1.背景和目标

　　日本环境省、国立环境研究所和日本宇宙航空研究开发机构正在联合推广GOSAT系列，这是一系列地球观测卫星，其主要目的是从空间观测温室气体;2009年1月发射的温室气体观测卫星(GOSAT)和2018年10月发射的GOSAT-2号目前正在运行，日本计划在2024财年发射全球温室气体和水循环观测卫星(GOSAT- gw)。NIES负责开发和改进GOSAT系列观测数据的温室气体浓度检索算法，并对检索结果进行验证和质量评估。

　　GOSAT和GOSAT-2分别配备了温室气体观测传感器——碳观测热与近红外传感器-傅里叶变换光谱仪(TANSO-FTS)和TANSO-FTS-2。二氧化碳(CO2)和甲烷(CH4)的柱平均干空气摩尔分数(*1)已从这些传感器观测到的短波红外(SWIR)光谱(*2)中检索出来，检索结果作为NIES的二级产品发布。利用地面傅立叶变换光谱仪观测网络TCCON(*3)的数据，对每颗卫星检索到的浓度数据进行了验证和质量评价，但目前尚未对卫星间的浓度数据进行比较。在开发GOSAT系列长期浓度数据集时，保证卫星间数据的一致性是非常重要的。在本研究中，我们比较了两颗GOSAT系列卫星获得的CO2和CH4浓度数据，以探讨卫星间浓度数据的系统差异在时间和/或空间上的变化程度。

　　2.方法

　　NIES开发的温室气体浓度检索算法考虑了气溶胶散射和仪器特性变化的影响，从而提高了检索的准确性和精度(*4)。然而，分析中使用的信息与实际情况总是存在一定的差异，导致浓度数据出现误差。在验证活动期间，已经开发和评估了使用多元回归分析(一种导出关系方程以解释两个或更多其他数据集的数据集的分析技术)的经验偏差校正方法，并发布了GOSAT的偏差校正2级产品。由于GOSAT-2数据尚未公布，因此本研究对GOSAT-2数据采用多元回归分析进行偏倚校正。

　　对于偏差校正后的CO2和CH4浓度数据，进行如下分析。

　　(1) TCCON数据与各卫星数据对比

　　(2) GOSAT与GOSAT-2同步观测数据对比

　　(3) GOSAT和GOSAT-2在10°纬度x 10°经度区域的月平均浓度比较

　　为了减少各气体浓度的时空异质性对评价结果的影响，在(1)和(2)中选择满足以下匹配条件的数据进行比较。

　　卫星FTS瞬时视场(IFOV)中心必须在TCCON站点中心±0.2°的经纬度框内。

　　卫星FTS IFOV内的平均高度与TCCON站点高度的差值必须小于200米。

　　TCCON观测数据必须在卫星观测时间的±30分钟内存在。

　　GOSAT数据和GOSAT-2数据必须在同一天观测。

　　一颗卫星的FTS IFOV中心必须在以另一颗卫星FTS IFOV中心为中心的±0.2°经纬度方框内，且数据是彼此最近的邻居。

　　彼此数据在FTS IFOV内的平均高度差必须小于200米。

　　分析中使用的数据期为GOSAT为2009年4月至2022年11月，GOSAT-2为2019年3月至2022年11月，TCCON为2009年4月至2020年12月，并对两个数据集存在的期间进行了比较。

　　3.结果与讨论

　　首先，(1)对TCCON数据与各卫星数据进行了比较。所有符合匹配标准的卫星数据都是陆地数据。由于卫星运行周期和传感器运行模式的差异，GOSAT有14个TCCON站点，GOSAT-2有13个站点，获得了20多个匹配数据。根据这些TCCON站点计算的卫星数据与TCCON数据差值的平均值和标准差(以下分别称为“站点偏差”和“单次测量精度”)，GOSAT和GOSAT-2的平均单次测量精度值CO2小于1.9 ppm, CH4小于10 ppb，而site-to-site偏差定义为站点偏差的标准差，代表其区域依赖性。发现CO2小于0.9 ppm, CH4小于5 ppb。

　　接下来，(2)给出了GOSAT和GOSAT-2同步观测数据的比较(图1)。尽管卫星重访周期(*5)的差异(GOSAT为3天，GOSAT-2为6天)限制了同步观测的可能区域，但不仅在陆地上，而且在海洋上也有满足匹配条件的卫星数据。GOSAT和GOSAT-2数据差异的标准偏差为陆地数据CO2的2.24 ppm和CH4的11.7 ppb，海洋数据CO2的1.68 ppm和CH4的9.6 ppb。这些数值略小于两颗卫星的平均单次测量精度的平方根。而GOSAT-2的海洋CH4比GOSAT低约10 ppb。这可能是由于处理陆地和海洋数据的方式不同。即GOSAT的陆地和海洋数据在检索分析和多元回归分析中对地表反射的处理不同，而GOSAT-2的处理是相同的。

　　最后，(3)GOSAT和GOSAT-2在每10°纬度x 10°经度区域的月平均浓度比较(图2)。请注意，用于比较的区域月平均浓度是根据每颗卫星在不同地点和不同日期观测到的数据计算的，即使是在同一地区和同一月份。两颗卫星间区域月平均浓度的差异因地点和季节而异。虽然造成这种差异的原因仍在调查中，但部分原因可能是没有充分考虑到气溶胶的影响。例如，在北非，GOSAT-2的平均浓度高于GOSAT的平均浓度，但这是因为GOSAT-2与气体浓度同时回收的气溶胶量低于GOSAT。从10多个GOSAT和GOSAT-2卫星数据集计算的区域月平均浓度差异的标准差分别为CO2 1.77 ppm和CH4 11.7 ppb，大于使用TCCON数据评估的站点间偏差。由于卫星观测覆盖了整个地球，影响气体浓度反演的参数，如气溶胶和表面反射特性的分布也多种多样，但现有的TCCON网络仅覆盖有限的区域。换句话说，本研究中使用的TCCON站点在覆盖卫星数据的全球多样性和正确评估偏差的区域依赖性方面是不够的。重要的是获得额外的验证数据，以扩大卫星观测条件和区域的覆盖范围，例如具有高表面反射率的区域或海洋。

　　4.前景

　　在使用这些卫星数据时，本研究中获得的关于GOSAT和GOSAT-2数据之间一致性的发现值得注意。为了进一步提高数据的便利性，我们将继续研究提高各卫星数据的准确性和精度以及卫星数据之间的一致性。本研究的结果也有望为TCCON网络的扩展提供帮助。

　　5.注释

　　*1:在利用SWIR光谱对温室气体进行卫星观测时，目标气体的分子数与总分子数之比(不包括水蒸气)估计为柱平均干空气摩尔分数。

　　*2: TANSO-FTS和TANSO-FTS-2都观测到0.7、1.6和2.0μm(波段1-3)附近的光谱区域，称为短波长红外(SWIR)区域。光强的波长分布称为光谱。

　　*3:全碳柱观测网络;https://tccon-wiki.caltech.edu/)数据被广泛用于验证来自GOSAT、GOSAT-2和其他卫星的温室气体浓度。TCCON是一个由地面傅立叶变换光谱仪组成的网络，分布在世界各地约30个观测直接太阳辐照度的地点，它可以比卫星观测更准确和精确地检索温室气体浓度。在本研究中，我们使用了分析算法GGG2014处理的数据。

　　*4:在利用SWIR光谱对温室气体进行卫星观测时，观测到入射到地球大气层并被地球表面反射的太阳光。由于太阳光在穿过大气层到达卫星时被大气气体吸收，因此气体浓度是根据每种气体对光的吸收程度来估计的。云和气溶胶等大气粒子散射和吸收阳光，并改变观测光谱中气体的吸收强度。此外，为确认仪器特性的稳定性而进行的在轨校准观测表明，仪器特性随时间而变化。也就是说，相同的频谱入射到传感器将被记录为不同的频谱，这取决于从发射开始的时间。因此，为了准确准确地反演温室气体浓度，必须在分析中考虑这些影响。

　　*5:绕地球运行的卫星再次回到同一点所需要的天数被称为重访周期。以GOSAT为例，它在3天内绕地球44圈，第4天的第45圈与第1天的第1圈相同。以GOSAT-2为例，它在6天内绕地球89圈，第90圈与第一次轨道相同。

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