全球卫星大气成分遥感探测应用进展及其展望

科技导报2015，33（17），周敏强2,3，王维和1，李晓静11.中国气象局国家卫星气象中心，北京1000812.中国科学院大气物理研究所，中国科学院中层大气与全球环境探测重点实验室，北京1000293.中国科学院大学，北京100049摘要摘要随着全球变化的加剧，科学家和各国政府对大气环境日益关注，尤其是大气中的化学成分，不仅影响区域的空气质量，而且对全球气候变化产生不可估量的影响。卫星遥感探测大气中的化学成分是近年来全球对地观测领域的一个新兴分支。本文阐述全球及中国在卫星大气成分遥感探测领域的发展，以及目前已经和正在开展的各类卫星大气成分探测进展，综述大气气溶胶、主要痕量气体、主要温室气体的卫星遥感探测国际和国内现状，以及掩星和临边探测大气成分垂直廓线的进展，展望未来全球在该领域的发展方向。关键词关键词卫星；大气成分；遥感探测中图分类号中图分类号P407文献标志码文献标志码Adoidoi10.3981/j.issn.1000-7857.2015.17.001Progressofglobalsatelliteremotesensingofatmosphericcompositionsandits'applicationsZHANGXingying1,ZHOUMinqiang2,3,WANGWeihe1,LIXiaojing11.NationalSatelliteMeteorologyCenter,ChinaMeteorologicalAdministration,Beijing100081,China2.KeyLaboratoryofMiddleAtmosphereandGlobalEnvironmentObservation,InstituteofAtmosphericPhysics,ChineseAcademyofSciences,Beijing100029,China3.UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,ChinaAbstractAbstractAlongwiththeglobalClimatechange,theairqualityhasattractedagreatattentionfromscientistsandgovernments,especially,theatmosphericcomponents,whichnotonlyhaveanimpactonthelocalenvironmentbutalsohaveapotentialfeedbackontheglobalclimatechange.Recently,thesatelliteremotesensing,asanew-technicaltoolfortheatmosphericscience,playsanimportantroleinmonitoringtheatmosphere.Here,thestatus,theprogressandtheprospectiveoftheinternationalanddomesticatmosphericsatellitesarereviewedindetail,mainlyfocusingontheaerosols,thetracegases,andthegreenhousegases.Inaddition,theprogressoftheoccultationandthelimbobservationsofspace-basedremotesensingisalsodiscussed.KeywordsKeywordssatellite;atmosphericcomponents;remotesensing收稿日期：2015-06-18；修回日期：2015-07-20基金项目：中国气象局公益性行业（气象）科研专项（GYHY201106045）；欧盟FP7框架国际合作项目（606719）；国家科技支撑计划项目（2014BAC16B01）；国家自然科学基金项目（40905056）；高分辨率对地观测系统重大专项气象应用示范项目（E310/1112）；高分辨率对地观测系统重大专项应用共性关键技术项目（Y20A-D23，Y20A-D31）；国家高技术研究发展计划（863计划）项目（2011AA12A104）作者简介：张兴赢，研究员，研究方向为卫星大气成分遥感及其应用，电子信箱：[e-mail]引用格式：张兴赢,周敏强,王维和,等.全球卫星大气成分遥感探测应用进展及其展望[J].科技导报,2015,33(17):13-22.随着现代化发展，人类活动造成的化石燃料燃烧、工业排放、土地类型改变使全球大气产生了巨大变化。卤素化合物的排放参与光解反应，导致极地臭氧洞的形成[1]；燃烧过程中产生的氮氧化物参与对流层光化学催化反应产生臭氧，形13科技导报2015，33（17）成光化学烟雾[2]；SO2和氮氧化物及CO2等酸性气体排放至空气中溶于水后形成酸雨，造成生物圈的破坏[3]；汽车尾气排放、城市建筑拆建、居民餐饮烹饪等向空气中排放各种类型的气溶胶，造成大气中颗粒物质量浓度增加，能见度降低，同时会引起的辐射强迫，影响地气系统的辐射平衡[4]；大量化石燃料的燃烧造成大气中CO2的含量急剧升高，CO2对地表红外辐射有很强的吸收作用，是主要的温室气体之一，其浓度的升高导致全球变暖、冰川融化、雪线抬升、海平面升高等一系列气候-环境问题[5]。20世纪80年代开始，大气痕量气体及气溶胶的研究已经成为地球环境科学的热点问题。获得长期稳定的大气成分数据对监测大气环境、预测全球变化至关重要。传统的地面观测虽然精度高，但单个站点的代表能力有限，并且在海洋、森林、极地上空站点稀疏，无法获得全球覆盖的观测数据。而卫星观测能够在保证观测精度的条件下，弥补传统观测的不足，获得实时全球大气成分数据[6]。卫星大气成分遥感观测是指搭载在卫星平台上的传感器通过接收电磁波，从观测到的光谱中提取大气成分含量、高度等物理信息，卫星观测数据具有全球覆盖、精度高、时间序列长等特点。20世纪70年代至今，已有大量的大气成分遥感卫星产品。本文综述目前全球在该领域取得的一些进展，以及目前正在努力开展的新的探测能力和探测目标。1全球卫星大气气溶胶探测进展大气气溶胶主要来自人为源和自然源，其中人为源包括城市工业排放、生物质燃烧、土地类型改变等；自然源包括扬沙、火山喷发、海表起浪等。气溶胶能吸收和散射太阳光，直接影响地气系统的辐射收支平衡，同时又可作为云凝结核参与云微物理过程，间接影响气候变化，气溶胶的辐射强迫存在很大的不确定性[7]。大气中的气溶胶变化剧烈，生命仅有几天，卫星观测能够获得全球气溶胶的分布和辐射特性。1.1国际进展1）早期的气溶胶卫星传感器。早期科学家利用AVHRR（advanceveryhighresolutionradiometer）进行气溶胶的卫星探测[8~10]，第一台AVHRR传感器于1978年搭载于TIROS-N卫星上，后续在NOAA-7（1981）、NOAA-15（1998）都搭载AVHRR传感器，它有4~6个波段，从可见波段到热红外波段，可以对地表和大气进行全天空观测。1978年发射的Nimbus-7卫星上搭载的臭氧观测仪TMOS，虽然它的主要任务是监测臭氧，但也具有气溶胶探测能力，Prospero等[11]利用TMOS的观测分析全球气溶胶分布，指出大气中沙尘气溶胶的来源。此外，McGill等[12]利用SAMII和SAGE卫星，开展了平流层气溶胶探测研究。2）MODIS。在卫星气溶胶的反演过程中，地表反射率具有很大影响，陆地上地表类型复杂，各种土地类型差异大，而海洋表面均一、反射率较小，因此，早期的研究主要针对海洋表面的气溶胶反演，无法获得全球的气溶胶分布[13~15]。随着光学技术的进步，美国航空航天局（NASA）于1999年和2002年分别发射的TERRA和AQUA卫星搭载了中分辨率成像光谱仪MODIS（moderate-resolutionimagingspectrometer）传感器，它具有36个通道，覆盖了紫外、可见、近红外、红外等通道，波长范围为0.4~14μm，为反演气溶胶和地表特征提供了丰富信息。MODIS的轨道高度为705km，采用±55°扫描方式，扫描幅宽为2330km，每1~2日即可覆盖全球一次。Kaufman等[16]针对MODIS传感器提出了陆地气溶胶光学厚度的暗地表反演算法，随后，Remer等[17]、Levy等[18]对MODIS的气溶胶算法进行了改进，大大提高了MODIS产品的精度。由于MODIS有许多分级产品可供用户免费下载，并且有十多年长时间序列数据，被国内外学者广泛使用[19,20]。3）MISR。MISR（multi-angleimagingspectroradiometer）多角度成像光谱仪搭载于TERRA卫星上。MISR通过9个角度探测大气，即0°角，前向和后向26.1°、45.6°、60.0°、70.5°共9个视角；探测446、558、672和866nm共4个光谱通道。也就是说4个光谱通道每个光谱都可获取9个方向的观测图像。但是，探测角度的增加带来轨道探测幅宽和重访周期的降低，MISR探测幅宽为360km，重访周期2~9d（不同纬度），每9日覆盖全球1次。MISR的多角度观测为地表与大气（气溶胶、云）信息分离解析提供了数据源。气溶胶参数反演中引入多角度观测信息，很好地解决了地表反射率参数未知问题，利用地表双向反射特性分离测量信号中地表和大气贡献，提高气溶胶参数反演精度。MISR气溶胶产品提供了沙漠、干旱地区、植被、海洋等多类下垫面背景下高质量气溶胶总量、类型信息，与地基太阳光度计反演的气溶胶光学厚度对比检验说明，MISR气溶胶光学厚度参数精度优于MODIS气溶胶产品精度[21]，但是，MISR因观测重访周期较低，在应用领域较少采用。4）POLDER。地球反射偏振测量仪（POLDER1）作为第一颗观测偏振探测器搭载在ADEOS-I上，于1996年发射上空，运行8个月后由于卫星太阳能电板问题停止工作。随后在2002年发射的ADEOS-II上搭载了POLDER2，运行8个月后卫星采集器出现故障。PARASOL上搭载了第3个POL⁃DER载荷于2004年成功上天，在A-Train计划轨道上运行，2009年12月PARASOL离开A-Train轨道，进入了原轨道之下3.9km的轨道，开始逐渐脱离A-Train轨道，为其后续星Glory让出位置。但Glory在2011年3月由于运载火箭故障，发射失败。偏振遥感是研究反演大气气溶胶及云微物理特征的有效手段，POLDER除了能够探测偏振信号外，还能对同一个目标进行多角度、多通道的观测，单个轨道内，对同一目标最多可进行16个不同角度的观测，因而能够获得更多的信息。Tanré等[22]利用POLDER/ADEOS-I资料研究了气溶胶细粒子的全球分布，发现细粒子气溶胶主要来自于生物质燃烧。Deuzé[23]利用POLDER/ADEOS-I资料分析了全球陆地和海洋上的气溶胶光学厚度分布，Angstrom指数分布，并与地基观测资料进行了对比验证，证明了POLDER气溶胶反演产品的可14科技导报2015，33（17）靠性。5）CALIPSO。传统的卫星被动传感器只能获得整层大气气溶胶物理特性，无法获得气溶胶廓线分布。2006年发射上空的云和气溶胶主动激光雷达CALIPSO卫星搭载了激光雷达（CALIOP）、三通道的热红外成像仪（IIR）和可见光成像仪（WFC），可以提供全球30m垂直分辨率的气溶胶廓线和光学厚度观测，有利于分析气溶胶的垂直输送、气溶胶的微物理特性等[24]。CALIPSO也是A-Train轨道上成员之一，轨道