风云气象卫星首幅！中国科学家获得大气中氨气浓度全球分布图
本文转自：中国新闻网
中新网北京11月22日电 (记者 孙自法)记者11月22日从中国科学院大气物理研究所获悉，该所碳中和研究中心周敏强副研究员与中国气象局张兴赢研究员等合作，基于最优估计理论研发出一套氨气浓度的反演算法，成功应用于“风云-3D”气象卫星的观测光谱，成功获得中国风云气象卫星首幅大气中氨气浓度的全球分布图，并与欧洲红外大气探测干涉仪卫星(IASI)的氨气观测结果进行比较，结果显示两者具有良好的一致性，验证了风云卫星氨气观测资料的可靠性。
2020年1月“风云-3D”气象卫星/红外高光谱大气探测仪(HIRAS)观测的全球白天氨气柱总量浓度分布图。中国科学院大气所 供图
中国科学家这项通过风云气象卫星监测全球大气氨气污染、助力全球大气环境遥感研究的重要科研进展，对于未来利用中国卫星发展实现对全球大气微量化学成分的高精度定量遥感监测具有指导意义，相关成果论文近日在专业学术期刊《大气科学进展》(Advances in Atmospheric Sciences，AAS)上线发表，并将以封面文章形式刊发于2024年第3期纸版杂志。
将刊发本项科研成果的《大气科学进展》2024年第3期封面。中国科学院大气所 供图
论文第一作者周敏强介绍说，氨气是地球大气中一种化学性质活泼的微量气体，它可与酸性气体快速反应，生成硫酸铵和硝酸铵等二次气溶胶，是雾霾期间大气细颗粒物PM2.5的主要污染成分。同时，铵盐气溶胶还会通过散射影响太阳辐射，从而破坏地球辐射收支平衡，引起地球气候变化，因此亟须实现对氨气的全球监测，然而以往的地基观测难以满足，尤其是极地、沙漠、海洋、森林等氨气数据长期属于空白状态。
氨气虽然在大气中含量很少，却是大气中最重要的碱性气体，在地球生物氮循环中扮演重要角色。研究表明，由氨气带来及其生成PM2.5造成的全球公共健康损失，估值每年高达数百亿美元。
氨气是雾霾期间大气细颗粒物PM2.5主要污染成分的示意图。中国科学院大气所 供图
论文通讯作者张兴赢表示，利用氨气红外波段的特征吸收光谱，可以通过遥感的手段进行氨气浓度探测。随着红外高光谱探测技术的发展，欧美相继发射多颗高光谱红外观测卫星，中国“风云3号”系列气象卫星从D星开始也搭载红外高光谱大气探测仪，为中国卫星实现氨气全球探测提供了可能。
在本项研究中，研究者基于最优估计理论研发出一套氨气柱浓度的全物理反演算法，结合“风云-3D”气象卫星红外大气探测干涉仪载荷的响应函数和观测光谱，通过分析氨气的红外吸收特性，成功获得风云气象卫星首幅大气氨气柱全球分布图。结果表明，“风云-3D”气象卫星红外大气探测干涉仪可以很好地捕捉全球氨气高值区，并在反演氨气时进行臭氧、二氧化碳、水汽、地表温度等干扰参数的同步反演。
“风云-3D”气象卫星太空运行示意图(左)及其载荷红外高光谱大气探测仪(HIRAS)。中国科学院大气所 供图
两位论文作者指出，这次研究建立的反演算法虽已论证中国风云气象卫星全球氨气观测的能力，但其当前在海洋上和高纬度地区存在反演精度低的问题，这主要是由于在海洋上氨气的浓度低，传感器捕捉到的氨气信号弱；在高纬度地区地表温度低，热对比度小，导致光谱噪声大。
为此，在未来计划方面，他们将进一步改进反演算法，引入神经网络算法弥补现有最优估计算法的不足，提升反演精度并提高海洋和高纬度地区的有效观测数据。同时，升级后的算法还将拓展应用于中国“风云-3E、3F”等气象卫星。
