近日，中國科大劉誠教授團(tuán)隊與中國科學(xué)院大氣物理研究所合作，在大氣污染物二氧化硫（SO2）的衛(wèi)星遙感研究方面取得進(jìn)展， 相關(guān)成果以“First sulfur dioxide observations from the environmental trace gases monitoring instrument (EMI) onboard the GeoFen-5 satellite”和《哨兵5號歐洲業(yè)務(wù)二氧化硫產(chǎn)品在中國的準(zhǔn)確性評估》為題分別分表在《科學(xué)通報》中英文版上。科學(xué)通報英文版Science Bulletin是中國科學(xué)出版的自然科學(xué)綜合性學(xué)術(shù)刊物，歷史悠久（建刊于1966年），其最新的影響因子為9.511。

       我國目前用于大氣污染觀測的超高光譜衛(wèi)星遙感高度依賴歐美國家的衛(wèi)星載荷，在當(dāng)前復(fù)雜的國際形勢下存在被“卡脖子”的風(fēng)險。例如，2017年11月歐洲空間局（ESA）發(fā)射了最新一代對流層大氣監(jiān)測儀（TROPOMI），可實現(xiàn)包括SO₂在內(nèi)的對流層大氣成分高分辨率全球監(jiān)測，然而美國宇航局（NASA）和ESA官方只提供SO₂的二級產(chǎn)品，不提供基于衛(wèi)星觀測光譜反演二級產(chǎn)品的關(guān)鍵技術(shù)，使用者只能針對二級產(chǎn)品做二次開發(fā)應(yīng)用，無法從源頭上把握衛(wèi)星觀測的數(shù)據(jù)質(zhì)量。因此，當(dāng)其原始光譜出現(xiàn)輻射定標(biāo)等錯誤時，即使使用其論文公開發(fā)表的算法，反演結(jié)果仍會出現(xiàn)巨大的誤差，甚至導(dǎo)致反演失敗。例如，由于TROPOMI光譜在波長小于312 nm處輻射定標(biāo)存在明顯偏差（偏差>11%），而該波段正是SO₂的強吸收波段。因此通過與地面驗證數(shù)據(jù)對比表明，由于無法使用312 nm以下波長反演，NASA/ESA官方TROPOMI SO₂產(chǎn)品在我國的觀測結(jié)果偏高了61%~140%，這與我國近年來SO₂大幅減排的事實相悖。為修正NASA/ESA官方數(shù)據(jù)對我國SO₂濃度的嚴(yán)重高估，劉誠教授團(tuán)隊研發(fā)了超高光譜載荷的在軌輻射定標(biāo)算法，重新校正了TROPOMI載荷在312 nm波長以下的輻亮度，使得SO₂光譜擬合殘差從0.40%～0.92%降低到0.07%～0.14%，并在此基礎(chǔ)上通過自主算法反演出了TROPOMI SO₂結(jié)果。通過與12個月121組周平均的地基驗證數(shù)據(jù)對比表明，自主反演結(jié)果的偏差相對于NASA/ESA TROPOMI官方產(chǎn)品降低了41%～123%，相關(guān)研究發(fā)表在《科學(xué)通報》（圖1）。

       為提升在大氣環(huán)境衛(wèi)星遙感領(lǐng)域的自主可控性和增強在全球環(huán)境治理中的話語權(quán)，我國于2018年成功發(fā)射了搭載于高分5號衛(wèi)星上首個用于氣態(tài)污染物監(jiān)測的紫外-可見超高光譜載荷EMI（圖2）。然而，由于EMI的關(guān)鍵部件遭到國際禁運，其儀器穩(wěn)定性與光譜質(zhì)量同國外最新同類載荷相比尚有一定差距，給我國的大氣環(huán)境衛(wèi)星遙感研究帶來了極大的挑戰(zhàn)。劉誠教授團(tuán)隊針對EMI信噪比低、同步太陽光譜缺失、光譜觀測誤差確實、光譜扭曲形變等難點，突破了載荷在軌光譜定標(biāo)、自適應(yīng)反演配置迭代、太陽參考譜重構(gòu)等關(guān)鍵技術(shù)，研發(fā)了從原始超高光譜標(biāo)定到SO₂反演的全套算法，使得EMI的最終反演精度達(dá)到了與國外最新超高光譜衛(wèi)星載荷相當(dāng)?shù)乃剑▓D3）；對于人為源觀測，EMI SO₂產(chǎn)品與國外最新星載及地面觀測結(jié)果均表現(xiàn)出良好的時空一致性（R>0.63），可用于污染源精準(zhǔn)定位和排放清單更新。此外，EMI SO₂反演結(jié)果還提供了火山羽流的高度，可用于火山源觀測及其在氣候變化和航空安全等方面的應(yīng)用研究。

圖1.  2018年6月~2019年5月, 4個站點的SO₂周平均柱總量隨時間的變化。

黑色表示MAX-DOAS SO₂數(shù)據(jù), 紅色表示TROPOMI中國科大SO₂產(chǎn)品, 藍(lán)色表示TROPOMI歐洲業(yè)務(wù)SO₂產(chǎn)品. 

R和diff分別表示TROPOMI 和MAX-DOAS 觀測結(jié)果的相關(guān)性和平均偏差(單位: DU). 

虛線用于區(qū)分不同版本的TROPOMI歐洲業(yè)務(wù)SO₂數(shù)據(jù)(版本號:01.01.00~01.01.07)

圖2. EMI儀器載荷光學(xué)結(jié)構(gòu)。

圖3. 2018年11月～2020年3月，空間分辨率為0.2°×0.2°的平均SO₂柱總量在中國和印度的分布。

（a）EMI SO₂產(chǎn)品。（b）TROPOMI SO₂產(chǎn)品（僅選擇與EMI相同的像元）。

（c）TROPOMI SO₂產(chǎn)品（TROPOMI全部像元）。

論文信息：

Xia Congzi, Liu Cheng, Cai Zhaonan, et al. First sulfur dioxide observations from the environmental trace gases monitoring instrument (EMI) onboard the GeoFen-5 satellite, Science Bulletin, in press, https://doi.org/10.1016/j.scib.2021.01.018

夏叢紫, 劉誠, 蔡兆男, 等. 哨兵5 號歐洲業(yè)務(wù)二氧化硫產(chǎn)品在中國的準(zhǔn)確性評估. 科學(xué)通報, 2020, 65，DOI: https://doi.org/10.1360/TB-2019-0772

新聞鏈接：https://pmpi.ustc.edu.cn/2021/0322/c16654a477114/page.htm

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