基于EMI遥感NO_(2)技术监测澳洲森林火灾活动

澳大利亚2019–2020年发生了大规模的森林火灾,本次火灾在六个月的时间内烧毁了超过800万公顷的桉树林。利用大气痕量气体差分吸收光谱仪(EMI)对澳大利亚火灾期间的NO_(2)变化情况进行了分析。研究发现,2019年11月,澳大利亚东南区域的NO_(2)浓度及分布相比往年同期,出现明显的增长趋势。同时具体针对澳大利亚两大国家公园的火灾,研究了NO_(2)相对浓度的频率分布与火灾程度和频次的关系,发现这两个地点2019年11月NO_(2)的相对浓度频率也出现了明显的增高,表明森林火灾是导致部分区域NO_(2)浓度升高的主要原因。本工作的开展也证明了EMI在重大污染事件监测上的可行性。

基于综合立体观测网的京津冀地区污染过程分析

为揭示大气污染的演变规律,推动京津冀及周边地区空气质量的持续改善,针对大气重污染发生—演变—消散全过程的核心科学问题,在京津冀及其周边地区建立大气污染传输通道立体观测网,围绕2017年秋冬季和2018年春、秋、冬三季开展重污染时段和重污染过程的地基和车载走航观测,评估区域大气污染输送和城市间大气污染的相互传输量.结果表明:北京市污染呈明显的区域性特征,春季主要受区域不利扩散条件及沙尘传输影响,秋季主要受西南通道传输影响,冬季主要受西南、南部、东南通道混合层内传输与区域扩散条件不利的共同影响.秋冬季京津冀地区NO 2、SO 2污染物垂直柱浓度整体低于西南、东南和南部输送通道区域,当弱南风静稳天气条件主导时,北京市易受到污染物输送的影响,形成局域污染过程.研究显示,北京市重污染时段外来污染物各类尺度输送通道中,西南通道污染传输为主导,部分时段还受到东南和东部通道污染传输的影响.

基于0级数据的星载大气痕量气体差分吸收光谱仪在轨衰变监测

大气痕量气体差分吸收光谱仪(EMI)是一种紫外可见成像光谱仪,主要用于实现高空间分辨率的全球每日大气痕量气体浓度反演。EMI在轨运行期间,受空间环境影响,元器件性能随时间推移会不断衰变。为有效监测其衰变状况,利用载荷对地各轨0级数据解析出在轨温度,实现长期在轨温度监测;通过计算各轨道星下点黑暗时的暗背景图像噪声的均值和标准差,实现CCD(charge-coupled device detectors)暗背景噪声随时间变化趋势监测,进一步评估空间粒子对CCD像素点的损伤;利用多次在轨测量的内部白光光源在CCD上的响应,评估CCD探测器在轨像素性能和辐射通量的变化;使用EMI在轨测量的0级太阳光谱数据,结合发射前实验室测试得到的二阶高斯函数模型,用最小二乘法反演在轨仪器光谱响应函数(ISRF),实现仪器光谱响应函数的在轨实时更新;利用石英漫反射板(QVD)、备用漫反射板(RSD)多次测量的太阳光谱,计算石英漫反射板在轨相对衰变因子,修正辐射定标系数,实现漫反射板在轨衰变校正。研究表明,EMI载荷在轨两年以来,温度稳定,各通道暗背景均值年增加率约0.25%~1%,暗背景标准差震荡幅度在1.5%以内;在轨ISRF函数变化幅度约2.3%;内部白光源光路响应变化小于1%,石英漫反射板年衰变率UV2通道小于1.75%,VIS1通道小于1%,VIS2通道小于0.5%。

二维MAX-DOAS仪扫描控制系统设计

为了实现二维多轴差分吸收光谱(MAX-DOAS)仪的扫描需求,以两相步进电机驱动芯片TMC261为核心,基于STM32微处理器和光电编码器,设计了棱镜扫描控制系统。分析了二维MAX-DOAS外置棱镜对转动精度和分辨率的需求,从控制系统结构设计、具体实现过程两个方面阐述了系统方案,并进行测量实验来评估实际效果。结果表明棱镜的转动步进角细分倍数在0~256范围内可调。扫描分辨率最多可达1.8°/256,位置精度误差低于5%,步距角精度误差绝对值低于8%。所设计扫描控制系统在光学仪器中具有广泛应用前景。

EMI南极臭氧柱总量反演研究

利用差分吸收光谱技术(DOAS)反演了我国首个星载大气痕量气体差分吸收光谱仪(EMI)的臭氧斜柱浓度(SCD),通过SCIATRAN辐射传输模型建立了大气质量因子(AMF)的查找表,最终得到EMI的臭氧垂直柱浓度(即臭氧柱总量)。将EMI、OMI和TROPOMI于2018年11月2日获得的南极区域臭氧柱总量进行了对比分析,三者均观测到南极中高纬度(30°S~70°S)的臭氧高值区域与南极内陆(75°S~90°S)的臭氧低值区域,且EMI与OMI、TROPOMI的臭氧柱总量相关性(R^(2))分别为0.977和0.979。进一步将EMI反演的臭氧柱总量与南极长城站(62.22 S,58.96 W)地基天顶散射光差分吸收光谱仪(ZSL-DOAS)反演的臭氧柱总量进行对比,二者相关性(R^(2))为0.926。

大气成分临边探测光谱仪摆镜控制系统设计

星载大气成分临边探测光谱仪在采集高度方向上光信息时需要借助反射镜的反射,为满足光谱仪扫描需求,设计了一款扫描摆镜驱动控制系统,并在地面模拟验证了扫描方向上的光谱数据采集。设计的驱动控制系统基于STM32微控制器,采用DRV8833C电机驱动电路和闭环数字PID调节器,利用有限转角直流无刷力矩电机作为光谱仪摆镜控制系统的执行机构,并使用18位单圈绝对值光电编码器作为位置传感器。进而搭建了摆镜控制系统和试验平台,利用光电自准直仪对摆镜系统性能进行试验验证,测试了系统的指向精度。结果显示平均指向精度小于12.15′′,最大偏差小于19.6′′,最小偏差小于7.46′′,满足工程预研阶段的主要指标要求。

星载大气痕量气体差分吸收光谱仪数据的定标处理与存储方式

星载大气痕量气体差分吸收光谱仪搭载于太阳同步轨道卫星上,用于获取紫外至可见波段的高光谱遥感数据,可定量监测全球痕量气体分布、变化及输运过程.为满足大量实时遥感数据的读写功能,并实现载荷数据的快速有效查找与读取要求,选择HDF5数据格式存储大气痕量气体差分吸收光谱仪获得的遥感数据.为测试数据的有效性,基于载荷在实验室获取的0级测试数据,通过暗背景扣除、增益修正、光谱定标与辐射定标等处理,获得1级遥感数据,并将其成功写入HDF5文件中,从而为载荷入轨后的处理提供数据支持.

成像差分吸收光谱技术的软件研发与数据反演

成像差分吸收光谱技术(IDOAS)能够显示污染物的空间分布,目前已成功运用于地基扫描、机载与星载等多个平台,为环境监测及治理提供了有力支撑,其中地基IDOAS主要运用于对某一污染源的探测。分析了成像系统基于“推扫”方式的工作原理,并将此技术应用于城市大气边界层污染物分布的探测。为更高效使用差分吸收光谱技术(DOAS)反演各种痕量气体成分,更精确地分析污染气体的时空分布特征,对QDoas软件进行了源码级分析和优化。在Windows平台上,使用C++和QT对QDoas代码进行重组,通过重新提取、整合、改写与优化代码,实现了更快速便捷的反演功能模块。为检验模块的反演效果,以大气中常见的污染物NO_(2)和SO_(2)为例,于2019年11月6日在铜陵富鑫钢铁厂开展了现场观测实验。使用新编软件对观测数据进行数据反演后成功获得污染气体的二维分布信息图,证实了该软件在实际大气环境监测中的适用性。

基于MAX-DOAS和TROPOMI对北京冬季对流层NO_(2)污染监测和对比分析

利用不同监测平台对大气环境污染进行监测时,不同遥感数据之间的对比验证以及协同观测是准确评估大气污染变化的关键。本文利用北京站点布置的多轴差分吸收光谱仪(MAX-DOAS)光谱仪,反演了2018年11月—2019年2月北京站点冬季的对流层NO_(2)垂直柱浓度,总结了北京冬季NO_(2)的日变化和月变化规律。研究中首先利用MAX-DOAS测量光谱结合DOAS反演算法获取不同时刻对流层NO_(2)垂直柱浓度,与TROPOMI过境时刻的NO_(2)遥测数据的变化趋势和相关性进行比较,并对卫星过境时地基站点不同的数据平均时间,和星—地间平均采样距离进行敏感性分析,同时将双因素方差分析方法(Two-way ANOVA)应用于评估风场对区域NO_(2)浓度变化的影响。结果显示北京地区11月的对流层NO_(2)平均浓度高于冬季其他月份,最大时均浓度可达到4.04×1016 molec·cm-2,且冬季各月份下午对流层平均NO_(2)浓度明显高于上午。利用TROPOMI和MAX-DOAS获得的对流层NO_(2)具有较好的相关性(r=0.88),其中2018年12月星—地观测相关性可达到0.96,但TROPOMI的NO_(2)浓度结果相对于地基MAX-DOAS观测结果均有不同程度的高估。同时星—地对比敏感性表明,在一定的采样范围内,随着平均时间和平均距离的增大,星—地NO_(2)浓度检测相关性均表现为明显的增高,其中相关性对采样距离的敏感性较大,而浓度相对偏差对采样时间敏感性较大,这为数据对比时的合理采样间隔选择提供参考。此外,通过风场分析发现风速及风速和风向的交互作用是导致北京地区NO_(2)浓度变化的重要因素之一。

高分五号痕量气体差分吸收光谱仪的地表UV-B辐照度初步反演

地表UV-B辐照度会对地球生态系统产生非常重要的影响。利用卫星遥感探测,可实现全球地表UV-B辐照度的长期探测,对于生态系统评估和大气科学研究等具有重要意义。目前基于国产卫星的地表UV-B辐照度产品较少,因此本文开展了高分五号卫星大气痕量气体差分吸收光谱仪(EMI)的地表UV-B辐照度的初步反演。首先基于地表UV-B辐照度的敏感性分析结果,建立无气溶胶情况下晴空地表UV-B辐照度查找表。随后提出了云、气溶胶场景下的校正方法,实现了全球地表UV-B辐照度的反演。最后,为验证该算法的准确性,将EMI结果分别与欧洲OMI卫星数据、WOUDC地面站点数据进行了对比,其中与OMI数据的相关系数大于0.9,与WOUDC地面站点数据的相关系数达到0.91。研究结果表明EMI载荷的地表UV-B辐照度产品准确性高,为后续地表UV-B辐照度等相关产品的发布提供研究基础,也证明了该载荷在全球地表紫外辐射时空分布监测应用中的能力。

基于机载与车载差分吸收光谱技术同步观测的污染源NO_x排放通量的分析

研究一种基于机载和车载被动差分吸收光谱(DOAS)技术测量大气污染气体排放通量的光学遥测方法。利用机载成像光谱仪和车载DOAS光谱仪对工业区进行同步走航观测,利用光谱反演获得区域NO2垂直柱浓度分布情况及扩散趋势,然后根据实时风场数据,结合NOx在大气中的衰减模型,推导出NOx衰减情况及氮氧化物各成分占比,进而获得污染源NOx的排放通量。所提方法修正了NOx在大气中的衰变,计算了该工业园区电厂和钢厂的NOx排放通量分别为3.3331×1024 molecule·s-1和2.6138×1024 molecule·s-1。结果表明:机载和车载观测结果的一致性较好,与未经修正NOx衰变获得的排放通量相比,所提方法获得的排放通量精度提高了约5%~20%。与车载或机载独立观测方式相比,所提方法结合了机载扫描范围大和车载探测空间分辨率高的优点,更有利于对污染扩散趋势的掌握,提高了探测精度。