卷云對星載CO2激光雷達探測能力影響的仿真模擬研究

潘張宇萱

摘要：針對星載差分吸收激光雷達，構建了一套包含6個子模塊的正演模型，并圍繞卷云對探測能力的影響，開展了典型場景下的仿真模擬研究。通過對比薄冰云和厚冰云兩個典型場景的模擬結果，得出如下結論：當場景中僅存在薄冰云時，可以有效探測云下CO₂；當場景中存在較強的云層和氣溶膠時，難以有效探測云下CO₂，云和氣溶膠的衰減效應對探測效果有顯著的影響。這些結果也說明，星載差分吸收激光雷達雖然空間分辨率極高，可以獲取垂直方向上的廓線信息，但與此同時，探測能力的精細化評估和數據的高精度處理技術仍是難點。

關鍵詞：星載激光雷達；差分吸收技術；CO₂；仿真模擬

一、前言

溫室氣體含量的逐年增加破壞了原來在天然溫室氣體成分下所維持的源和匯的自然平衡，其中，二氧化碳（CO₂）含量相對較大，也是全球碳循環的主要載體。被動遙感中，地面碳柱觀測網絡TCCON是基于地基傅立葉紅外高光譜儀按照標準規范開展太陽紅外光譜觀測，反演CO₂等多種大氣溫室氣體成分[1]。2006年10月歐洲發射的METOP-A、2009年1月日本發射的GOSAT、2014年7月美國發射的OCO-2都是用于探測CO₂等溫室氣體含量的衛星[2-4]。近年來，星載主動遙感技術逐漸發展起來，如差分吸收激光雷達技術探測大氣主要氣體成分，美國NASA和歐洲ESA分別提出了A-SCOPE和ASENDS衛星計劃，均以主動式路徑積分差分吸收IPDA激光雷達為設計載荷[5-6]。2022年4月，我國成功發射大氣環境監測衛星，攜帶了全球第一臺用于探測二氧化碳的激光雷達，以期實現對地球大氣二氧化碳的全天時、高精度探測[7]。

星載差分吸收激光雷達在探測二氧化碳時會受到云層吸收和散射的影響，從而帶來探測結果的不確定性。本文將針對這一問題，建立正演模型，基于兩個典型冰云場景開展仿真模擬分析，探討冰云對于探測能力的影響。

二、探測原理

星載二氧化碳激光雷達采用差分吸收技術來實現有效探測，其基本原理如下：

三、正演模型

正演模型是指在儀器設計和探測模式等論證過程中，通過構造數學模型，計算得到其理論值，然后用仿真模擬驗證其設計的正確性和可行性，同時為設計方案提供優化方法的一種有效手段。

本文構建的正演模型由6個子模塊構成，如圖1所示：典型場景模擬、光學特性計算、輻射傳輸計算、衰減后向散射系數計算、回波信號仿真、參數敏感性分析。將NCEP再分析數據輸入至WRF和WRF-CHEM中進行三維場景模擬，并耦合初始設置的CO₂含量廓線；再利用OPAC數據庫對水凝物、氣溶膠的光學特性進行計算，得到后向散射特性；結合LBLTRM模式，建立大氣輻射傳輸模式，計算衰減后向散射系數；根據衛星平臺參數和激光雷達儀器參數，模擬探測器上獲得的仿真信號；根據仿真結果可對關鍵參數進行敏感性分析。典型場景一旦確定，就需要以儀器、衛星平臺參數作為輸入值，如表1所示。

四、典型模擬結果分析

（一）典型場景與CO₂廓線

作為正演模型的起點，我們選取了兩個典型場景。圖2為第一個場景的三維示例，模擬一次熱帶地區斯里蘭卡島上空的冰云。在該場景中，海洋（水體）的反照率低于0.1，陸地的反照率高于0.15，這對于靠地表反射的差分吸收技術來說很重要。在場景中耦合CO₂濃度時，陸地和海洋采用了不同的廓線。從全球統計來看，海洋上空CO₂含量略高于陸地。

（二）薄冰云場景模擬結果分析

第一個模擬場景緯度橫跨約4°，為典型熱帶地區薄冰云，云頂高度位于15km左右，冰晶含水量最大區域在7.0～7.5°N，均值達到約0.66mg/m³，垂直光學厚度基本在0.3以內。該場景主要考察激光雷達穿透薄冰云層后對于CO₂的探測能力。

將場景中的各項大氣條件、水凝物、CO₂等背景參數輸入正演模型，得到的仿真結果如圖3所示。圖3（a）中15km處的明顯回波可以看到1572nm波長仍然能夠用于探測云層信息，且由于云層很薄，光學厚度小，云層下方的信號較為平滑，地表和水面處偶爾有強反射信號需要做過飽和處理。圖3（b）給出了λ_on與λ_off兩個通道探測信號的差值，平均值在14.3μV左右，且云測信息會被削弱，其差值越明顯，對后期CO₂濃度的反演越有利。取場景中每條廓線λ_on與λ_off通道信號的比值P_on/P_off，并在高度上對每條廓線進行累加，從而考察CO₂吸收作用導致的信號變化。通過對比發現，盡管圖3（c）中P_on/P_off累加值在一定區間內出現不穩定，但其基本趨勢與圖3（d）中輸入正演模型的CO₂柱濃度一致，且相關性達到0.83，證明在薄冰云中，能夠對CO₂柱濃度實施有效探測，但信噪比需要通過參數優化來提升。

（三）厚冰云場景模擬結果分析

第二個模擬選取了中緯度地區一次典型的陸地冰云與氣溶膠同時出現的場景。冰云位于8～10km之間，分布范圍廣闊，2km下方有氣溶膠分布，設置為“大陸污染型”氣溶膠。由于均為陸地，反射率均在0.2以上。該場景主要考察厚冰云對于CO₂探測能力的影響。

圖4（a）中8～10km處有明顯云層回波，35.3～35.7°N和36.4～36.7°N兩個區域內的云層回波較強，光學厚度大于4.5，吸收作用顯著，其下方高度區域內幾乎沒有信號。圖4（b）中，λ_on與λ_off兩個通道探測的信號差值較小，主要是受云層吸收作用的影響。圖4（c）中，將每條廓線的P_on/P_off在高度上進行累加，在上述云層回波較強的兩個區域內，P_on/P_off有很強的不確定性，幾乎無法分辨趨勢，但在其他云層較薄的區域，不確定性減弱。對比圖4（d），兩者基本沒有任何相似的特征，且相關系數也僅為0.09，表明在云層較厚、含水量較大時，無法對CO₂實施有效探測。

五、結語

本文針對星載差分吸收激光雷達，構建了一套包含6個子模塊的正演模型，并圍繞卷云對探測能力的影響，開展了典型場景下的仿真模擬研究，并得出如下結論：當場景中僅存在薄冰云時，可以有效探測云下CO₂；當場景中存在較強的云層和氣溶膠時，難以有效探測云下CO₂，云和氣溶膠的衰減效應對探測效果有顯著的影響。星載差分吸收激光雷達雖然空間分辨率極高，可以獲取垂直方向上的廓線信息，但與此同時，探測能力的精細化評估和數據的高精度處理技術仍是巨大挑戰。

參考文獻

[1]周敏強，張興贏，王普才，等.二氧化碳柱濃度的衛星反演試驗及地基驗證[J].中國科學：地球科學，2015，45（6）：856-863.

[2]García OE，Sepúlveda E，Schneider M，et al.Consistency and quality assessment of the Metop-A/IASI and Metop-B/IASI operational trace gas products （O3， CO， N2O， CH4， and CO₂） in the subtropical North Atlantic[J].Atmospheric Measurement Techniques，2016，9（5）：2315-2333.

[3]Yokota T，Yoshida Y，Eguchi N，et al.Global concentrations of CO₂and CH4 retrieved from GOSAT： First preliminary results[J].SOLA，2009，5：160-163.

[4]Wunch D，Wennberg PO，Osterman G，et al.Comparisons of the orbiting carbon observatory-2 （OCO-2） XCO₂measurements with TCCON[J].Atmospheric Measurement Techniques，2017，10（6）：2209-2238.

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[6]Abshire JB，Riris H，Allan GR，et al.A lidar approach to measure CO₂concentrations from space for the ASCENDS Mission[C]//Lidar Technologies， Techniques， and Measurements for Atmospheric Remote Sensing VI.SPIE，2010.

[7]王敏，黃辛.大氣環境監測衛星升空[N].中國科學報，2022-04-18（1）.

作者單位：南京信息工程大學大氣物理學院