Light：刘诚 | 卫星高光谱“看见”大气污染

光是人类认识自然本质的过程中最强大的工具。借助于不同频段的光谱探测，人类视角不仅深入地球的山川河海，还前所未有的触及宇宙深处。

近日,中国科大的刘诚教授领导的大气环境遥感团队利用我国首个用于大气污染成分监测的甚高光谱卫星高分五号的大气散射光谱测量，突破了光谱和仪器定标不足的限制，通过在光学遥感上的一系列技术创新，最终实现了全球大气中的二氧化氮浓度定量监测。

如图1，大气中NO2、O3、HCHO、SO2等重要痕量污染气体分子由于其特殊的量子化学性质，在紫外-可见光波段有着独特的“指纹”特性吸收光谱。

利用非线性光谱拟合技术和大气辐射传输模拟，能够从卫星观测的天顶大气散射光谱中把各种污染气体的浓度信息定量解析出来。

这种环境光谱学监测技术在大气化学和污染研究中具有重要的应用价值。

国际上非常重视大气环境的卫星遥感探测。

自上世纪90年代的发射的GOME载荷到最新TROPOMI载荷，迄今为止欧美等发达国家已经陆续发射十余颗专门用于大气污染成分探测的甚高光谱卫星。

然而我国的大气环境遥感长期以来都依赖国外卫星载荷，在支撑我国大气污染成因研究和大气污染防治的实际需求方面，存在被“卡脖子”的风险。

2018年5月，我国首个用于大气和陆地环境观测的甚高光谱卫星高分五号成功发射。这对于打破我国大气环境遥感观测对国外卫星载荷的依赖，提升自主可控性和增强我国在全球环境治理中的话语权都有重大意义。

其中，高分五号搭载的关键载荷环境痕量气体监测仪（Environmental trace gases Monitoring Instrument, EMI）能够实现优于0.5nm光谱分辨率和12×13km2的像元空间分辨率的光谱探测，从而满足高分辨率反演大气污染成分的需求。图2. 分别给出了EMI仪器的光学设计和在轨运行示意图。

图2. EMI的仪器光学设计和在轨运行示意

但由于其搭载的EMI等载荷的关键部件遭到国际禁运和首次研发此类高精密仪器的经验欠缺等问题，其仪器稳定性与光谱质量同国外最新同类载荷相比尚有一定差距，这给我国的大气环境卫星遥感研究带来了极大的挑战。比如：

总体上，我们通过对光谱的辐射和波长值进行重定标，并针对仪器和光谱特定对NO2反演算法做了适应性的优化更新，包括反演波段移动、参考谱优化、饱和光谱过滤等设置。

由于仪器受宇宙射线、氧原子等复杂太空环境以及运行中的仪器变化的影响，其性能可能会存在一定的退化。

因此，在地面测试期间获得的定标关键数据和算法模型对于EMI在轨光谱定标存在问题。

我们通过将EMI辐射与其他卫星测量、以及辐射传输方程模拟结果进行比较，重新校准了EMI地球辐亮度测量。

同时，为了解决太空中的热温变化引起光谱定标的微小变化，在NO2光谱拟合之前，通过将其与高分辨率太阳谱数据集进行非线性拟合来校准了额外的光谱偏移或伸展系数、以及仪器狭缝函数参数。

在光谱反演中，我们已进行了一系列灵敏度测试，包括云校正、波长范围选取、参考谱选择和光谱预校准等。

c）与（a）相同，但未进行光谱重定标。

与使用原始光谱数据中的校准参数的结果相比（图3c），重定标后的测量光谱导致NO2的SCD拟合不确定度和拟合光谱噪声减小约30％，而SCD的变化在3.3％以内。

图3. EMI NO2反演设置的优化对照测试

由于空间环境中太阳漫反射板双向反射率分布函数（BRDF）存在定标问题，EMI测量的太阳辐照光谱可能还存在漫反射板引入的固定结构。

我们发现，以辐照度作为参考谱的NO2SCD反演表现出较大的偏差和误差，尤其是在测量轨道的中心部分（见图 3b）。

因此，使用直接太阳辐照度作为拟合参考谱不是最佳选择。

为避免异常辐照度光谱的影响， 我们在太平洋地区选取无云像元的地球辐亮度，针对不同行像元取对应的每日平均光谱。

为了避免仪器波长偏移带来的误差，所有被平均的辐亮度测量均来自于同一轨道。同时在平均前，光谱先被插值到了同一波长格点。

与太阳辐照度相比，以地球辐亮度为参考谱可大大降低光谱拟合中的剩余结构噪声（见图 3a-b）。

如图 3 a-b 所示，在无云区域上使用辐亮度参考谱的拟合残差的平均RMS（均方根）比以辐亮度为参考小30％。

此外，为了避免探测器在通道边缘的低信噪比，我们将光谱拟合波段移动到420-470 nm。在光谱反演前的，对探测器饱和像元值进行标识和过滤。

通过上述关键技术的突破，研究团队在原始光谱有所欠缺的情况下仍然实现了全球大气NO2浓度的反演。

其观测结果与国际最新同类载荷TROPOMI的结果以及地基多轴差分吸收光谱仪（MAX-DOAS）观测结果都具有较高的一致性（图4），其相关系数(R)为0.8–0.9。

图4. OMI、EMI和TROPOMI三种卫星的对流层NO2反演对比

该项研究为我国的甚高光谱环境卫星遥感技术的进一步发展奠定了坚实基础，后续卫星遥感数据产品可以在大气环境领域得到广泛应用，可为大气环境突发事件监测与污染预警、重点污染源精准定位、大气污染区域传输影响评估以及污染防治措施效果评估等大气环境研究和实际环保工作中突出问题多的解决提供具有我国自主知识产权的实测数据支持。

刘诚 教授

刘诚，男，1981年10月出生于安徽省蚌埠市。

2010年博士毕业于德国海德堡大学环境物理系（博士论文评分满分，博士总成绩1.2分（满分1.0,最低分5.0）。同期以总评“Excellent”的成绩毕业于马普化学所国际学校。）随后在美国哈佛大学从事博士后研究。

2015年任中国科学技术大学教授，中国科学院环境光学与技术重点实验室副主任，2017年获国家“优青”基金项目资助，2019年任国科学技术大学精密机械与精密仪器系执行主任。

主要从事基于地基、船基、机载、星载等多种遥感平台的大气污染气体、大气温室气体及灰霾的时空分布遥感观测及分析研究工作。

针对大气环境领域相关热点问题开展研究，刘诚教授在大气遥感方面取得了多项原创性科研成果，2015年至今已在国际主流SCI期刊上发表文章33篇，专利3项（ 3个受理专利和1个授权专利），软件登记3项。

承担了国家自然科学重点基金、国家重点研发计划、国家重大科学仪器专项等多个项目。

2016年荣获中国环境科学学会第十届青科技奖（第一完成人）、2019年获得中国环境科学学会青年科学家奖(金奖，全国10名),2019年荣获安徽省科学技术一等奖（第二完成人）。2019年荣获国家科学技术二等奖（第二完成人）。

主要研究方向：

1. 光学遥感算法原理 

2. 光学遥感仪器光机电设计

3. 基于光学立体遥感大数据在我国大气环境中的应用