基于静止轨道卫星监测大气污染物时空变化的可行性研究

Air quality measurements from space are urgently needed to understand the complex consequences of increasing anthropogenic emissions over China. This program will study the strategy and capabilities for future geostationary Earth orbit air quality monitoring satellite. First, we will develop forward model system and a set of retrieval algorithms for O3, NO2, SO2, HCHO and aerosol; Second, we will exploit the observed date and instrumentation parameters from existing low-Earth orbit (LEO) Satellite, and build the Observing System Simulation Experiments (OSSE) for Geostationary Satellite Retrievals; then the simulated observation experiments will be investigated to evaluate the optimal instrumentation parameters, observation mode, target atmospheric composition and observed precision. This study will provide the theoretical bases for Chinese future geostationary air quality monitoring satellite.

以中国及周边地区目前和将来主要大气污染物的高精度、高时空分辨率监测为目标、参考现有极轨卫星载荷的遥感监测的能力和仪器参数，在已有的多种污染气体和气溶胶卫星遥感反演算法的基础上，发展基于静止轨道卫星监测大气污染物的观测数据模拟系统和O3，NO2， SO2， HCHO及气溶胶的综合模拟反演系统；针对中国及周边地区主要污染物的时空分布状况和已有卫星观测数据，利用所建系统开展模拟反演试验，提出最适合的静止轨道卫星载荷的主要指标和观测方式，为优化将来我国静止轨道卫星光谱仪仪器指标提供理论和模拟工具。

针对对流层主要污染物（对流层臭氧、NO2、SO2及HCHO）的高分辨率、高频次监测需求，开展了基于静止轨道卫星监测我国大气污染物的观测模拟观测实验。在参考现有极轨卫星载荷的遥感监测的能力和仪器参数基础上，根据静止卫星观测模型，利用正演辐射传输模式模拟卫星观测光谱。根据最优估计反演算法理论，分析计算光谱仪的主要指标参数对各目标气体的反演敏感性和反演误差。基于各目标气体反演精度需求，提出光谱仪的观测波段、光谱分辨率、信噪比等关键指标参数的建议方案。为评估选定的光谱仪参数能否满足需求，利用大气化学输送模式模拟中国区域大气成分的三维分布，进行中国区域的模拟反演实验。结果表明，针对各目标气体，满足反演需求的实验数目均达到90%左右。臭氧总量和平流层臭氧的反演精度可以提高达到2%，且各气体反演在太阳天顶角高于70o范围内仍可以获得有效数据。因此，我们所提出的静止卫星观测方案和仪器参数方案具有一定可行性，为优化将来我国静止轨道卫星光谱仪仪器指标提供了理论依据和模拟工具。