为保障大气痕量气体差分吸收光谱仪(EMI)二级反演数据的有效性和可靠性,需长期监测仪器在轨辐射定标准确性和稳定性。首先,根据EMI在轨测量的太阳光谱和星下点辐亮度,计算了南极洲和格陵兰岛永久冰雪地面选定数据区域的表观反射率时间序列,并建立了太阳天顶角和表观反射率的4阶双向反射分布函数(BRDF)模型。然后,利用4阶BRDF模型对2018~2020年的表观反射率数据序列进行归一化处理,得到了表征EMI定标准确性和稳定性的指标。结果表明,基于BRDF模型得到的表观反射率预测值与实测值相关系数高于0.9;用BRDF模型对表观反射率进行归一化处理后,得到的仪器辐射定标不确定度范围为2%~5%;UV2、VIS1通道两年总衰减的范围为-0.5%~0.5%,VIS2通道的两年总衰减约为1.9%,即EMI在轨运行两年间的辐射响应稳定性较高。

云参数是痕量气体反演过程中重要的输入参数, 对其准确反演具有重要意义。基于 2019 年 3 月大气痕量气体差分吸收光谱仪 EMI 的观测数据, 利用 O4 在 477 nm 处的吸收特性进行有效云量的反演。为验证 EMI 云量反演的准确性, 将 EMI 与 TROPOMI 的反演结果进行对比分析, 并对 2019 年 3 月 2 日、6 日、9 日和 10 日 EMI 和 TROPOMI 整天的云量进行了相关性分析, 相关性 R 分别为 0.752、0.712、0.764 和 0.762, 表明二者具有良好的相关性。进一步选取了沙漠、海洋、陆地三个不同区域的云量分析了不同下垫面情况云量的分布特征, 发现在这三个区域, EMI 和 TROPOMI 的云量都具有较好的一致性, 并且海洋上空云量较低, 陆地上空云量较高, 而沙漠上空云量变化频繁。

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 (R2) 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 (R2) 为 0.926。

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 NO2 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 NO2 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 NO2 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 NO2 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 NO2 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。

珠三角城市群作为我国最具发展活力的都市经济圈之一, 近年来经济发展势头迅猛, 但与此同时, 珠三角地区大气污染问题也引起了广泛关注。在众多大气污染监测手段中, 卫星遥感方法具有观测范围广、观测种类多、可长期连续观测、成本低等优点。 EMI (Environmental trace gases monitoring instrument) 是我国首台星载大气监测光谱仪, 于 2018 年 5 月 9 日搭载于高分五号 (GF-5) 卫星发射运行, 已广泛应用于中国和全球众多区域的大气污染物空间分布与时间变化监测, 对于我国卫星高光谱遥感反演算法的研发和大气污染防治具有重要意义。本文基于 EMI 遥感数据和中国科大的卫星遥感产品, 分析了珠三角地区 2019 年 1-8 月期间对流层 NO2 柱浓度时空变化特征。结果表明: (1) 在 2019 年 1-8 月期间, 珠三角地区对流层 NO2 柱浓度整体呈现“内凹型”特征, 表现为 1-6 月呈下降趋势, 7-8 月呈上升趋势; (2) 珠三角地区的主要 NO2 污染重心集中在佛山市中部, 以及珠江入海口沿海海岸, 在 1-8 月期间, NO2 污染源重心不断由佛山市中部向深圳及香港特区方向移动; (3) 珠三角地区对流层 NO2 柱浓度分布与城市的经济状况、产业结构、常住人口数量及机动车保有量具有一定的相关关系, 其中, 城市的整体经济状况与第二产业占比对于其对流层 NO2 柱浓度影响较大, 因此各地在大气污染防治中需注意当地经济状况的发展及产业结构的持续优化。

于 2018 年 5 月 9 日搭载高分五号卫星发射的大气痕量气体差分吸收光谱仪 (EMI) 为紫外可见波段高分辨率成像光谱仪。为考察其在轨光谱性能, 首先采用波长寻峰法即以太阳 Fraunhofer 线作为特征峰以快速获取载荷的光谱范围, 然后采用谱线匹配法获取载荷空间维度的光谱弯曲值, 最后采用光谱拟合法获取光谱分辨率的变化。寻峰法通过与标准 Fraunhofer 线进行比对找寻特征峰, 得到其标准波长及对应像元, 经二阶多项式拟合可得到像元-波长对应关系。谱线匹配法通过 Pearson 相关系数法作为判据, 即利用两谱线之间相关系数作为匹配结果的判断条件, 得到测量谱线与标准谱线间的偏移值, 定标结果满足定标精度高于 0.05 nm 的要求。光谱拟合法通过求解将测量谱与高分辨率太阳参考谱拟合, 可以分析光谱分辨率变化。对 2019 年 1 月 7 日全天 15 轨数据的分析结果表明, 光谱分辨率在一天内的变化一致, 其单行标准差不超过 0.01, 因此在之后仪器长时间运作或受到干扰情况下, 利用此方法对其性能衰变进行分析具有重要意义。

在星载大气痕量气体差分吸收光谱仪的研制过程中, 需要对其信噪比、光谱分辨率、光谱定标精度等性能指标进行测试, 为此需要设计专用二维转台以实现不同视场在不同角度下的测试。根据光谱仪参数测试要求, 提出转台设计方案, 设计转台结构, 建立三维模型, 并对主要零部件进行选型。转台的方位轴 ±180° 转动, 满足 114° 的主视场测试要求; 俯仰轴 ±20° 翻转, 实现太阳视场需求; 机械定位精度为 ±0.01°。 转台提供两种安装方式, 光谱仪竖立安装进行太阳视场测试, 水平安装进行主视场测试。转台支撑框架在不同的工况下承受载荷的作用, 利用有限元软件对框架结构进行仿真, 分析结果验证了框架设计的合理性。

星载大气痕量气体差分吸收光谱仪是一种新型光学遥感仪器, 具有分辨率高(0.3～0.5 nm)、 宽光谱范围(240～710 nm)、 大视场角(114°视场对应地面2 600 km)的特点, 载荷采用推扫方式, 可实现1日全球覆盖监测。 载荷通过探测地球大气或地表反射、 散射的紫外/可见光, 利用差分吸收光谱技术来获取全球大气痕量气体(NO2, SO2, O3等)分布和变化。 定标是遥感数据定量应用的前提, 同时为获取载荷光谱特性, 需要在地面完成载荷的光谱定标。 根据大气痕量气体差分吸收光谱仪视场角度大、 谱段范围宽、 空间和光谱分辨率高等特点, 搭建了一套基于二维转台的光谱定标系统, 此系统能够完成全视场光谱定标。 光谱定标采用标准谱线法, 光谱定标光源使用汞灯。 光谱响应函数是描述光谱仪光谱响应特性的重要参数, 根据光谱响应函数可以获取载荷的光谱分辨率, 同时也是基于DOAS反演的关键输入参数, 光谱响应函数的精度直接影响大气痕量气体的反演结果。 根据载荷实际测试的光谱响应数据, 选取了Gauss, Lorentz和Voigt三种函数作为待选的光谱响应函数。 为对三种函数模型进行筛选, 进行了两种筛选对比测试, 首先分别用Gauss函数、 Lorentz函数、 Voigt函数对载荷的单色光响应数据进行拟合, 以三种函数的拟合残差平方和作为评判标准, 拟合结果表明Gauss函数作为狭缝函数拟合的残差平方和最小为0.01, Lorentz和Voigt函数作为狭缝函数拟合的残差平方和分别为0.033和0.021。 从载荷单色光响应数据函数拟合的结果分析, Gauss函数可以作为载荷的光谱响应函数模型。 为了进一步验证这一结论, 进行了DOAS反演NO2样气的实验, 考察三种函数模型对反演的影响。 在实验室开展了NO2样气测试, 大气散射光通过30*40cm的石英窗口入射到载荷狭缝, 将NO2样品池放置在载荷狭缝和石英窗口中间, 获取的数据为NO2样气吸收谱, 随后充入N2气体获取反演的参考谱, 实验在晴朗天气下进行, 并能够在较短时间内完成, 可以减少外界天气条件对反演结果的影响。 实验中NO2样气浓度为8.481 2×1016 molec·cm-2, 在利用DOAS进行反演时, 设置仪器狭缝函数分别为Gauss, Lorentz和Voigt函数, 分析三组不同的函数模型对应的NO2浓度结果, 根据反演结果的相对偏差对函数模型进行评价。 实验结果表明Gauss函数作为狭缝函数反演结果的相对偏差最小为5.6%, Lorentz和Voigt函数作为狭缝函数的反演相对偏差分别为28%和15.1%。 由光谱响应数据的拟合结果及样气反演结果表明, Gauss函数可以作为载荷的光谱响应函数模型。

大气痕量气体差分吸收光谱仪通过探测地球大气或地表反射、散射的紫外/可见光,利用差分吸收光谱技术来反演大气 中痕量气体的分布和变化。在地面对大气痕量气体差分吸收光谱仪完成实验室定标以验证其性能和可靠性,为大气痕量 气体差分吸收光谱仪的数据处理提供支持。为快速处理光谱仪定标数据,研制了相关的光谱辐射定标软件。定标软件基 于C++语言,在Windows平台上开发,实现数据定标和多维度展示定标数据。 其中光谱定标采用多项式拟合算法,光谱分辨 率采用Gauss拟合算法。辐射定标包括绝对辐射定标和相对辐射定标,绝对辐射定标求取辐射定标非稳定性和非线性, 相对辐射定标求取相对辐射校正系数和不确定度。结果表明软件运行良好,能够完成大气痕量气体差分吸收光 谱仪地面光谱定标、辐射定标数据的处理。