农田土壤温室气体排放对气候变化的响应是农业响应气候变化的热点问题。本试验开展了CO2浓度和温度升高对冬小麦土壤温室气体排放影响的研究，测定CO2浓度(600 μmol/mol)和温度升高(环境温度+2℃)条件下冬小麦土壤中硝态氮和铵态氮的含量，以及温室气体排放通量和生长季排放总量，结合冬小麦的产量计算该生长季的综合温室效应(GWP)和温室气体排放强度(GHGI)。结果表明: 拔节期CO2浓度和温度升高条件下，冬小麦土壤硝态氮含量显著增加; 三个时期CO2浓度和温度升高条件下，冬小麦土壤铵态氮含量均以不同程度增加; 升温(T1C0)、CO2浓度升高(T0C1)及复合(T1C1)条件下，CO2生长季总排放量较对照(T0C0)分别增加了20.73%、22.18%和23.28%; 而N2O生长季排放总量只有在T0C1中会显著增加，T1C0及T1C1中N2O生长季总排放量较T0C0分别减少了26.35%、18.41%; T1C0中CH4生长季总吸收量较T0C0显著减少了93.56%，T0C1及T1C1对其无显著影响; T1C0中冬小麦产量较T0C0显著减少了19.93%，而T0C1和T1C1中分别增加了15.36%、9.88%。T1C0、T0C1和T1C1中GWP与T0C0相比均显著增加，而GHGI在T1C0中较T0C0显著增加，T0C1和T1C1中GHGI与T0C0相比有所减少，但不显著。综上所述，在CO2浓度升高和温度升高的条件下，CO2和N2O生长季总排放量均有不同程度的增加，CH4生长季总排放量在升温处理下会显著减少。麦田三种温室气体预估GWP对环境不利。本研究对CO2浓度和温度升高条件下的北方麦田温室气体进行了估算，可为未来农业减排措施的制定提供理论支持。

基于我国GF-5号卫星上大气温室气体监测仪(GMI)的遥感数据,开展中国区域的CO₂反演实验,根据中国区域特征差异对CO₂廓线样本进行统计,构建了适合中国区域特征、具有代表性的样本集,然后将统计反演得到的CO₂廓线作为初始值代入物理反演方法当中,形成协同统计和物理方法的新算法。通过分析新算法的反演结果,得出协同反演算法在单独使用物理反演算法的基础上精度提高了47.7%,其反演结果与国际上同类型的卫星OCO-2提供的观测结果的相关性达到88.5%。

地表气压对温室气体浓度反演具有非常重要的影响。利用地基便携式傅里叶变换光谱仪EM27/SUN观测了敦煌地区H2O, CO2, CH4及CO气体分子的浓度, 获得了2018年6月27日到7月21日敦煌地区大气中XH2O, XCO2, XCH4及XCO的时间序列, 结合敦煌观测数据, 定量分析了地表气压对气体柱-平均摩尔分数Xgas(column-averaged dry air mole fractions, DMFs)反演的影响。结果表明: XH2O, XCO2, XCH4及XCO与地表气压密切相关, 相关系数均高于0.99, 柱总量随地表气压的变化快慢决定柱-平均摩尔分数随地表气压的变化趋势。相比较CO2, CH4及CO 分子, XH2O对地表气压的敏感性较弱, 地表气压改变1 hPa, XH2O, XCO2, XCH4及XCO分别变化0.027 8%, 0.065 9%, 0068 6%和0.062%; 观测期间, H2O, CO2的浓度变化幅度波动较大, XCH4, XCO变化较小, XH2O平均值在2 000×10-6~6 000×10-6变化, 而 XCO2平均值在407.27×10-6~417.60×10-6变化, 敦煌站点XH2O, XCO2, XCH4及XCO的测量精度分别为2.3%, 0.14%, 0.12%及1.7%, XCO2及XCH4的测量精度均优于TCCON网的测量精度; 与GOSAT卫星数据对比结果显示, 地基反演的XCO2, XCH4值均偏大, XCO2的绝对偏差为7.07×10-6, XCH4的绝对偏差为0.025×10-6; 与WACCM数据对比显示, 地基反演XCO2结果多数大于WACCM值, 最大绝对偏差可以达到80×10-6, 地基反演XCH4值小于WACCM值, 最大绝对偏差为0.032×10-6。实时观测数据更能反映当地的具体情况, 研究结果可为我国温暖带干旱性气候温室气体源与汇的研究提供数据支撑和理论基础。

搭载于高分五号卫星平台的大气主要温室气体监测仪(GMI)主要用于测量大气温室气体CO2和CH4的柱浓度。为保证GMI遥感数据温室气体的反演精度,需分析温室气体反演中气溶胶等因素对反演结果的影响,并以此作为反演算法校正的要素。在此基础上,利用全球总碳柱观测网(TCCON)站点对GMI反演结果进行验证。结果表明,GMI近红外反演结果误差范围为-1.06±2.93×10 -6(-0.26±0.72%),反演精度在1%以内。

傅立叶变换红外光谱(Fourier transform infrared spectroscopy, FTIR)技术在大气环境在线监测 领域有着广泛的应用,利用项目研制的基于傅立叶红外技术与White型多次反射池技术的国产FTIR系统, 在龙凤山本底站进行了实际大气CH4、CO、CO2和N2O的多组分在线测量,并与本底站多年业务运行 的CRDS和GC系统的观测结果进行了同步对比分析。结果表明,(1)当前研制的FTIR原理样机的检出限 较高,可满足高浓度温室气体排放的在线监测要求。但在大气本底监测方面,其与WMO-GAW的要求尚有一 定差距,在检测能力(光能衰减、有效光程、波长校准、测量腔室等)、分析精度、不确定度以及 系统稳定性等方面仍有较大的提升空间。(2)FTIR系统与CRDS和GC系统对大气CH4、CO观测的 一致性变化趋势和相关性较好, CO2和N2O的一致性趋势不很理想,这与观测系统的原理、 分析技术、样品处理以及数据处理方法等有关。

“高分五号”卫星于2018年5月9日成功发射, 是我国第一颗高光谱观测卫星, 大气主要温室气体监测仪是其中一台有效载荷, 采用空间外差光谱技术进行高光谱分光, 是国际上首台基于该体制的星载温室气体遥感设备。阐述了载荷的基本工作原理, 包括分光原理、工作模式及通道设置等内容。载荷的光学系统主要由五部分组成, 核心单元为一体化胶合干涉仪, 为避免光谱混叠对窄带滤光片的指标参数要求较高。为提高在轨数据定量化水平, 载荷设计了基于漫反射板系统的定标装置, 可满足光谱及辐射定标要求。最后, 梳理了载荷数据处理的基本流程, 并对首批观测数据进行了光谱复原, 成功获取了1级数据产品, 为下一步温室气体反演应用奠定了基础。

大气主要温室气体监测仪(greenhouse gases monitoring instrument, GMI)采用空间外差干涉技术,能有效探测759～2058 nm波段 大气高分辨率吸收光谱信息。星上定标是GMI光谱图像数据定量化应用的基础, 在阐述了GMI成像和光谱定标原理的基础上,探讨了星上光谱定标方法,确定了外部光源特征谱线法的星上光谱定标方案。通过对模拟数据的计算, 进一步分析了定标不确定度,得出星上光谱定标不确定度为0.030 nm。定标结果显示定标不确定度主要受定标光源不确定度,以及回归不确定度影响, 该方法满足仪器的定标要求,为大气主要温室气体的定量化反演提供了依据。

利用世界温室气体数据中心(WDCGG)数据资料和WMO资料,对中国大陆及周边国家和地区的主要温室气体CO2浓度等进行了初步分析。分析结果表明:总体而言, 中国大陆瓦里关全球大气本底站与中国香港、日本、俄罗斯、韩国等周边国家和地区CO2浓度水平相近,变化趋势一致;中国香港和韩国CO2的浓度较高,日本、 俄罗斯和中国瓦里关的浓度较低。多年观测数据的研究分析显示,北半球CO2平均浓度呈现逐年升高态势,且CO2平均年变化幅度与观测站所处海拔高 度成反比。中国瓦里关全球大气本底站与美国Mauna Loa、Barrow、Trinidad Head全球大气本底站CO2浓度水平和变化趋势较为一致,年际变化幅度略高 于Mauna Loa站,低于Barrow站。中国上甸子区域大气本底站CO2浓度变化比瓦里关及美国Mauna Loa、Barrow、Trinidad Head站剧烈,显示出上甸子站受区域排放影响较强的特性。