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高分五号卫星获得首幅全球高分辨率细粒子气溶胶光学厚度分布图

发布:opticseditor    |    2019-04-16 09:51    阅读:507
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近日,中科院空天信息研究院联合载荷研制单位中科院安徽光学精密机械研究所等科研机构,基于高分五号卫星上搭载的多角度偏振成像仪(DPC),获得了首幅全球3.3公里空间尺度的细粒子气溶胶光学厚度(AODf)分布图。这是国际上目前空间分辨率最高的AODf遥感观测数据集,可为大气主要污染成分(PM2.5等)的空间信息获取提供关键基础产品。


图1. 中国GF-5卫星DPC传感器获取的全球陆地上空细粒子气溶胶光学厚度(AODf)分布图。

高分五号卫星于2018年5月9日在太原卫星发射中心成功发射,搭载有多角度偏振成像仪等六台先进载荷,是我国高分卫星系列中的环境监测旗舰卫星。DPC是我国首个具有多谱段(覆盖可见光至近红外)、多角度(9-12个角度成像)、偏振(探测3个偏振分量)的星载宽视场成像仪(幅宽1850公里),具有探测气溶胶、云、水汽等大气成分信息的专用通道,同时兼顾陆地和海洋环境的探测能力。

DPC可为全球大气污染状况的快速监测提供空间遥感观测数据,所获取的气溶胶参数可用于监测大气细颗粒污染物分布、来源、成分及传输信息等。从全球范围看,DPC获得的AODf高值区与全球环境空气污染重点区域的空间分布基本吻合,低值则主要分布于大气较清洁的地区,例如北美、欧洲、澳洲等。

成果亮点一:高空间分辨率细粒子气溶胶光学厚度卫星遥感反演

DPC星下点空间分辨率3.3公里,是国际上目前在轨空间分辨率最高的星载多角度偏振成像传感器。空天信息研究院国家环境保护卫星遥感重点实验室研究团队针对DPC传感器独特的偏振探测机理和多角度成像特点,突破了高分辨率偏振地表双向反射(BPDF)解析、气溶胶多参数最优化估计反演(OE)等关键技术,攻克了全球适用的细粒子气溶胶模型,研发完成了适配国产高分卫星的先进气溶胶产品生产系统。


图2. 北京地区细粒子气溶胶光学厚度卫星监测结果:(左)中国DPC—3.3km分辨率;(右)法国POLDER—18.5km分辨率。

获得的AODf数据是目前全球空间分辨率最高的细粒子气溶胶光学厚度卫星遥感产品,比国际上同类卫星(法国POLDER/PARASOL)数据产品提高约6倍,能够更清晰显示出污染分布的局地细节特征(图2),支持区域污染精细管控、重点城市污染传输通道监测、污染物溯源等环保业务对高空间分辨率遥感数据的需求。

成果亮点二:在轨持续监测全球大气细粒子气溶胶含量变化

图3. 全球重点地区(上:中国东部、中:印度、下:非洲中部)细粒子气溶胶光学厚度对比:(左)中国DPC 2018年观测结果;(右)法国POLDER 2011年观测结果。

作为目前唯一在轨的星载多角度偏振成像对地传感器,DPC延续了在环境生态、气候变化等方面至关重要的全球大气细粒子气溶胶卫星传感器阵列(POLDER-1:1996-1997;POLDER-2:2002-2003;POLDER-3:2004-2013)。从较长时间跨度(2018年对比2011年)的全球重点区域AODf对比(图3)可以看出,中国东部地区的污染程度,比2011年11月的峰值状况有显著改善,特别是东南沿海区域有显著的降低;但中国北方地区的细粒子气溶胶含量仍然较高,有待进一步控制和改善。相比之下,全球另一个重点污染区域——印度,则呈现了显著的污染增长态势,反映了其工农业排放增多等人为活动加剧的特点。此外,非洲中部地区的污染状况也较2011年有显著的增强,但与经济快速增长区域不同,该区域AODf的变化主要受自然生物质燃烧、森林破坏等因素影响。

成果亮点三:大气污染细颗粒物关键参数卫星获取

研究团队针对PM2.5遥感估算等重大需求,通过在反演算法中增加细粒子截断模块等适用性功能,进一步提高卫星产品与PM2.5的相关性,同时依托国家环境保护卫星遥感重点实验室、遥感卫星应用国家工程实验室等平台开展大量真实性检验和验证。


图4.(a)AODf卫星产品真实性检验;(b)北京地面PM2.5观测对照站点;(c)卫星反演AODf与地面监测PM2.5呈现较好的相关性。

全球范围内215个地基站点的AODf同步验证数据(图4)显示,DPC卫星遥感结果与地基观测具有较好的一致性,反映了该算法的全球适用性和稳定性。同时,北京地区PM2.5地面测站数据联合分析显示,卫星遥感的AODf与PM2.5浓度具有较好的相关性,显示了DPC应用于大气污染细颗粒物PM2.5定量估算的良好潜力。但应注意,卫星AODf是整层大气中细粒子的光学等效总量,而与环境和人体健康相关的PM2.5特指近地面层的细粒子质量浓度,从卫星观测AODf估算近地面PM2.5仍有大量的研究工作正在开展。

细粒子气溶胶光学厚度是卫星遥感直接获取近地面PM2.5浓度的重要中间环节和关键参数,该技术的突破为卫星遥感用于PM2.5全国统一评价、空间覆盖监测、污染损失复核复算、污染源清单编制等业务应用和科学研究提供重要科技支撑,也为我国发展下一代先进细颗粒物卫星传感器奠定了坚实基础。相关工作得到了国防科工局重大专项工程中心、中国资源卫星应用中心、生态环境部卫星环境应用中心、国家卫星气象中心、上海航天技术研究院、中国遥感卫星地面站等单位和部门的大力支持和协助。

文献:

Li Zhengqiang, Weizhen Hou, Jin Hong, Fengxun Zheng, Donggen Luo, Jun Wang, Xingfa Gu, and Yanli Qiao (2018), Directional Polarimetric Camera (DPC): Monitoring aerosol spectral optical properties over land from satellite observation, J Quant Spectrosc Ra, 218, 21-37.

Zhang Yang, Zhengqiang Li, Zhihong Liu, Juan Zhang, Lili Qie, Yisong Xie, Weizhen Hou, Yongqian Wang, and Zhixiang Ye (2018), Retrieval of the Fine-Mode Aerosol Optical Depth over East China Using a Grouped Residual Error Sorting (GRES) Method from Multi-Angle and Polarized Satellite Data, Remote Sensing, 10, 1838.  

来源:空天信息研究院

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