基于星载IPDA-HSRL协同反演的三维高斯烟羽模型在点源CO2排放精准监测中的应用

针对传统二维模型在强点源CO2排放监测中的误差问题，研究人员利用中国AEMS卫星IPDA激光雷达与HSRL协同数据，开发了改进的三维高斯烟羽模型（MGPM）。该研究对12个电厂卫星过境数据进行反演，结果显示排放量估算与美国EPA数据高度吻合（R=0.84），平均相对偏差仅6.23%，误差较传统方法降低31.63%，为全球碳核算提供了独立验证手段。

　　

随着工业革命以来大气CO₂浓度攀升至420 ppm，燃煤电厂等强点源贡献了全球40%以上人为排放。传统"自下而上"的温室气体清单法依赖企业配合度，而被动遥感易受云气溶胶干扰。2022年中国发射的AEMS卫星搭载了全球首个星载IPDA（积分路径差分吸收）激光雷达和HSRL（高光谱分辨率激光雷达），其70米分辨率与昼夜探测能力为点源监测带来突破。

浙江大学团队通过12次电厂卫星过境数据，创新性地将三维高斯烟羽模型（MGPM）与IPDA-HSRL协同观测结合。该模型首次引入边界层约束效应，解决了二维模型对垂直气流模拟不足的缺陷。研究显示：对美国Westar等5个电厂的排放反演与EPA数据相关系数达0.84，MAE（平均绝对误差）仅6.1千吨/日，较传统方法误差降低31.63%。HSRL提供的气溶胶垂直廓线使边界层高度估算精度提升19%，而IPDA激光1 ppm的XCO₂测量精度确保了DAOD（差分吸收光学厚度）增强信号的准确捕捉。

关键方法

1. 采用PaTa准则和光谱能量匹配法处理IPDA回波信号
2. 通过HSRL反演边界层高度约束MGPM垂直扩散参数
3. 建立基于激光监测信号与回波信号的波形拟合函数

研究结果

1. CO₂排放检测原理：IPDA激光通过on-line（1572.33 nm）和off-line波长差分吸收，检测烟羽导致的DAOD增强，HSRL同步提供气溶胶消光系数剖面。
2. IPDA数据处理：波形拟合R²>0.98，信噪比提升8.3 dB，使XCO₂反演误差<1 ppm。
3. 排放反演验证：Gavin-Kyger电厂案例显示，MGPM将传统模型的21.4%高估偏差降至6.7%。

结论与意义
该研究首次实现星载主动激光对点源排放的业务化监测，17.1%的平均不确定性显著优于航空试验38.14%的偏差。IPDA-HSRL协同机制可补充验证各国温室气体清单，特别适用于监管薄弱地区。未来通过优化边界层参数化方案，有望将误差进一步控制在10%以内，为《巴黎协定》履约提供关键技术支撑。