高分五号大气痕量气体差分吸收光谱仪对流层NO2柱浓度遥感反演研究

搭载于“高分五号”（GF-5）卫星上的痕量气体差分吸收光谱仪（EMI）是一台星下观测的高光谱载荷,测量紫外和可见光光谱范围的地球后向散射辐射,设计用于大气痕量气体的探测。本研究基于EMI在VIS1通道的实测光谱,利用差分光学吸收光谱（DOAS）方法进行了对流层NO₂柱浓度反演,展示了基于EMI载荷的对流层NO₂柱浓度反演结果,与同类载荷产品进行交叉验证,并利用地基观测结果进行了地基验证。研究表明,EMI反演结果与OMI、TROPOMI具有较好的空间分布一致性和较低的相对偏差,与TROPOMI具有较好的时间变化一致性。地面验证结果表明EMI NO₂反演结果具有较高的精度。本研究证明了EMI在全球NO₂监测方面的能力,可以为中国后续污染气体探测载荷的设计和反演算法的开发提供参考。     

高分五号大气痕量气体差分吸收光谱仪观测数据的火山喷发SO2总量反演

火山喷发产生的高浓度SO₂气体及其远距离输送会对全球气候变化和航空飞行安全产生重要影响。卫星遥感技术以大面积连续观测、高时空分辨率等优势成为大气SO₂监测的重要手段之一。作为中国第一颗紫外可见光波段的高光谱载荷,高分五号卫星大气痕量气体差分吸收光谱仪（GF-5 EMI）通过探测地球大气或表面反射、散射的紫外辐射来解析SO₂总量的分布和变化。本文首先基于大气辐射传输模型SCIATRAN,选择中低纬地区地表类型均一的海洋区域像元,模拟了典型大气条件下的晴空天顶反照率,用以评价EMI载荷天顶观测光谱的精度。其次,基于TROPOMI L1 Radiance辐亮度数据和DOAS反演原理,经477 nm O₄云筛选、光谱定标、慢变剔除、斜柱转垂直柱等步骤后,获得同一火山喷发区域的SO₂总量反演结果并与TROPOMI官方offline L2 SO₂产品进行对比分析。最后,利用GF-5 EMI UV-2通道观测数据,采用DOAS算法反演获得GF-5 EMI大气SO₂总量,并将反演结果与国际同类载荷S5P/TROPOMI SO₂总量结果进行比较分析,评判GF-5 EMI在全球火山活动SO₂变化监测方面的能力。结果显示,300—400 nm波段范围内,海洋区域采样点EMI观测光谱值低于SCIATRAN模拟光谱值,EMI与TROPOMI观测光谱呈现出相似的系统性偏差。基于高空间高光谱分辨率的TROPOMI L1 Radiance辐亮度数据、315—327 nm、325—335 nm和360—390 nm共3个波段窗口、以及上述DOAS反演原理获得的SO₂结果与TROPOMI官方发布的offline L2 SO₂产品结果相关性较高,两者的相关系数可达到0.97—0.99,相对偏差在3%—9%。GF-5 EMI能够获取火山喷发SO₂排放的时空分布特征,并与国际同类载荷TROPOMI反演结果具有较高的空间一致性,能够满足全球火山喷发监测、预警及其气候影响研究的应用需求。     

北京城市下垫面大气CO2反演算法

大气温室气体监测仪GMI（Greenhouse gases Monitor Instrument）是高分五号（GF-5）卫星载荷之一，主要用于全球温室气体含量监测和碳循环研究。高精度反演是卫星大气CO₂遥感的基本需求。地表反射率影响卫星遥感辐射量及辐射传输过程中的地气耦合过程，严重制约着CO₂的反演精度，针对GMI开发高精度的大气CO₂反演算法，地表反射是一个需要重点考虑的因素。城市是CO₂重要的发射源，且城市下垫面存在明显的二向反射特性，加上城市大气条件不良，复杂的地气耦合效应存在这都考验反演算法的准确性和鲁棒性。本文针对北京城市地区，利用2011年—2016年共5年的MODIS（MODerate-resolution Imaging Spectroradiometer）地表二向反射分布函数BRDF（Bidirectional Reflectance Distribution Function）数据，构建了适合利用单次观测数据反演的BRDF模型，并提出一种同时反演地表BRDF参数和大气CO₂含量的算法。结果表明在550 nm波长处气溶胶光学厚度AOD（Aerosol Optical Depth）小于0.4时，大部分GMI模拟数据的反演误差控制在0.5%（~2 ppm）内。利用GOSAT （Greenhouse gases Observing SATellite）实测数据的反演结果与修正后的日本国立环境研究所NIES（National Institute for Environmental Studies）反演结果进行对比，其平均误差为1.25 ppm，相关性达到0.85。本算法满足GMI数据在北京城市区域高精度CO₂反演的需求，并使得反演高值气溶胶区域数据成为可能，增加了GMI观测数据的利用率。     

珠江三角洲地区SO2浓度卫星遥感长时间序列监测

利用卫星OMI(Ozone Monitoring Instrument)数据获得的长时间序列SO₂浓度,分析广州亚运会从申办到成功举办期间珠江三角洲地区近地面SO₂浓度的变化过程,以及亚运会举办期间珠江三角洲SO₂浓度分布状况。结果表明OMI能够反映近地表的SO₂浓度变化趋势,广州亚运会从申办到成功举办期间珠江三角洲地区近地面SO₂浓度表现出明显的季节变化,且亚运会期间该地区近地面SO₂浓度比以往年同期要低,说明珠江三角洲地区联动的空气质量保障措施明显降低了该地区近地面的SO₂浓度。     

GF-5 AIUS切高校正算法研究与反演验证

利用红外掩星获取温压及其大气成分廓线,需要获得精确的指向信息,针对高分五号大气环境甚高分辨率探测仪（GF-5 AIUS）一级光谱信息,本文首先分析了不同切高的光谱变化情况,在此基础上,利用查找表方法进行切高校正。在低切高段（10—20 km）,选取N₂吸收波段,模拟6—40 km高度上的透过率光谱,通过查找表校正方法对一级数据中的低层切高进行校正。在高切高段（20—100 km）,模拟6—90 km切高上的透过率光谱,利用O₃吸收波段（20—90 km）进行校正。校正算法采取全局最小均方根误差的方法进行统计实验,确定最小校正半径为15 km。最后选取O₃、HCl、N₂O共3种大气成分的反演波段,进行校正后的透过率数据对比验证与反演产品精度的验证。结果表明：在O₃、HCl、N₂O共3种成分的反演通道上,校正后的观测透过率与模拟的透过率数据一致性较好,两者最大偏差小于0.1,切高校正算法得到的结果与模拟透过率吻合度较好;同时基于Aura MLS（Microwave Limb Sounder）、ACE-FTS（Atmospheric Chemistry Experiment Fourier-Transform Spectrometer）Level 2产品进行了O₃、HCl、N₂O单廓线交叉验证。结果表明：GF-5 AIUS反演的单廓线O₃与MLS、ACE-FTS相对偏差在30 km以下小于50%,在30—60 km小于20%;单廓线HCl与MLS、ACE-FTS相对偏差整体小于20%;单廓线N₂O与MLS、ACE-FTS相对偏差30 km以下小于20%,30—60 km相对偏差较大。     

利用走航式数据对南大洋大气CO2廓线遥感反演

利用中国第24次南极考察期间获取的南大洋上空走航式大气CO₂数据和大气红外探测器(AIRS)探测的辐射率, 进行基于纬度分类下的统计回归, 其结果作为物理反演的初始猜测场。通过逐线积分辐射传输模式, 利用AMSU大气温度廓线和AIRS中13个通道的辐射测值反演南大洋上空的大气CO₂浓度廓线, 与WDCGG提供的固定站点下的大气CO₂浓度进行比较, 反演精度随纬度的变化而变化, 从低纬到高纬相对误差分别为0.31%、1.17%、2.63%。与同期国外卫星产品CO₂/AIRS比较, 相对误差为1.11%、1.07%。     

基于OMI的亚洲地区对流层NO2高分辨率反演产品POMINO v2.1及其与其他产品的定量对比

对流层二氧化氮（NO₂）是一种重要的痕量污染气体。现有基于OMI卫星探测器、覆盖亚洲地区的NO₂公开产品QA4ECV、OMNO2和POMINO受到广泛使用,然而对于这3个产品的差异的定量认识仍然不足。我们将前期开发的POMINO产品进行了改进和优化,更新至v2.1并将反演区域扩大至覆盖东亚、东南亚和南亚大部分地区,随后定量分析了QA4ECV、OMNO2 v4和POMINO v2.1对流层NO₂垂直柱浓度在2015年—2020年在不同采样条件下的异同。结果显示,POMINO版本的更新对自身NO₂柱浓度反演结果的整体影响较小（<10%）。当3个产品均基于POMINO v2.1进行一致采样时,产品之间在整个亚洲区域的平均差异约为10%,在京津冀等污染地区的差异最高可达40%。3个产品均显示,京津冀地区NO₂柱浓度在五年间下降了约30%,而长三角地区的变化趋势较小。当3个产品进行分别采样时,POMINO v2.1的有效数据量比其他两个产品增加了11%—44%,特别是更好地保留了重污染情形下的NO₂数据,从而降低了采样引起的对NO₂污染水平的系统性低估。本研究对于NO₂卫星产品差异的定量分析有助于认识氮氧化物污染状况以及排放和影响评估。     

大气CO2浓度卫星遥感进展

大气CO2是重要的温室气体,CO2浓度及其空间分布是全球气候变化评估中的主要不确定性因素之一。从1998年以来,卫星遥感大气CO2成为获取全球CO2的重要手段。本文阐述了现阶段大气CO2浓度卫星遥感反演进展情况,包括CO2探测载荷、反演算法和算法验证等。同时,论文详细介绍了近红外波段和热红外波段的反演算法特点和不确定因素,并针对CO2反演应用需求提出了展望。     

北京地区气溶胶粒径尺度谱与PM2.5浓度转换模型研究

大气细颗粒物（PM_2.5）质量浓度是重要的空气质量指标之一。为了促进区域PM_2.5浓度监测的研究，同时拓展利用CE318太阳光度计等光学传感器反演的大气气溶胶产品的应用领域，本文首先基于北京地区2014年—2017年大气气溶胶反演的粒径尺度谱分布产品，计算表征PM_2.5的粒子体积，并结合同一时间北京地区35个空气质量站点提供的PM_2.5质量浓度参考值计算转换系数，对样本区间进行划分以构建转换模型。其次，利用各CE318站点数据所得转换系数及其相对精度，对研究区PM_2.5质量浓度估算误差空间分布，以及转换系数偏差对估值误差贡献情况进行评价。研究结果表明，由CE318站PM_2.5粒子体积与其临近空气质量站PM_2.5质量浓度联合建立的转换系数是一种与气溶胶理化属性密切相关的参数指标，可将时间和空间维度上PM_2.5体积与PM_2.5质量浓度之间的关系映射到由理化属性主导的维度上，可用于对估值模型进行细化和分类，构建分段转换函数模型，使得各分段区间内具有较高的模型拟合精度。基于转换系数的北京地区PM_2.5浓度估值的相对误差多年均值介于12.8 %—28.7 %，而转换系数相对偏差对PM_2.5质量浓度估值相对误差的影响显著，二者之间具有“r”型结构。当转换系数相对偏差介于-16.3 %至24.5 %时，该偏差的出现概率约为66.5 %，使得PM_2.5质量浓度估值误差在20 %以内，表明采用此种方法对相应站点的PM_2.5质量浓度进行估值具有相当的精度和稳定性。以上研究结果可为地面观测站稀少区域利用卫星光学遥感开展空气质量大范围监测应用提供理论前提和技术支持。     

基于卫星遥感的近地面PM2.5浓度反演进展

细颗粒物PM_2.5（Fine Particulate Matter）是影响空气质量和公共健康的关键因素之一。高时空分辨率的PM_2.5数据是公共健康风险评估和流行病学研究的基本需求。相较于地面站点,卫星遥感技术具有连续观测、宽覆盖和低成本的优势,基于卫星气溶胶光学厚度AOD（Aerosol Optical Depth）反演PM_2.5质量浓度的方法已成为热点。本研究概述了卫星AOD产品反演PM_2.5浓度的原理,介绍了用于PM_2.5反演的主要卫星AOD产品及其反演精度;总结了现有的PM_2.5估算方法及其优缺点,指出目前PM_2.5反演研究存在的问题;提出未来PM_2.5反演方向主要集中在高时空分辨率的PM_2.5浓度重建、基于激光雷达数据的三维PM_2.5浓度反演及PM_2.5化学组分反演等方向。比例因子法、物理机理模型和统计模型这3种方法都能在不同时期不同程度地准确估算PM_2.5浓度,代表了那个时期较为前沿的研究热点,但比例因子法和物理机理模型因其自身的局限性而应用较少,而统计模型因其独特的时间或时空异质性的可描述性和强大的非线性描述能力的优势而被广泛应用并不断改进。目前PM_2.5反演研究存在的问题主要有3种：（1）卫星AOD的非随机缺失问题造成估算的PM_2.5数据缺失;（2）反演模型的精度问题;（3）PM_2.5的化学成分估算问题。基于此,本文为了准确揭示近地面PM_2.5的时空变化趋势,提高基于卫星AOD产品的近地面PM_2.5反演研究的准确性,提出了几点未来的研究方向：首先,新型的高空间（如风云四号、高分五号）、高时间分辨率（Himawari-8/9）卫星AOD产品在PM_2.5的精细化估算研究上具有很大优势,这对于高时空分辨率的PM_2.5浓度重建具有重要意义;其次,随着大气探测技术的发展,星载、机载及地基激光雷达都能够获取垂直分布信息,搭载在无人机上的颗粒物传感器可实现PM_2.5垂直方向上的监测,将其与光学遥感卫星数据及地面监测数据结合,可实现三维的PM_2.5浓度反演;最后,PM_2.5化学组分信息对于分析污染成因、暴露特征等尤其重要,其时空变化趋势研究是一个重要的发展方向,然而,地面PM_2.5组分观测站网仍不完善,如何克服卫星遥感估算中对地面站网的依赖,实现PM_2.5化学成分的高精度反演需要进一步研究。通过本研究,有助于进一步了解不同PM_2.5估算方法的原理机制及其优缺点,为基于卫星AOD产品反演近地面PM_2.5浓度的新的发展方向提供启示,提升近地面PM_2.5浓度反演的精度及时空分辨率。     

基于S5P/TROPOMI的中国东部气溶胶单次散射反照率反演初探

气溶胶单次散射反照率SSA（Single Scattering Albedo）的卫星定量遥感对气候评估和大气污染治理均具有重要意义。搭载于S5P（Sentinel-5 Precursor）上的对流层监测仪（TROPOMI）具有目前同类卫星传感器中最优的空间分辨率。本文基于S5P/TROPOMI数据开展了中国东部地区的SSA反演研究。首先利用中国东部地区AERONET（Aerosol Robotic Network）站点数据对OPAC（Optical Properties of Aerosols and Clouds）气溶胶模型进行约束改进,构建了更为合适的气溶胶类型,并使用地基激光雷达（Lidar）预设相应气溶胶类型的垂直结构。然后使用辐射传输模型SCIATRAN构建查找表LUT（Look-Up Table）,将TROPOMI UVAI（Ultraviolet Absorbing Index）和MODIS AOD（Aerosol Optical Depth）数据联合输入反演气溶胶SSA数据。反演结果与地基站点数据对比,相关系数R²为0.61,均方根误差为0.05;和OMI SSA产品相比,总体趋势一致且具有空间连续性更好。基于TROPOMI的高分辨率SSA算法和数据将有助于中小尺度下气溶胶时空分布、光学特性等研究。     

短波红外CO2反演过程约束研究及初步反演结果

短波红外通道卫星CO2遥感是近年国际研究热点。首先,开展了卫星观测对气溶胶及大气温度的敏感性研究;其次,针对基于最优化理论的非线性迭代反演方法反演过程中的不收敛问题,提出了修正的阻尼牛顿方法(MDNM),并利用模拟数据评估了MDNM方法的有效性;最后,利用GOSAT卫星数据反演CO2的垂直混合比浓度,并与地基TCCON站点数进行比对。研究结果表明:短波近红外CO2卫星遥感受气溶胶散射及温度影响明显;通过地基比对初步验证了MDNM具有良好的精度,两者的相关性R2达到了0.729。     

多源卫星遥感的华北平原大气NO2浓度时空变化

为探讨1996年以来华北平原对流层NO_2柱浓度变化的空间特征,基于GOME、SCIAMACHY和OMI卫星传感器的监测数据,以SCIAMACHY的NO_2柱浓度为基准,根据建立的GOME和SCIAMACHY,SCIAMACHY和OMI之间的相关关系,校正GOME和OMI监测的NO_2数据;利用线性正弦曲线模型拟合方法研究1996年—2016年长时间序列华北平原对流层NO_2变化的空间分布特征。结果显示,华北平原对流层NO_2浓度自1996年开始持续上升,到2011年达到最高值,然后呈现下降趋势。该变化趋势主要受经济发展和环保政策的双重影响。1996年—2011年,NO_2柱浓度高值区分布在北京市、天津市、河北唐山市和保定市、山东德州市和济南市、安徽滁州市以及江苏南京市、常州市和无锡市,并且具有较高增长率;2012年—2016年NO_2柱浓度平均值远高于1996年—2011年NO_2柱浓度平均值,高值地区范围扩大,分布在河北南部、河南北部和山东西部,但华北平原地区NO_2柱浓度均呈现负增长,表明"十二五"规划提出的大气环保政策取得了显著成效。同时,对流层NO_2柱浓度可以反映典型环保事件如北京奥运会、国庆阅兵和南京青奥会时期大气环保政策的实施效果。     

Detecting anomalous CO2 flux using space borne spectroscopy

Over the time-scale, earth's atmospheric CO₂ concentration has varied and that is mostly determined by balance among the geochemical processes including burial of organic carbon in sediments, silicate rock weathering and volcanic activity. The best recorded atmospheric CO₂ variability is derived from Vostok ice core that records last four glacial/interglacial cycles. The present CO₂ concentration of earth's atmosphere has exceeded far that it was predicted from the ice core data. Other than rapid industrialization and urbanization since last century, geo-natural hazards such as volcanic activity, leakage from hydrocarbon reservoirs and spontaneous combustion of coal contribute a considerable amount of CO₂ to the atmosphere. Spontaneous combustion of coal is common occurrence in most coal producing countries and sometimes it could be in an enormous scale. Remote sensing has already proved to be a significant tool in coalfire identification and monitoring studies. However, coalfire related CO₂ quantification from remote sensing data has not endeavoured yet by scientific communities because of low spectral resolution of commercially available remote sensing data and relatively sparse CO₂ plume than other geological hazards like volcanic activity. The present research has attempted two methods to identify the CO₂ flux emitted from coalfires in a coalmining region in north China. Firstly, a band rationing method was used for column atmospheric retrieval of CO₂ and secondly atmospheric models were simulated in fast atmospheric signature code (FASCOD) to understand the local radiation transport and then the model was implemented with the inputs from hyperspectral remote sensing data. It was observed that retrieval of columnar abundance of CO₂ with the band rationing method is faster as less simulation required in FASCOD. Alternatively, the inversion model could retrieve CO₂ concentration from a (certain) source because it excludes the uncertainties in the higher altitude.     

GOSAT卫星数据监测中国大陆上空CO2浓度时空变化特征

中国地区大气CO2浓度对全球气候变化有重要的影响。本文基于日本GOSAT卫星短波红外CO2的长期观测数据,对2010年-2016年中国大陆上空CO2浓度的分布特征和变化趋势进行分析研究。利用高精度的地基TCCON站点CO2观测对GOSAT CO2数据进行精度验证,结果表明,GOSAT CO2具有较高的精度,相对TCCON CO2的偏差为-1.04±2.10 ppm,两者的相关系数高达0.90;利用中国地区7年的GOSAT CO2观测数据分析研究显示,CO2浓度高值主要分布在中国的浙江-江苏-安徽地区、京津冀地区和湖南-湖北-河南-陕西地区;截至2016年,中国大部地区CO2浓度超过400 ppm;中国大陆CO2平均浓度呈现明显的逐年增长趋势,从2010年的387.76 ppm增长到2016年的402.18 ppm,年增长率约为2.31 ppm/a,略高于同期全球平均水平。     

太赫兹临边探测O3与HCl敏感性分析

臭氧(O_3)是平流层大气最重要的成分之一,而随着人类活动增加的影响,平流层O_3不断减少。在O_3的衰减循环中,Cl化合物是最主要的介质,而氯化氢(HCl)是活性氯的储存库,因此同时探测O_3与HCl对进一步认清平流层O_3的源与汇具有重要意义。本文基于太赫兹临边探测辐射传输软件包ARTS(Atmospheric Radiative Transfer Simulator),模拟研究太赫兹临边探测O_3与HCl的敏感因子量化大气辐射传输及其他大气成分对O_3和HCl的影响。结果表明:(1)在太赫兹波段,O_3与HCl分别在切高大于8 km与大于10 km处,具有很高的敏感性,可以探测O_3与HCl垂直廓线;(2)太赫兹临边探测对于探测目标O_3和HCl,在10 km及以下高度,对目标的浓度变化不敏感,而在中高空则很敏感;温度与水汽的变化对O_3与HCl的探测影响不大,而传感器的天线半带宽及光谱分辨率对于O_3与HCl的探测有一定的影响。     

CO2 concentration and its spatiotemporal variation in the troposphere using multi-sensor satellite data,carbon tracker,and aircraft observations

Satellite-based atmospheric CO₂ observations have provided a great opportunity to improve our understanding of the global carbon cycle. However, thermal infrared (TIR)-based satellite observations, which are useful for the investigation of vertical distribution and the transport of CO₂, have not yet been studied as much as the column amount products derived from shortwave infrared data. In this study, TIR-based satellite CO₂ products – from Atmospheric Infrared Sounder, Tropospheric Emission Spectrometer (TES), and Thermal And Near infrared Sensor for carbon Observation – and carbon tracker mole fraction data were compared with in situ Comprehensive Observation Network for Trace gases by AIrLiner (CONTRAIL) data for different locations. The TES CO₂ product showed the best agreement with CONTRAIL CO₂ data resulting in R² ~ 0.87 and root-mean-square error ~0.9. The vertical distribution of CO₂ derived by TES strongly depends on the geophysical characteristics of an area. Two different climate regions (i.e., southeastern Japan and southeastern Australia) were examined in terms of the vertical distribution and transport of CO₂. Results show that while vertical distribution of CO₂ around southeastern Japan was mainly controlled by horizontal and vertical winds, horizontal wind might be a major factor to control the CO₂ transport around southeastern Australia. In addition, the vertical transport of CO₂ also varies by region, which is mainly controlled by anthropogenic CO₂, and horizontal and omega winds. This study improves our understanding of vertical distribution and the transport of CO₂, both of which vary by region, using TIR-based satellite CO₂ observations and meteorological variables.