GF-5 EMI观测新冠疫情期间全球典型地区NO_(2)柱浓度变化

中国“高分五号”(GF-5)卫星上搭载的痕量气体差分吸收光谱仪(EMI)是第一台设计用于大气痕量气体的探测的高光谱载荷。本文首次基于EMI NO_(2)观测结果分析全球NO_(2)污染典型区域在新冠疫情期间的NO_(2)浓度变化情况。结果表明EMI载荷捕捉到了2020年1—3月,中国东部(-13.6%)、欧洲(-10.2%)、伊朗(-7.9%)和韩国(-13%)等大部分地区NO_(2)柱浓度区域均值的明显下降趋势。不论是同年封锁前后的比较,还是2020年封锁期间与2019年同期的比较,都能够看到EMI NO_(2)柱浓度明显的下降。NO_(2)柱浓度下降的主要原因是疫情期间采取的限制性措施导致的交通和工业活动排放大幅减少。EMI NO_(2)观测结果与国际同类成熟载荷OMI和TROPOMI观测结果的相关性大于0.97,在区域和城市尺度上EMI与OMI和TROPOMI的平均相对差异分别小于13%和9%。本研究结果体现了EMI在全球NO_(2)污染变化监测的能力和实际应用价值,为中国后续痕量气体探测载荷的研制和应用提供参考。

星载痕量气体差分吸收光谱仪1级数据质量评价

星载痕量气体差分吸收光谱仪(EMI)是我国第一台用于监测对流层和平流层痕量气体的高光谱分辨率成像光谱仪。为了充分了解载荷的特点,更好地利用1级数据进行痕量气体反演,本研究对EMI实测的辐照度和辐亮度数据进行了综合评价。研究表明EMI紫外2波段(UV2)和可见光1波段(VIS1)的狭缝函数都表现出明显的行依赖性,其随行波动的标准差是OMI和TROPOMI的6倍以上。对不同行采用不同的狭缝函数,可以提高辐照度光谱的定标精度,进而提高痕量气体反演精度。EMI辐照度和辐亮度数据都有波长漂移现象,平均漂移量分别为0.015和0.03 nm,有明显的行依赖性。目前的波长漂移量满足设计指标(0.05 nm)的要求,但在痕量气体反演过程中仍需进行波长精校准。EMI辐照度数据与OMI和TROPOMI同一天测量的辐照度以及参考太阳光谱高度一致(r>0.95),绝对偏差小于4.3%;通过对比在洁净太平洋地区无云像元的平均辐亮度数据发现,EMI与OMI和TROPOMI也有很好的一致性(r>0.93),平均偏差小于13.2%;说明EMI数据辐射定标精度较高。研究表明当前EMI载荷数据质量能够满足痕量气体反演的要求,可为后续国产载荷的研制和数据质量评估方案提供参考。

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SO_(2)总量反演

火山喷发产生的高浓度SO_(2)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SO_(2)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SO_(2)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 O_(4)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SO_(2)总量反演结果并与TROPOMI官方offline L2 SO_(2)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SO_(2)总量,并将反演结果与国际同类载荷S5P/TROPOMI SO_(2)总量结果进行比较分析,评判GF-5 EMI在全球火山活动SO_(2)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SO_(2)结果与TROPOMI官方发布的offline L2 SO_(2)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SO_(2)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。

高分五号大气痕量气体差分吸收光谱仪对流层NO_(2)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NO_(2)柱浓度反演,展示了基于EMI载荷的对流层NO_(2)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 NO_(2)反演结果具有较高的精度。本研究证明了EMI在全球NO_(2)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甲醛反演可行性分析及初步结果

大气痕量气体差分吸收光谱仪EMI(Environmental trace gases Monitoring Instrument)是搭载在"高分五号"(GF-5)卫星上的覆盖紫外—可见光波段的光谱仪,用于测量240—710 nm波长范围内的地球后向散射和太阳辐射,旨在量化全球对流层和平流层痕量气体的分布,如臭氧、二氧化氮等。本文关注EMI载荷对大气弱痕量气体甲醛(HCHO)的探测能力,并基于实测数据初步评估EMI HCHO产品的探测能力与精度。研究结果表明EMI的辐照度波长校准精度高,但在不同行之间存在较大的不均匀性,其波长校正的精度与仪器的狭缝函数高度依赖行位置的变化。基于EMI的HCHO反演的结果表明,EMI UV2频段的标称信噪比较低,使得利用差分吸收光谱技术(DOAS)得到的HCHO斜柱浓度SCD(Slant Column Density)存在较大的随机误差和拟合残差。现阶段,评估得到的EMI HCHO斜柱浓度的不确定性为1.2×10^(16)molec./cm^(2)。与国际同类载荷TROPOMI(TROPospheric Ozone Monitoring Instrument)、OMI(Ozone Monitoring Instrument)的交叉对比验证结果表明,EMI可以捕捉到中国地区夏季HCHO的空间分布特征。EMI&TROPOMI与EMI&OMI的相关系数均大于0.8。但是在华东地区EMI HCHO普遍高于OMI和TROPOMI,其原因需要进一步研究。本文的研究证明了EMI对夏季HCHO的探测潜力及不足,可为后续类似载荷的指标设计和算法研发提供参考。

高分五号卫星大气参数探测综述

高分五号卫星搭载了大气痕量气体差分吸收光谱仪、主要温室气体探测仪、大气多角度偏振探测仪、大气环境红外甚高分辨率探测仪、可见短波红外高光谱相机和全谱段光谱成像仪共6台载荷,对全球环境监测及中国大气气溶胶、臭氧、二氧化硫、二氧化氮、二氧化碳、甲烷和云等多个环境与气象综合监测方面有着重要的意义。为了更好的了解高分五号卫星任务的大气监测内容,本文对高分五号卫星其中的4个大气探测载荷特征和数据处理算法进展进行了总结,涉及各个载荷参数信息、算法介绍和产品初步结果等相关内容。高分五号卫星是中国专门用于大气环境监测任务的遥感卫星,随着后续卫星的发射升空,将对中国乃至全球大气环境监测提供强有力的数据支撑。