU)是觀測濃度誤差協(xié)方差矩陣；Xtl是先驗CO 2通 量，P是先驗CO2通量的誤差協(xié)方差矩陣；上標(biāo)T代表矩陣轉(zhuǎn)置； H為如下所示的觀測算子矩陣：
其中Hij代表像元點i、地基站點濃度j的地基站點觀測算子;Wij代表的是像元點i、衛(wèi) 星柱濃度j的衛(wèi)星濃度觀測算子。
【專利摘要】本發(fā)明公開了基于衛(wèi)星-地基CO2數(shù)據(jù)聯(lián)合同化的碳源匯估測方法，所述方法結(jié)合CO2站點濃度、CO2衛(wèi)星柱濃度，采用集合卡爾曼平滑方法求解出最優(yōu)化的CO2濃度和通量時空分布場。本發(fā)明引進(jìn)柱濃度同化方案，構(gòu)建了基于衛(wèi)星柱濃度及地基站點觀測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的衛(wèi)星-地基CO2聯(lián)合同化方法，改進(jìn)了大氣反演模型只能同化站點觀測CO2濃度的缺陷，實現(xiàn)了多種來源CO2數(shù)據(jù)的聯(lián)合同化，為精確的區(qū)域碳源/匯估算提供有效手段。
【IPC分類】G06F19-00
【公開號】CN104834823
【申請?zhí)枴緾N201510251620
【發(fā)明人】陳報章, 張慧芳
【申請人】中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所
【公開日】2015年8月12日
【申請日】2015年5月18日