靜止軌道衛星監測中國大氣污染的探索

大氣對流層中的臭氧、二氧化硫、二氧化氮和甲醛等是重要的污染物，其濃度增加會嚴重危害人體健康。利用衛星傳感器監測對流層大氣污染物是研究其時空變化和控制污染排放的必要手段。最近一項研究探索了利用靜止軌道衛星監測中國地區大氣污染物的可行性。

《中國科學：地球科學》近期發表的論文“基於基於靜止軌道衛星監測中國大氣污染物的模擬分析”，根據模型模擬的靜止軌道衛星觀測，結合最優估計反演理論，基於各大氣污染物的探測精度需求，提出了衛星傳感器的關鍵指標參數的可行設計方案。

監測對流層主要大氣污染物的全球分佈，通常利用低軌道衛星平臺在紫外、可見光和熱紅外波段的觀測光譜，反演污染物濃度。目前，美國、歐洲和中國均已發射可用於對流層污染物觀測的極軌衛星。但低軌衛星由於較低的時空及垂直分辨率，限制了目標氣體的觀測精度，在空氣質量監測和大氣物理化學過程研究中存在一定侷限。但靜止軌道衛星可以始終“凝視”同一觀測區域，從而提高觀測信號強度和觀測數據的時空分辨率。近年來，美國、韓國及歐州先後啓動了利用靜止軌道衛星監測對流層污染物的項目，計劃在2018~2020年分別以北美、東亞和歐洲爲目標區域發射靜止衛星。而國內還未有針對中國地區的類似觀測計劃。

該項研究以現有星載紫外-可見光光譜儀觀測原理爲基礎，以中國及周邊地區爲目標區域，利用基於矢量輻射傳輸模式、儀器參數模型、地表參數和大氣參數的正演模型，模擬靜止軌道衛星光譜儀的觀測光譜及觀測誤差。根據最優估計反演理論，討論光譜儀的光譜分辨率、波段選擇、信噪比等指標參數配置對對流層污染氣體反演的敏感性和反演精度的影響。基於各目標氣體反演精度需求，光譜儀的觀測波段建議選爲300~500 nm，光譜分辨率爲0.6 nm，信噪比爲1000。爲評估選定的光譜儀參數能否滿足觀測需求，研究者利用大氣化學輸送模式模擬中國區域大氣成分的三維分佈, 進行模擬反演實驗。結果表明，針對各目標氣體，滿足反演需求的實驗數目均達到90%。研究首次提出了針對中國大氣污染物的可行靜止軌道衛星觀測方案和儀器參數指標。