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。

烟羽断层重建质量受两方面条件限制: 其中一个限制条件是遥感设备的时间分辨率。 以往的研究多使用多轴差分吸收光谱仪（MAX-DOAS）进行CT重建, 受采集数据速度的限制, 重建图像的时间分辨率较低。 另一个限制条件是, 采集到的数据量有限, 是典型的不完全角度重建。 过去多使用代数迭代重建算法或统计迭代重建算法, 重建图像受测量误差的影响比较大, 分辨率较低且伪影较多。 构造了基于成像差分吸收光谱技术（IDOAS）的光谱数据采集系统, 与多轴差分吸收光谱仪构造的系统相比, 数据采集的时间分辨率提高了160多倍, 基本解决了时间分辨率的问题。 提出了一种基于压缩感知理论和低三阶导数模型的烟羽断层重建算法——投影凸函数集低三阶导数法, 简称为POCS-LTD。 在投影的过程中, 使用代数重建算法使重建图像符合投影方程; 在全变分迭代的过程中使用了优化算法, 将低三阶导数模型的全变分归一化值作为优化算法的迭代方向, 前次迭代运算结果与本次投影运算的差值的模作为迭代步长。 对重建算法进行了数值模拟, 并以重建图像的接近度和一致性相关因子为指标, 对重建结果进行了分析。 数值模拟表明, 算法具有良好的抗误差能力, 与传统的低三阶导数法相比, 本文提出的算法将重建接近度减小了80%以上。 使用烟羽数据采集系统进行了外场实验, 用POCS-LTD算法对外场实验的数据进行了烟羽重建, 重建图像显示烟羽图像清晰, 伪影得到了较好的抑制。 介绍的烟羽断层数据采集系统和烟羽断层重建算法, 提高了烟羽断层重建图像的时间分辨率, 减少了重建图像的伪影, 扩大了光谱测量技术的应用范围。