Studie zur Konsistenz der Treibhausgaskonzentrationen zwischen GOSAT und GOSAT-2

Das japanische Umweltministerium, das National Institute for Environmental Studies (NIES) und die Japan Aerospace Exploration Agency fördern gemeinsam die GOSAT-Serie, eine Reihe von Erdbeobachtungssatelliten, deren Hauptzweck die Beobachtung von Treibhausgasen aus dem Weltraum ist; Der im Januar 2009 gestartete Treibhausgas-Beobachtungs-Satellite (GOSAT) und der im Oktober 2018 gestartete GOSAT-2 sind derzeit in Betrieb, und der Global Observing SATellite für Treibhausgase und Wasserkreislauf (GOSAT-GW) soll im japanischen Geschäftsjahr 2024 eingeführt werden.

Die Arbeit wurde veröffentlicht in SOLA.

NIES ist verantwortlich für die Entwicklung und Verbesserung der Abrufalgorithmen der Treibhausgaskonzentrationen für die von der GOSAT-Serie beobachteten Daten sowie für die Validierung und Qualitätsbewertung der Abrufergebnisse.

GOSAT und GOSAT-2 sind mit den Treibhausgas-Beobachtungssensoren Thermal And Near-Infrared Sensor for Carbon Observation – Fourier Transform Spectrometer (TANSO-FTS) bzw. TANSO-FTS-2 ausgestattet.

Die säulengemittelten Stoffmengenanteile von Kohlendioxid (CO2) und Methan (CH4) in trockener Luft wurden aus den von diesen Sensoren beobachteten Kurzwellen-Infrarotspektren (SWIR) abgerufen, und die Abrufergebnisse werden vom NIES als Produkte der Stufe 2 veröffentlicht.

Die Validierung und Qualitätsbewertung der abgerufenen Konzentrationsdaten wurde für jeden Satelliten anhand von Daten des bodengestützten Fourier-Transformations-Spektrometer-Beobachtungsnetzwerks TCCON durchgeführt, ein Vergleich der Konzentrationsdaten zwischen Satelliten wurde jedoch bisher noch nicht durchgeführt.

Bei der Entwicklung langfristiger Konzentrationsdatensätze nach GOSAT-Serien ist es wichtig, die Datenkonsistenz zwischen den Satelliten sicherzustellen. In dieser Studie verglichen wir die CO2- und CH4-Konzentrationsdaten der beiden Satelliten der GOSAT-Serie, um zu untersuchen, inwieweit systematische Unterschiede in den Konzentrationsdaten zwischen Satelliten zeitlich und/oder räumlich variieren.

Der vom NIES entwickelte Algorithmus zur Ermittlung der Treibhausgaskonzentration soll die Genauigkeit und Präzision der Ermittlung verbessern, indem er die Auswirkungen der Aerosolstreuung und Änderungen der Instrumenteneigenschaften berücksichtigt, die zu Fehlern bei den ermittelten Konzentrationen führen können. Allerdings gibt es immer Unterschiede zwischen den in der Analyse verwendeten Informationen und der Realität, was zu Fehlern in den Konzentrationsdaten führt.

Während der Validierungsaktivitäten wurden empirische Bias-Korrekturmethoden unter Verwendung der multiplen Regressionsanalyse (eine Analysetechnik, die eine relationale Gleichung ableitet, um einen Datensatz mit zwei oder mehr anderen Datensätzen zu erklären) entwickelt und bewertet sowie Bias-korrigierte Level-2-Produkte für GOSAT wurde veröffentlicht. Da die Daten für GOSAT-2 nicht veröffentlicht wurden, wird in dieser Studie eine Bias-Korrektur mithilfe der multiplen Regressionsanalyse auf die GOSAT-2-Daten angewendet.

Für vorspannungskorrigierte CO2- und CH4-Konzentrationsdaten werden die folgenden Analysen durchgeführt.

Um den Einfluss der zeitlichen und räumlichen Heterogenität jeder Gaskonzentration auf die Bewertungsergebnisse zu verringern, werden Daten, die die folgenden Übereinstimmungsbedingungen erfüllen, für Vergleiche in (1) und (2) ausgewählt.

Die Mitte des FTS-Momentan-Sichtfelds (IFOV) des Satelliten muss innerhalb einer Breiten-Längen-Box von ±0,2° in der Mitte des TCCON-Standorts liegen.

Der Unterschied zwischen der mittleren Höhe innerhalb des Satelliten-FTS-IFOV und der Höhe des TCCON-Standorts muss weniger als 200 Meter betragen.

TCCON-Beobachtungsdaten müssen innerhalb von ±30 Minuten nach der Satellitenbeobachtungszeit vorliegen.

GOSAT-Daten und GOSAT-2-Daten müssen am selben Tag beobachtet werden.

Die Mitte des FTS-IFOV eines Satelliten muss innerhalb einer Breiten-Längen-Box von ±0,2° liegen, die auf der Mitte des FTS-IFOV des anderen Satelliten zentriert ist, und die Daten sind einander am nächsten benachbart.

Der Unterschied der mittleren Höhe innerhalb des FTS IFOV der Daten des jeweils anderen muss weniger als 200 Meter betragen.

Die in der Analyse verwendeten Datenzeiträume sind April 2009 bis November 2022 für GOSAT, März 2019 bis November 2022 für GOSAT-2 und April 2009 bis Dezember 2020 für TCCON. Es werden Vergleiche für die Zeiträume durchgeführt, für die beide Datensätze vorliegen.

Zunächst wird ein Vergleich der TCCON-Daten und der einzelnen Satellitendaten vorgestellt. Bei allen Satellitendaten, die die Übereinstimmungskriterien erfüllen, handelt es sich um Landdaten. Aufgrund unterschiedlicher Satellitenbetriebszeiten und Sensorbetriebsmuster gibt es 14 TCCON-Standorte für GOSAT und 13 Standorte für GOSAT-2, für die mehr als 20 Übereinstimmungsdaten erfasst werden.

Entsprechend dem Durchschnitt und der Standardabweichung der Differenz zwischen den Satellitendaten und den TCCON-Daten, die für diese TCCON-Standorte berechnet wurden (im Folgenden als „Standortbias“ bzw. „Einzelmessgenauigkeit“ bezeichnet), werden die gemittelten Einzelmessgenauigkeitswerte für beide GOSAT ermittelt und GOSAT-2 betragen weniger als 1,9 ppm für CO2 und weniger als 10 ppb für CH4, und der Standort-zu-Standort-Bias, der als Standardabweichung des Standort-Bias definiert ist und seine regionale Abhängigkeit darstellt, beträgt weniger als 0,9 ppm für CO2 und weniger als 5 ppb für CH4.

Als nächstes wird ein Vergleich der synchronen Beobachtungsdaten von GOSAT und GOSAT-2 vorgestellt. Obwohl der Unterschied in den Wiederholungszyklen der Satelliten (drei Tage für GOSAT und sechs Tage für GOSAT-2) die Bereiche einschränkt, in denen synchrone Beobachtungen möglich sind, gibt es Satellitendaten, die die Übereinstimmungsbedingungen nicht nur über Land, sondern auch über dem Meer erfüllen .

Die Standardabweichungen der Differenz zwischen GOSAT- und GOSAT-2-Daten betragen weniger als 2,24 ppm für CO2 und 11,7 ppb für CH4 für Landdaten und 1,68 ppm für CO2 und 9,6 ppb für CH4 für Meeresdaten.

Diese Werte sind etwas kleiner als das Wurzelsummenquadrat der gemittelten Einzelmessgenauigkeit für beide Satelliten. Allerdings ist der CH4-Gehalt über dem Ozean von GOSAT-2 etwa 10 ppb niedriger als der von GOSAT. Dies kann auf die unterschiedliche Behandlung von Land- und Meeresdaten zurückzuführen sein. Das heißt, die Behandlung der Oberflächenreflexion in der Retrieval-Analyse und der multiplen Regressionsanalyse zur Bias-Korrektur ist für Land- und Meeresdaten für GOSAT unterschiedlich, während sie für GOSAT-2 identisch ist.

Abschließend wird ein Vergleich der monatlichen Durchschnittskonzentrationen in jedem Bereich von 10° Breite x 10° Länge für GOSAT und GOSAT-2 gezeigt. Beachten Sie, dass die zum Vergleich herangezogenen regionalen monatlichen Durchschnittskonzentrationen für jeden Satelliten anhand von Daten berechnet werden, die von jedem Satelliten an verschiedenen Orten und zu unterschiedlichen Daten beobachtet wurden, sogar innerhalb desselben Gebiets und desselben Monats.

Der Unterschied in den regionalen monatlichen Durchschnittskonzentrationen zwischen zwei Satelliten variiert je nach Standort und Jahreszeit. Obwohl die Ursache für diesen Unterschied noch untersucht wird, kann dies teilweise darauf zurückzuführen sein, dass die Aerosoleffekte nicht vollständig berücksichtigt werden. In Nordafrika beispielsweise ist die mittlere Konzentration von GOSAT-2 höher als die von GOSAT, aber das liegt daran, dass die gleichzeitig mit den Gaskonzentrationen erfasste Aerosolmenge bei GOSAT-2 geringer ist als bei GOSAT.

Die Standardabweichungen der Unterschiede in den regionalen monatlichen Durchschnittskonzentrationen, die aus mehr als 10 Satellitendatensätzen für GOSAT bzw. GOSAT-2 berechnet wurden, betragen 1,77 ppm für CO2 und 11,7 ppb für CH4, was größer ist als der Standort-zu-Standort-Bias anhand der TCCON-Daten ausgewertet. Da Satellitenbeobachtungen den gesamten Globus abdecken, ist auch die Verteilung von Parametern, die die Ermittlung der Gaskonzentration beeinflussen, wie Aerosole und Oberflächenreflexionseigenschaften, vielfältig, aber das bestehende TCCON-Netzwerk deckt nur einen begrenzten Bereich ab.

Mit anderen Worten: Die in dieser Studie verwendeten TCCON-Standorte reichen nicht aus, um die globale Vielfalt der Satellitendaten abzudecken und die regionale Abhängigkeit von Verzerrungen richtig einzuschätzen. Es ist wichtig, zusätzliche Validierungsdaten zu erhalten, die die Abdeckung von Satellitenbeobachtungsbedingungen und -regionen erweitern können, beispielsweise Regionen mit hoher Oberflächenreflexion oder Ozeane.

Die in dieser Studie gewonnenen Erkenntnisse zur Konsistenz zwischen GOSAT- und GOSAT-2-Daten sind bei der Verwendung dieser Satellitendaten wichtig zu beachten. Wir werden unsere Forschung fortsetzen, um die Genauigkeit und Präzision aller Satellitendaten sowie die Konsistenz zwischen den Satellitendaten zu verbessern, um den Komfort der Daten weiter zu verbessern. Die Ergebnisse dieser Studie sollen auch für den Ausbau des TCCON-Netzwerks hilfreich sein.