近日，我校刘诚教授团队与中国科学院大气物理研究所合作，在大气污染物二氧化硫（SO2）的卫星遥感研究方面取得进展， 相关成果以“First sulfur dioxide observations from the environmental trace gases monitoring instrument (EMI) onboard the GeoFen-5 satellite”和《哨兵5号欧洲业务二氧化硫产品在中国的准确性评估》为题分别分表在科学通报的中英文版上。科学通报英文版Science Bulletin是中国科学出版的自然科学综合性学术刊物，历史悠久（建刊于1966年），其最新的影响因子为9.511。刘诚教授为论文第一作者和通讯作者。
我国目前用于大气污染观测的超高光谱卫星遥感高度依赖欧美国家的卫星载荷，在当前复杂的国际形势下存在被“卡脖子”的风险。例如，2017年11月欧洲空间局（ESA）发射了最新一代对流层大气监测仪（TROPOMI），可实现包括SO2在内的对流层大气成分高分辨率全球监测，然而美国宇航局（NASA）和ESA官方只提供SO2的二级产品，不提供基于卫星观测光谱反演二级产品的关键技术，使用者只能针对二级产品做二次开发应用，无法从源头上把握卫星观测的数据质量。因此，当其原始光谱出现辐射定标等错误时，即使使用其论文公开发表的算法，反演结果仍会出现巨大的误差，甚至导致反演失败。例如，由于TROPOMI光谱在波长小于312 nm处辐射定标存在明显偏差（偏差>11%），而该波段正是SO2的强吸收波段。因此通过与地面验证数据对比表明，由于无法使用312 nm以下波长反演，NASA/ESA官方TROPOMI SO2产品在我国的观测结果偏高了61%~140%，这与我国近年来SO2大幅减排的事实相悖。为修正NASA/ESA官方数据对我国SO2浓度的严重高估，刘诚教授团队研发了超高光谱载荷的在轨辐射定标算法，重新校正了TROPOMI载荷在312 nm波长以下的辐亮度，使得SO2光谱拟合残差从0.40%～0.92%降低到0.07%～0.14%，并在此基础上通过自主算法反演出了TROPOMI SO2结果。通过与12个月121组周平均的地基验证数据对比表明，自主反演结果的偏差相对于NASA/ESA TROPOMI官方产品降低了41%～123%，相关研究发表在《科学通报》（图1）。
为提升在大气环境卫星遥感领域的自主可控性和增强在全球环境治理中的话语权，我国于2018年成功发射了搭载于高分5号卫星上首个用于气态污染物监测的紫外-可见超高光谱载荷EMI（图2）。然而，由于EMI的关键部件遭到国际禁运，其仪器稳定性与光谱质量同国外最新同类载荷相比尚有一定差距，给我国的大气环境卫星遥感研究带来了极大的挑战。刘诚教授团队针对EMI信噪比低、同步太阳光谱缺失、光谱观测误差确实、光谱扭曲形变等难点，突破了载荷在轨光谱定标、自适应反演配置迭代、太阳参考谱重构等关键技术，研发了从原始超高光谱标定到SO2反演的全套算法，使得EMI的最终反演精度达到了与国外最新超高光谱卫星载荷相当的水平（图3）；对于人为源观测，EMI SO2产品与国外最新星载及地面观测结果均表现出良好的时空一致性（R>0.63），可用于污染源精准定位和排放清单更新。此外，EMI SO2反演结果还提供了火山羽流的高度，可用于火山源观测及其在气候变化和航空安全等方面的应用研究。
图1. 2018年6月~2019年5月, 4个站点的SO2周平均柱总量随时间的变化。黑色表示MAX-DOAS SO2数据, 红色表示TROPOMI中国科大SO2产品, 蓝色表示TROPOMI欧洲业务SO2产品. R和diff分别表示TROPOMI 和MAX-DOAS 观测结果的相关性和平均偏差(单位: DU). 虚线用于区分不同版本的TROPOMI欧洲业务SO2数据(版本号:01.01.00~01.01.07)
图2. EMI仪器载荷光学结构。
图3. 2018年11月～2020年3月，空间分辨率为0.2°×0.2°的平均SO2柱总量在中国和印度的分布。（a）EMI SO2产品。（b）TROPOMI SO2产品（仅选择与EMI相同的像元）。（c）TROPOMI SO2产品（TROPOMI全部像元）。
论文信息：
Xia Congzi, Liu Cheng, Cai Zhaonan, et al. First sulfur dioxide observations from the environmental trace gases monitoring instrument (EMI) onboard the GeoFen-5 satellite, Science Bulletin, in press, https://doi.org/10.1016/j.scib.2021.01.018
夏丛紫, 刘诚, 蔡兆男, 等. 哨兵5 号欧洲业务二氧化硫产品在中国的准确性评估. 科学通报, 2020, 65，DOI: https://doi.org/10.1360/TB-2019-0772