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Inversion of O_(2) 1.27 μm nightglow emissions: A climatological analysis using satellite Limb-Viewed spectra and Harmonic analysis method

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Earth and Planetary Physics 2024年第4期8卷 632-640页

作者： YiYi Sui YaJun Zhu QiuYu Chen MaoSheng He JiYao Xu State Key Laboratory of Space Weather National Space Science CenterChinese Academy of SciencesBeijing 100190China University of Chinese Academy of Sciences Beijing 100190China Key Laboratory of Solar Activity and Space Weather National Space Science CenterChinese Academy of SciencesBeijing 100190China Hainan National Field Science Observation and Research Observatory for Space Weather National Space Science CenterChinese Academy of SciencesBeijing 100190China

This study employs a linear inversion algorithm to retrieve volume emission rates(VERs)of molecular O_(2) nightglow at 1.27μm,utilizing Limb-Viewed spectra obtained from the SCanning Imaging Absorption spectroMeter for Atmospheric for CHartographY(sciamachy)payload on board the Envisat satellite.The retrieved results are compared with VERs data from the SABER payload on the Thermosphere Ionosphere Mesosphere Energetics and Dynamics(TIMED)satellite,exhibiting consistency.This will help to facilitate accurate revelation of spatial distribution and periodic variation in O_(2) nightglow.VERs are extracted monthly within the altitude range of 75-110 km from 2002 to 2012,yielding a climatology of spatial and temporal distributions.The meridional structure exhibits two maxima,at the equator and at 45°N.Between August and October,the VERs exhibit a meridional bimodal structure,with the weaker one above the equator and the stronger one above 45°N.In April,the VERs reach their annual maximum.Additionally,harmonic analysis reveals significant temporal variations on different scales.The emission shows characteristics of annual and semi-annual variation,and a non-linear long-term trend associated with solar cycle activity.

关键词： VERs O_(2)1.27μm nightglow sciamachy

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Validation of atmospheric chemistry measurements from MIPAS,sciamachy,GOMOS onboard ENVISAT by observations of balloon-borne MIPAS-B

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Science China Earth Sciences 2010年第10期53卷 1533-1541页

作者： WETZEL G OELHAF H FRIEDL-VALLON F KLEINERT A LENGEL A MAUCHER G NORDMEYER H GRUNOW K FISCHER H Institute for Meteorology and Climate Research(IMK) Karlsruhe Institute of Technology(KIT) Senate Department for Health Environment and Consumer Protection

In order to validate the atmospheric chemistry measurements by MIPAS,sciamachy,and GOMOS onboard the ENVISAT,three flights of the balloon-borne Michelson Interferometer for Passive Sounding(MIPAS-B) were carried out in 2002 and 2003 at Aire sur l'Adour(France 44°N,0°E) and Esrange,Kiruna(Sweden 68°N,21°E).The validation campaign activities are summarized in this paper.The MIPAS-B instrument and its data processing procedure as well as the validation approaches are discussed in detail.The satellite and balloon measurements are matched with high coincidence in time and space,allowing a coincident approach to be applied for their comparisons.Further,a trajectory model is used to confirm and enhance the statistical significance of the validation.The validation results show that MIPAS measurements of accuracy for temperature,H2O,O3,HNO3,CH4,N2O,and NO2 are good in the altitude range of 8-39 km(No2,22-39 km).And the precision is good between the altitudes of 15-33 km(No2,22-23 km).However,some exceptions were also found for temperature,H2O,HNO3,and NO2.The sciamachy data of accuracy for O3 and NO2 are within expectations between the altitudes 9-38 km except for O3 in 28-38 km.The GOMOS data about O3 and NO2 are promising according to the preliminary comparison results.

关键词： validation ENVISAT MIPAS sciamachy GOMOS MIPAS-B

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针对sciamachy探测器问题的CO柱浓度反演算法改进与地基验证

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地球物理学报 2013年第3期56卷 758-769页

作者：刘诚白文广张兴赢张鹏中国气象局国家卫星气象中心北京100081

搭载于ENVISAT卫星上的sciamachy是目前唯一采用近红外波段观测大气温室气体(CO2,CH4,CO)的高光谱传感器.与其它热红外卫星传感器如AIRS、MOPITT、IASI等相比,sciamachy用于CO探测的近红外波段对与人类活动密切相关的底层大气具有更高... 详细信息

搭载于ENVISAT卫星上的sciamachy是目前唯一采用近红外波段观测大气温室气体(CO2,CH4,CO)的高光谱传感器.与其它热红外卫星传感器如AIRS、MOPITT、IASI等相比,sciamachy用于CO探测的近红外波段对与人类活动密切相关的底层大气具有更高的敏感性.但无论从光谱角度(该波段CO吸收强度较弱,且存在很强的CH4和H2O重叠吸收),还是从sciamachy仪器问题的角度(近红外波段探测器容易出现结冰现象),都给CO反演带来很大的挑战.由于探测器结冰问题造成SCIMACHY CO反演误差高达100%,并且该误差随时间和空间而变化.多个研究机构发展了各种不同的算法用于该误差的校正,但校正结果的时间一致性较差.本文基于IMAP-DOAS的CO反演算法,发展了一种针对sciamachy探测器结冰问题的新校正算法,校正后的CO柱浓度反演误差以及时间一致性都比较理想,并与不同地基FTIR观测结果进行了对比,对比结果表明该校正算法的CO反演结果与地基观测一致性较好,相对偏差由校正前的60%减小到了5%,能够准确地获得CO的时空变化信息.经过校正后的CO柱浓度结果不仅可以用于准确获得CO排放源与汇的时空分布信息,还可以为政府部门制定碳减排相关政策提供重要参考,有效控制全球温室效应.

关键词：一氧化碳 IMAP-DOAS sciamachy FTIR

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Towards a combined SAGE Ⅱ and sciamachy aerosol dataset and implications for stratospheric aerosol trend analysis over East Asia

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Atmospheric and Oceanic Science Letters 2017年第5期10卷 343-347页

作者： YANG Jing-Mei Key Laboratory of Middle Atmosphere and Global Environment Observation (LAGEO) Institute of Atmospheric Physics Chinese Academy ofSciences Beijing China

利用sciamachy临边探测资料反演出平流层气溶胶消光系数廓线。将2003–2004年sciamachy气溶胶反演结果同SAGE Ⅱ探测结果进行对比,结果表明在15–35 km高度范围,反演结果在20–30°N和30–40°N范围平均相对偏差小于20%,在40–50°N范... 详细信息

利用sciamachy临边探测资料反演出平流层气溶胶消光系数廓线。将2003–2004年sciamachy气溶胶反演结果同SAGE Ⅱ探测结果进行对比,结果表明在15–35 km高度范围,反演结果在20–30°N和30–40°N范围平均相对偏差小于20%,在40–50°N范围小于25%。计算出的平流层气溶胶光学厚度与SAGE Ⅱ探测结果的相对偏差在3个纬度范围均小于6%。将sciamachy反演结果与SAGE Ⅱ探测资料相结合,构建平流层气溶胶长期探测资料。根据这些资料,分析东亚(20–50°N,70–150°E)平流层气溶胶变化趋势。结果表明东亚平流层气溶胶在2000–2010年期间呈现显著增加趋势。平流层气溶胶光学厚度在这11年期间平均每年增加5%。中等强度火山爆发对平流层气溶胶增加有显著影响。

关键词：气溶胶平流层趋势 sciamachy SAGE Ⅱ

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利用sciamachy遥感资料研究我国NO_2柱浓度及其时空分布

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环境科学研究 2012年第4期25卷 419-424页

作者：姚凌吕宁师华定中国科学研究院地理科学与资源研究所资源与环境信息系统国家重点实验室北京100101 中国科学院研究生院北京100049 中国环境科学研究院北京100012

利用sciamachy/ENVISAT 2003—2009年月均观测数据,结合1∶4 000 000行政区划图,得到了近7 a来我国城市级别NO2柱浓度的时空分布和变化趋势,并采用Seasonal Mann-Kendall非参数检验方法对各城市的变化趋势进行了显著性分析.结果表明:我... 详细信息

利用sciamachy/ENVISAT 2003—2009年月均观测数据,结合1∶4 000 000行政区划图,得到了近7 a来我国城市级别NO2柱浓度的时空分布和变化趋势,并采用Seasonal Mann-Kendall非参数检验方法对各城市的变化趋势进行了显著性分析.结果表明:我国NO2分布东高西低,NO2柱浓度高值区主要分布在京津冀及环渤海区域、长江三角洲北部及广东省等地区.近7 a来我国北部和中部地区的NO2增长趋势显著,NO2柱浓度平均值最高和增速最快的前20个城市主要分布在江苏、山东和安徽等省的二级城市郊县和小城市.与统计年鉴工业废气排放数据的比较表明,工业废气排放与NO2柱浓度及其时空分布具有较好的一致性.这种新的NO2污染格局应该引起重视并采取有针对性的污染监管措施.

关键词： NO2 柱浓度 sciamachy 趋势分析

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基于sciamachy反演数据的全球CO_2浓度时空变化特征研究

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气候变化研究进展 2017年第2期13卷 95-102页

作者：赵明伟李晨晨张兴赢王春江岭孙京禄滁州学院安徽地理信息集成应用协同创新中心滁州239000 中国气象局国家卫星气象中心北京100081 安徽省经济研究院合肥230051

通过卫星观测光谱反演计算是当前观测全球CO_2浓度水平,分析其变化趋势的重要手段,但是由于观测条件及反演方法的限制,基于卫星观测光谱反演计算只能得到离散的CO_2浓度数据,需要借助空间插值方法才能获得空间连续的CO_2浓度数据。本文... 详细信息

通过卫星观测光谱反演计算是当前观测全球CO_2浓度水平,分析其变化趋势的重要手段,但是由于观测条件及反演方法的限制,基于卫星观测光谱反演计算只能得到离散的CO_2浓度数据,需要借助空间插值方法才能获得空间连续的CO_2浓度数据。本文以sciamachy研究团队发布的XCO_2浓度数据为基础数据,首先对比分析了空间分析中常用的3种经典插值方法(反距离加权法,克里格法,样条函数法)在XCO_2空间内插中的精度,综合分析平均绝对值误差、绝对值误差最大值和均方根误差3个指标,结果表明反距离加权插值法为最优内插方法。基于该方法生成2003年1月—2012年4月共计112个月的全球大陆XCO_2浓度分布数据集,并对全球大陆范围内XCO_2浓度的时空变化特征进行分析,发现在此时段内全球各个大陆XCO_2均表现出增加的趋势;在全球大陆平均水平上,XCO_2浓度增加幅度为17.43×10^(-6),XCO_2年平均值增加速率约为2×10^(-6),总体上呈现北半球增加速率高于南半球的特点。

关键词： sciamachy XCO2 空间插值时空分析

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基于多源卫星遥感数据的中国2003年—2018年CO_(2)时空变化研究

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遥感学报 2022年第12期26卷 2486-2496页

作者：肖钟湧陈颖锋林晓凤刘珊红谢静晗谢先全集美大学港口与海岸工程学院厦门361021 集美大学地理国情监测研究中心厦门361021

本研究利用大气制图扫描成像吸收仪sciamachy(Scanning Imaging Absorption Spectrometer for Atmospheric Chartography)和傅里叶变换光谱仪FTS(Fourier Transformation Spectrometer)卫星遥感传感器反演的CO_(2)产品,结合瓦里关地面站点观测的CO_(2)浓度数据进行验证,并对遥感数据进行校正,最后分析了2003年—2018年中国CO_(2)时空变化特征及其影响因素。结果表明,中国区域CO_(2)柱浓度呈近12个月周期变化且持续上升的趋势。2003年CO_(2)柱浓度年均值为374.4 ppm,2018年CO_(2)柱浓度年均值为413.7 ppm,16年间增加了39.3 ppm,约为10.51%,年均增长率为0.59%。中国区域大气CO_(2)柱浓度的月变化存在明显的时空差异,月变化呈现弦曲线变化,最小值和最大值分别出现在8和4月,2018年月平均大约分别为407.7 ppm和416.3 ppm。CO_(2)柱浓度的高值区主要出现在东部的亚热带和温带地区,2018年年平均最大可达417.9 ppm;最低值是在内蒙古北部,2018年平均约为409.5 ppm。从省级行政单元来看,2018年平均CO_(2)柱浓度最高和最低的省份是浙江省和青海省,分别约为417.8 ppm和412.1 ppm。中国2003年—2018年CO_(2)柱浓度在整个区域出现较大的增长,但是增长率在空间上存在明显的异质性。在空间上,2018年比2003年增长的数值在31.0—45.4 ppm之间,增长的百分比范围在8.9%—12.2%之间,增长较大的区域在高值区,最大增长出现在辽宁和吉林的交界处,约为12.2%;增长较小的区域出现在中国中部,最低的增长约为8.9%。

关键词： sciamachy GOSAT CO_(2)柱浓度遥感变异系数

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利用sciamachy/ENVISAT资料开展中国区域NO2反演研究

利用SCIAMACHY/ENVISAT资料开展中国区域NO2反演研究

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作者：齐瑾中国气象科学研究院

学位级别：硕士

二氧化氮是大气中一种重要的痕量气体,分布在平流层和对流层。二氧化氮在平流层和对流层化学中均发挥着重要作用。在平流层,它参与臭氧的生消和活性卤素氧化物的转化。在对流层,它是一个非常重要的臭氧前体物并可导致局地辐射强迫。同时... 详细信息

二氧化氮是大气中一种重要的痕量气体,分布在平流层和对流层。二氧化氮在平流层和对流层化学中均发挥着重要作用。在平流层,它参与臭氧的生消和活性卤素氧化物的转化。在对流层,它是一个非常重要的臭氧前体物并可导致局地辐射强迫。同时,它还具有强烈的腐蚀性,大量吸入会对人体健康造成影响。平流层NO2浓度虽高,但其含量相对稳定,对流层浓度虽低,却受人类活动影响变动较大。因此,NO2浓度变化研究是目前的一个热点研究方向。利用卫星遥感手段监测全球尺度大气成分的变化是国际上正在大力发展的一个方向,自上世纪九十年代之后,涉及卫星大气化学观测的计划就超过20项之多。例如,目前欧洲卫星ENVISAT、美国卫星AURA均是专门从事大气化学遥感的卫星平台。通过星上搭载的多种高光谱分辨率大气成分探测仪的观测,欧美科学家已经获得了长时间序列的全球NO2时空分布情况。目前,发展星载的高光谱大气成分探测仪也是我国对地观测卫星正在发展的一个方向,但我国无论在仪器研制,还是反演算法研发和定量遥感数据应用方面均处于起步阶段。鉴于此,本论文对美国和欧洲当前的高光谱大气成分探测仪器、二氧化氮的卫星定量遥感方法、高光谱分辨率的大气辐射传输模式及其模拟计算方法进行了深入的调研,并系统了解了欧洲最先进的星载高光谱大气成分探测仪sciamachy/ENVISAT的观测方式、资料预处理方法和资料格式、系统了解和学习了紫外-可见光波段高光谱分辨率的、能同时精确处理散射和吸收过程的大气辐射传输模式SCIATRAN以及目前广泛应用的痕量气体反演方法DOAS。在上述工作的基础上,主要进行了二氧化氮的正演敏感性分析、反演算法研究和定量产品的验证三方面的工作。在二氧化氮的正演敏感性分析方面,本论文选用了一种国际上最新的高光谱分辨率大气辐射传输模型SCIATRAN,深入模拟和分析了大气气溶胶、地表反照率和目标气体浓度变化对sciamachy仪器观测光谱中二氧化氮吸收波段（425-450 nm）的影响。通过DOAS方法,对反射光谱进行差分光谱处理,剔除了反射光谱中气溶胶和地表反照率引起的慢变光谱变化,重点对DOAS处理之后,气溶胶和地表反照率在二氧化氮吸收光谱中的剩余误差进行了讨论。结果显示:三个参量对差分处理前后的吸收光谱具有不同程度的影响。差分处理前,地表反照率影响最大,其次是大气气溶胶,目标气体成分的影响最小;而差分处理后,目标气体成分的影响最大,其次是地表反照率,气溶胶的影响最小。结果还表明,通过DOAS方法处理,差分吸收光谱中仍然残留有地表反照率和大气气溶胶的误差,因此从卫星观测的太阳反射光谱反演大气成分的垂直气柱总量需要对地表反照率和大气气溶胶进行二次精细化的订正。反演算法研究方面,本文在NO2拟合波段425– 450 nm,综合考虑NO2、O3、O4、H2O和Ring效应的吸收特性以及分子和气溶胶的散射特性,基于DOAS方法,利用最小二乘拟合得到倾斜柱总量,通过经验公式计算大气质量因子,进而得到NO2垂直柱总量。利用通过国际合作“龙计划”所获得的2004年4月、7月和10月的sciamachy L1b数据反演得到中国区域NO2垂直柱总量月平均分布图。3个月的反演结果分布图在大值区的空间分布上具有很好的一致性。此外,分别将NO2倾斜柱总量和垂直柱总量的反演结果与欧洲二级产品进行比较验证,表明:反演的NO2倾斜柱总量和垂直柱总量在空间分布上与欧洲二级产品有很好的对应。在数值上,NO2倾斜柱总量相对偏差较小,且呈纬度带分布,由南至北,偏差逐渐减小,而中纬度地区受青藏高原影响,偏差较大,这主要是由DOAS拟合中所选用的NO2吸收截面温度与实际大气的偏差引起的。NO2垂直柱总量的相对偏差较大,且在NO2大值区以及低纬大陆的负偏差较大。这主要是由于垂直柱总量的偏差是由倾斜柱总量和大气质量因子的偏差两部分组成。而本文中的大气质量因子是由经验公式计算得到的,没有考虑吸收和散射的效应,因此,在NO2浓度、水汽含量或者是气溶胶含量较大的区域出现较大的偏差。由比较结果可知,在NO2垂直柱总量的反演中,吸收截面的温度以及大气质量因子的模拟计算都会导致较大的误差,需要再精确订正。在定量产品的验证方面,本文反演所用的sciamachy L1b数据仅有3个月,且不连续。因此,论文选用了欧洲发布的2000年1月至2006年10月北京地区的二级产品与北京市环保局公布的地面观测数据进行趋势比对。结果显示二者具有很好的一致性。本论文的研究成果为今后发展中国的星载大气成分探测仪器、开展大气二氧化氮的反演算法研究及其定量产品的遥感应用方面打下良好的工作基础。

关键词： NO2 DOAS sciamachy 敏感性试验地面验证

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A statistical model to predict total column ozone in Peninsular Malaysia

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Frontiers of Earth Science 2016年第1期10卷 63-73页

作者： K. C. TAN H. S. LIM M. Z. MAT JAFRI School of Physics Universiti Sains Malaysia Penang 11800 Malaysia

This study aims to predict monthly columnar ozone in Peninsular Malaysia based on concentrations of several atmospheric gases. Data pertaining to five atmo- spheric gases （CO2, 03, CH4, NO2, and H2O vapor） were retrieved by satellite scanning imaging absorption spectro- metry for atmospheric chartography from 2003 to 2008 and used to develop a model to predict columnar ozone in Peninsular Malaysia. Analyses of the northeast monsoon （NEM） and the southwest monsoon （SWM） seasons were conducted separately. Based on the Pearson correlation matrices, columnar ozone was negatively correlated with HzO vapor but positively correlated with COz and NO2 during both the NEM and SWM seasons from 2003 to 2008. This result was expected because NO/is a precursor of ozone. Therefore, an increase in columnar ozone concentration is associated with an increase in NO2 but a decrease in H/O vapor. In the NEM season, columnar ozone was negatively correlated with H20 （-0.847）, NO2 （0.754）, and CO2 （0.477）; columnar ozone was also negatively but weakly correlated with CH4 （-0.035）. In the SWM season, columnar ozone was highly positively correlated with NO2 （0.855）, CO2 （0.572）, and CH4（0.321） and also highly negatively correlated with H2O（-0.832）. Both multiple regression and principal component analyses were used to predict the columnar ozone value in Peninsular Malaysia. We obtained the best-fitting regression equations for the columnar ozone data using four independent variables. Our results show approxi- mately the same R value （≈0.83） for both the NEM and SWM seasons.

关键词： ozone sciamachy principal componentanalysis Peninsular Malaysia

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基于sciamachy卫星数据的中国对流层SO_2时空分布研究

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安徽农业科学 2013年第32期41卷 12647-12650页

作者：徐晓华徐光来安徽师范大学国土资源与旅游学院安徽芜湖241002

利用2004年1月-2009年10月的sciamachy卫星对流层S02垂直柱浓度数据产品，选取了4个典型的SO2浓度高值区，从空间分布、年际变化、季节变化、奥运会前后变化几个方面，对我国对流层SO2的时空分布及变化趋势进行了分析，并分析了造成这... 详细信息

利用2004年1月-2009年10月的sciamachy卫星对流层S02垂直柱浓度数据产品，选取了4个典型的SO2浓度高值区，从空间分布、年际变化、季节变化、奥运会前后变化几个方面，对我国对流层SO2的时空分布及变化趋势进行了分析，并分析了造成这种分布特征的可能原因。结果表明，我国对流层大气中SO2的分布及变化主要受人类活动的影响，这种影响使得我国SO：的时空分布具有明显的地域性、季节性特征，且显著受到人类硫排放控制措施的影响。

关键词：中国 sciamachy SO2垂直柱浓度时空分布北京奥运会

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