基于国产卫星紫外可见光谱仪的大气水汽总量观测

作     者：赵冉 张成歆 苏文静 叶进 李紫薇 刘诚 

作者机构：中国科学技术大学环境科学与光电技术学院 中国科学技术大学精密机械与精密仪器系 中国科学技术大学环境科学与工程系 中国科学院安徽光学精密机械研究所 中国科学技术大学精密科学仪器安徽普通高校重点实验室 

出 版 物：《中国科学:地球科学》 (Scientia Sinica(Terrae))

年 卷 期：2024年

核心收录：

学科分类：07[理学] 070601[理学-气象学] 0706[理学-大气科学] 

基　　金：国家自然科学基金项目(42225504、42375120和62305322) 国家重点研发计划项目(2022YFC3700100) 高分辨率地球观测系统重大项目(30-Y60B01-9003-22/23) 中央高校基本科研业务费专项项目(YD2090002021、WK2090000038)资助 

主　　题：水汽 紫外-可见光学传感器 痕量气体 遥感 大气成分 

摘      要：大气水汽是地球水循环的重要组成部分,对天气、气候和大气化学具有重要影响.然而,目前水汽监测在覆盖率和准确性方面仍存在不足.搭载于“高分五号卫星(GF-5卫星,自2018年5月起)和“高光谱观测卫星(GF-5B卫星,自2021年9月起)上的2台大气痕量气体差分吸收光谱仪(Environmental Trace Gases Monitoring Instruments,EMI),通过探测地球后向散射辐射,实现全球大气痕量气体监测.本研究利用EMI在可见蓝光波段的实测光谱反演全球大气水汽总量(Total Column Water Vapor, TCWV).然而,由于光谱信噪比相对较低且蓝光波段水汽吸收较弱,准确反演EMI TCWV面临较大挑战.为此,本文基于差分吸收光谱技术(Differential Optical Absorption Spectroscopy, DOAS),通过在轨光谱重标定、光谱拟合设置优化以及拟合偏差校正,改进了基线参数与设置,提出了适应性优化的EMI TCWV反演算法.灵敏度测试表明,经重定标后的EMI TCWV的平均误差降低了1.47kg m–2.优化拟合设置后,水汽斜柱浓度(Slant Column Density, SCD)的相对误差减少了13.42%,拟合成功次数增加了11.64%.GF-5卫星与GF-5B卫星观测的EMI TCWV数据集与对流层监测仪(TROPOspheric Monitoring Instrument, TROPOMI)卫星观测的变化趋势一致,相关系数(R)为0.98,平均偏差为1.04kg m–2(6.88%).地面验证结果显示,太阳光度计观测与GF-5B TCWV的相关性(R=0.91)显著高于与GF-5 TCWV的相关性(R=0.87),这可能与GF-5B卫星搭载的EMI仪器性能提升有关.最后,成功基于EMI TCWV数据集捕捉到强烈的大气河事件,有望为全球天气和气候的监测与预报提供重要数据支持.随着EMI及其后续卫星传感器的持续在轨工作,优化的EMI TCWV反演算法具有广泛的应用前景,有助于生成全球一致、稳定、每日2次(上午和下午)观测的TCWV卫星数据集.