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      科研攻關深挖掘風云衛星長技能
      ——首幅氨氣濃度全球分布圖發布

      發布時間:2023年12月06日 來源:中國氣象報社

      日前,我國科研人員通過挖掘分析風云氣象極軌衛星上搭載的紅外高光譜大氣探測儀(HIRAS/FY-3D)觀測光譜的特點,探索建立了一套適用于風云衛星氨氣柱濃度的全物理反演算法,并成功獲得風云氣象衛星首幅大氣氨氣柱全球分布圖。

      2020年1月FY-3D/HIRAS衛星觀測的全球白天NH3柱總量濃度分布圖?研究團隊供圖

      記者了解到,由中國科學院大氣物理研究所副研究員周敏強和中國氣象局研究員張興贏合作攻關,建立的適用于風云衛星氨氣柱濃度的全物理反演算法,在反演氨氣時可進行臭氧、二氧化碳、水汽、地表溫度等干擾參數的同步反演。研究發現,紅外高光譜大氣探測儀可以很好地捕捉全球氨氣高值區,例如印度、西非等存在大量氨氣排放的地區,可獲得風云氣象衛星大氣氨氣柱分布圖。

      森林作物的釋放、車輛尾氣的排放、化石燃料的燃燒……這些在我們日常生活中司空見慣的場景,其實都會悄無聲息地產生氨氣。別看氨氣在大氣中含量很少,卻是大氣中最重要的堿性氣體,在地球生物氮循環中扮演重要角色。它可與酸性氣體快速反應,生成硫酸銨和硝酸銨等二次氣溶膠,是霧-霾期間大氣細顆粒物PM2.5的主要污染成分。銨鹽氣溶膠還會通過散射影響太陽輻射,從而破壞地球輻射收支平衡,引起地球氣候變化,因此亟需實現對氨氣的全球監測。

      然而,傳統的氨氣濃度獲取主要依賴于地面原位觀測,很難滿足氨氣高空間分布的要求,尤其是極地、沙漠、海洋、森林等地的數據獲取困難。

      近年來,歐美相繼發射了多顆搭載有高光譜紅外觀測儀器(如IASI,CrIS)的衛星,國外的科研團隊根據歐美衛星研發的相關算法已經實現氨氣濃度全球觀測。我國自主研制的風云三號系列氣象極軌衛星(FY3)從其第四顆星開始(風云三號D星、E星、F星)也搭載了紅外高光譜大氣探測儀,為國產衛星實現氨氣全球探測提供了可能。

      為了論證風云衛星氨氣觀測資料的可靠性,他們將HIRAS/FY-3D觀測結果與歐洲Metop-B衛星上搭載的IASI衛星的氨氣反演結果進行比對,并獲得了較好的一致性(R:0.28-0.73),兩者相差在其反演誤差范圍內。該研究首次實現國產風云極軌衛星氨氣濃度全球探測,證明了風云氣象衛星已經具備了熱紅外高光譜定量探測全球氨氣濃度的能力,對于未來利用國產衛星發展實現對全球微量大氣化學成分的高精度定量遙感監測具有重要指導意義。

      “這次研究建立的反演算法雖已論證中國風云氣象極軌衛星全球氨氣定量遙感觀測的能力,但在海洋上和高緯度地區反演精度仍較低。這主要由于在海洋上氨氣的濃度低,傳感器捕捉到的氨氣信號弱;而在高緯度地區地表溫度低,熱對比度小,導致光譜噪聲大?!敝苊魪娊忉尩?。

      未來,研究團隊將進一步改進反演算法,引入神經網絡算法,提升反演精度、提高海洋和高緯度地區的有效觀測數據,并將升級后的算法拓展應用于風云三號E星、F星等衛星。

      (作者:林禹彤?責任編輯:張林)

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