基于机载/星载观测的大气污染气体整层总量的遥感算法与传感器特性实时模拟技术

In recent years, with the air pollution become more and more serious,the urgency of obtaining the atmospheric pollutant’s total amount over Chinese megacities is realized by the government.This project will develop an algorithm that can be used to retrieve the absolute total amount of atmospheric trace gases from both aircraft and satellite measurements. The characteristics of high resolution spectrum instrument will change randomly during the period of aircraft or satellite measurements, due to temperature and pressure changing, especially for instrument slit-function and wavelength shift. To improve measurement accuracy, this project will develop an algorithm that can simulate the variable instrument characteristic during aircraft or satellite observation, and validate it with actual lab measurements. The optical remote sensing technique based on this project developed algorithm can be used for large-scale (space-borne) measurement of polluted regions of China, improving the spatial limitation of ground-based measurements. The result of pollutant total amount distribution can be used to locate the sources of pollution and provide an important basis for determining control policies.

近年来，随着我国大气污染问题日益严峻，获取我国重点区域以及重点城市的大气污染物排放总量的必要性与迫切性越来越被政府所重视。 本项目研发了一种不仅可以应用于星载观测也可以应用于机载观测，获取从天顶到近地面污染气体总量的遥感反演算法。星载和机载的观测仪器上天后，由于气压温度等因素会发生不同程度的衰减变化，导致在地面实验室测出的狭缝函数，光谱漂移等关键参数不再适用。而对高光谱仪器进行正确的校正与标定，是准确获取污染气体含量分布的前提，为了提高大气污染气体的遥感反演精度，本项目研发了一种可以模拟机载/星载传感器实时变化的算法模型，并将模拟结果与地面实验室观测结果进行比较验证。以此方法为基础的光学遥感技术可以应用于中国京津冀、长三角、珠三角等重污染地区污染的大范围遥感监测，改变目前以地面观测为主的范围局限性，并且提高遥感结果的精确度。这些总量分布数据能为污染源的确定及治理政策的制定提供重要依据。

鉴于目前我国在轨运行的观测卫星不具备有探测大气层各种污染气体成分含量的能力的情况下，主要利用国外卫星与飞机观测的数据开展大气成分(对O3、NO2、HCHO等污染气体)的综合反演技术研究；同时从我国高分5卫星，以及高分机载遥感载荷的需求和性能指标出发，提出业务化应用最需要解决的地面应用软件方案，研发业务化运行的地面应用软件。并通过与我国地基网观测结果进行比较验证，改进算法，提高结果的准确性与真实性。项目完成了高光谱卫星仪器校正与标定；通过算法研发实现探测器性噪比特性及异常像元识别及在反演过程中成功提取目标痕量气体总量与大气Ring效应的去除；同时完成可应用于地基和机载观测的大气污染气体绝对总量反演算法的研发，上述算法结果与地基观测，化学模型模拟结果进行了对比验证，完成了对算法的改进工作，其中卫星观测结果与地基观测的NO2结果的相关性达到0.95；此外，大气辐射传输模型是反演中很重要的一环，项目实施过程中采用辐射模型VLIDORT计算研究不同探测器姿态下的AMF，研究了AMF对波段、姿态、地面反照率、气溶胶等的灵敏性，考虑到无论是平流层还是对流层气体，云都是影响痕量气体反演精度的重要因素，对辐射传输的模型的构建影响很大，因此在痕量气体反演中需要对云的影响进行校正，通过VLIDORT辐射传输模型建立了有效云量和云压的查找表，该研究对今后卫星结果的使用和推广具有重要的意义。