曾招城研究员与合作者基于我国风云卫星实现首次自地球同步轨道监测大气一氧化碳浓度

近日，欧洲地球科学联合会（EGU）旗下领域专业期刊Atmospeheric Measurement Techniques以研究亮点文章(Highlight paper)发表了北京大学遥感所曾招城研究员联合国家卫星气象中心合作者的题为"Diurnal carbon monoxide observed from a geostationary infrared hyperspectral sounder: first result from GIIRS on board FengYun-4B"的研究文章。该研究基于我国风云四号业务星的红外高光谱观测和自主研发的高精度反演算法，首次自地球同步轨道实现了大气一氧化碳这一重要气体污染物浓度的日夜间连续监测。

基于地球同步轨道的大气成分遥感监测是当前大气遥感的新兴领域。我国的新一代地球同步轨道气象卫星风云四号所搭载红外大气垂直探测仪(GIIRS)是国际上第一个地球同步轨道的高光谱红外探测器，如图1所示。其热红外高光谱探测精度高，具有精确反演大气成分浓度的巨大潜力。同时，一氧化碳是一种重要的大气污染物，也是化石燃料燃烧和生物质燃烧导致的碳排放的有效示踪气体，可用于追踪定位碳排放源。利用热红外高光谱反演的一氧化碳浓度在监测城市工业生产和极端自然事件（如森林野火等）的排放估算等方面有广泛的应用。

基于GIIRS观测的红外高光谱，合作团队研发了FY-GeoAIR反演方法，首先基于辐射传输原理构建了高精度且快速的用于模拟卫星观测光谱的前向模式，其次利用最优化估计理论实现了基于红外高光谱的一氧化碳气体浓度反演。结果表明，GIIRS光谱数据为一氧化碳柱浓度的反演提供了0.8到1.5的信号自由度，其中在白天陆地区域多数观测超过一半的信号来自于3公里以内的低层大气，表明GIIRS可以有效地探测大气中一氧化碳柱浓度的变化，特别是准确地捕捉其排放的空间分布。虽然在夜间由于地表和低层大气温度差减小导致卫星观测对于低层大气变化的信号量不足，但是可以通过基于模型模拟和反演廓线数据及其垂直敏感性信息的数据同化方法，联合日间和夜间反演数据提升大气模式在模拟日夜间污染物浓度变化的精度。风云卫星提供的地球同步轨道卫星观测的一氧化碳浓度观测数据，对推进利用地球同步卫星遥感的大气污染防治和碳循环研究具有重要意义。

图1.左图展示了地球同步轨道卫星风云四号业务星(B星)所搭载红外大气垂直探测仪(GIIRS)的探测范围；右图展示了一氧化碳反演柱总量月平均结果(以2023年7月份北京时间12-13点观测周期的数据为例)。

本研究的反演数据及数据用户手册可以通过北京大学风云卫星大气成分数据平台(http://fengyun.pku.edu.cn/)浏览和下载。目前可共享数据包括2022年7月至2023年5月近一年的一氧化碳浓度反演数据（时间分辨率为2小时；空间分辨率为12公里）。下列动画展示了无云条件下的每两个小时变化的一氧化碳柱浓度时空变化（以2022年7月至9月的反演数据为例）：

曾招城研究员为论文第一和通讯作者，合作作者包括国家卫星气象中心的李路博士和漆成莉博士。该研究得到了国家自然科学基金面上和重大项目、国家重点研发计划项目和北京大学学科建设项目的大力支持。

本文来源：北京大学遥感所

转自：“生态遥感前沿”微信公众号

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