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静止轨道卫星监测中国大气污染的探索

  大气对流层中的臭氧、二氧化硫、二氧化氮和甲醛等是重要的污染物,其浓度增加会严重危害人体健康。利用卫星传感器监测对流层大气污染物是研究其时空变化和控制污染排放的必要手段。最近一项研究探索了利用静止轨道卫星监测中国地区大气污染物的可行性。

  研究相关的论文题为:“基于静止轨道卫星监测中国大气污染物的模拟分析”,近期发表于《中国科学:地球科学》,由中国科学院大气物理研究所蔡兆男副研究员担任通讯作者,陈曦博士作为第一作者撰写。研究者根据模型模拟的静止轨道卫星观测,结合最优估计反演理论,基于各大气污染物的探测精度需求,提出了卫星传感器的关键指标参数的可行设计方案。

  监测对流层主要大气污染物的全球分布,通常利用低轨道卫星平台在紫外、可见光和热红外波段的观测光谱,反演污染物浓度。目前,美国、欧洲和中国均已发射可用于对流层污染物观测的极轨卫星。但低轨卫星由于较低的时空及垂直分辨率,限制了目标气体的观测精度,在空气质量监测和大气物理化学过程研究中存在一定局限。但静止轨道卫星可以始终“凝视”同一观测区域,从而提高观测信号强度和观测数据的时空分辨率。近年来,美国、韩国及欧州先后启动了利用静止轨道卫星监测对流层污染物的项目,计划在2018~2020年分别以北美、东亚和欧洲为目标区域发射静止卫星。而国内还未有针对中国地区的类似观测计划。

 

  IMAGE: 静止卫星观测区域内像元太阳天顶角和观测天顶角

  CREDIT: 《中国科学》杂志社

  该项研究以现有星载紫外-可见光光谱仪观测原理为基础,以中国及周边地区为目标区域,利用基于矢量辐射传输模式、仪器参数模型、地表参数和大气参数的正演模型,模拟静止轨道卫星光谱仪的观测光谱及观测误差。根据最优估计反演理论,讨论光谱仪的光谱分辨率、波段选择、信噪比等指标参数配置对对流层污染气体反演的敏感性和反演精度的影响。基于各目标气体反演精度需求,光谱仪的观测波段建议选为300~500 nm,光谱分辨率为0.6 nm,信噪比为1000。为评估选定的光谱仪参数能否满足观测需求,研究者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%。研究首次提出了针对中国大气污染物的可行静止轨道卫星观测方案和仪器参数指标。

  这一研究结果不仅补充了针对中国区域的静止卫星探测大气污染研究,而且为优化将来中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。

  延伸阅读:https://www.eurekalert.org/pub_releases_ml/2018-10/scp-6100818.php(胡晓梅选编)

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