痕量气体卫星反演中大气Ring效应的同步探测机理与估算模型研究

The world has been concerned about the monitoring of atmospheric trace gas concentration of O3,NO2 and SO2 with satellite remote sensing in the last decade. NO2, SO2 emissions brought by China's rapid economic development have been accused abroad.So far the Chinese satellite load to detect concentration of NO2, SO2 is developing.Futhermore, Ring effect module of radiative transfer model is not availeble because of restrictions of foreign technology. The derivation of Ring spectrum is a key technique in the retrieval of trace gas concentration.Without thinking about Ring effect,concentration of NO2 will be underestimated to 8-15%.Based on the physical mechanism of the atmosphere and water Ring effect, an algorithm to calculate differential cross sections of the Ring effect in the earth's atmosphere based on raman scattering should be derived for retrieval of atmospheric trace gas concentration. At last but not the least ,validation with MAXDOAS on the ground should be performed.

大气NO2、SO2等痕量气体浓度的卫星遥感监测是近十几年来全球一直关注的问题，我国经济迅速发展带来的NO2、SO2排放已经受到国外指责，但我国目前还缺乏NO2、SO2等气体的探测载荷，而且在NO2、SO2的辐射传输求解方面也受到国外技术的限制，如目前公开的用于NO2、SO2反演的辐射传输软件系统就缺少Ring 效应模块。而Ring 效应问题是卫星反演NO2浓度中的关键问题之一，不考虑Ring 效应会带来8-15%的精度误差。准确恰当地分析、探讨大气Ring效应形成的物理机制，建立卫星同步探测和参数估算模型，面向卫星DOAS污染气体反演有针对性地计算Ring效应（差分）光谱或系数，并利用地基MAXDOAS、偏振光谱仪观测进行模拟验证，得到完整的Ring效应解决方案。既具有相当的科学意义，又对我国的大气卫星遥感有着重要的应用价值。

Ring 效应是指地球大气中的 N2和 O2分子对太阳光的转动拉曼散射导致夫琅禾费线变短的现象。 使用差分吸收光谱算法, 反演大气 NO2和 SO2等痕量气体浓度的时候, Ring 效应是影响反演结果精度的一个重要因素。 本研究利用卷积算法计算得到的差分 Ring 光谱截面, 与辐射传输模型计算结果比较, 得到如下几个结论: (1) 直接采用卫星遥感获得太阳光谱数据和大气转动拉曼散射截面, 忽略压力展宽, 卷积后, 可获得 Ring 光谱。 经过除以原始太阳光谱, 三次多项式差分后可以得到针对卫星遥感反演痕量气体所需的差分 Ring 光谱。 标准化后与 Vountas等利用辐射传输模式计算得到的结果比较, 相关系数R2=0.9663。 (2) 利用两个固定波长与变化波长分别计算得到的 Ring 光谱, 经过差分计算后三者差异非常小; 经标准化后与辐射传输模式计算得到的结果比较, R2分别达到 0.9624, 0.9639 和 0.9663。 因此可以采用反演光谱范围中的固定波长作为一组转动拉曼散射截面进行卷积计算, 降低计算量, 加快计算速度。 在本项研究中, 计算量减少为原计算量的 0.128%。 (3) 大气与 N2和 O2分子的转动拉曼散射截面信号的频谱特征相似, 可直接使用 N2 和 O2 分子的转动拉曼散射截面代替大气进行卷积运算。利用被动差分吸收光谱算法反演水体上方尤其是海洋上方的大气痕量气体浓度时, 水体的振动拉曼散射导致对太阳光谱中夫琅禾费线的填充。 若不考虑这种类似大气 Ring 效应的水 Ring 效应, 会直接影响反演精度。 参考 OMI 传感器对大气 Ring 效应校正的卷积算法, 针对痕量气体 OClO 的反演, 利用经过大气消光计算后的太阳360—400 nm 入射光谱和对应波段的水体后向振动拉曼散射系数, 通过卷积差分计算, 得到了差分水 Ring 效应系数。与 Vasilkov 模型计算得到的结果比较, 二者的相关系数 R 达到 0.9665。应用高光谱卫星遥感同步探测到的太阳光谱和地球反射光谱，分别使用单次散射模型计算大气Ring效应差分散射截面；利用主成分分析法，分离出受O3等痕量高光谱结构吸收气体影响的大气Ring效应差分散射截面。在此基础之上，建立模型估算应用于反演中真正所需的Ring效应系数。