基于国产卫星紫外可见光谱仪的大气水汽总量观测
摘要
<p indent="0mm">大气水汽是地球水循环的重要组成部分, 对天气、气候和大气化学具有重要影响. 然而, 目前水汽监测在覆盖率和准确性方面仍存在不足. 搭载于“高分五号”卫星(GF-5卫星, 自2018年5月起)和“高光谱观测”卫星(GF-5B卫星, 自2021年9月起)上的2台大气痕量气体差分吸收光谱仪(Environmental Trace Gases Monitoring Instruments, EMI), 通过探测地球后向散射辐射, 实现全球大气痕量气体监测. 本研究利用EMI在可见蓝光波段的实测光谱反演全球大气水汽总量(Total Column Water Vapor, TCWV). 然而, 由于光谱信噪比相对较低且蓝光波段水汽吸收较弱, 准确反演EMI TCWV面临较大挑战. 为此, 本文基于差分吸收光谱技术(Differential Optical Absorption Spectroscopy, DOAS), 通过在轨光谱重标定、光谱拟合设置优化以及拟合偏差校正, 改进了基线参数与设置, 提出了适应性优化的EMI TCWV反演算法. 灵敏度测试表明, 经重定标后的EMI TCWV的平均误差降低了1.47kg m<sup>–2</sup>. 优化拟合设置后, 水汽斜柱浓度(Slant Column Density, SCD)的相对误差减少了13.42%, 拟合成功次数增加了11.64%. GF-5卫星与GF-5B卫星观测的EMI TCWV数据集与对流层监测仪(TROPOspheric Monitoring Instrument, TROPOMI)卫星观测的变化趋势一致, 相关系数(<italic>R</italic>)为0.98, 平均偏差为1.04kg m<sup>–2</sup>(6.88%). 地面验证结果显示, 太阳光度计观测与GF-5B TCWV的相关性(<italic>R</italic>=0.91)显著高于与GF-5 TCWV的相关性(<italic>R</italic>=0.87), 这可能与GF-5B卫星搭载的EMI仪器性能提升有关. 最后, 成功基于EMI TCWV数据集捕捉到强烈的大气河事件, 有望为全球天气和气候的监测与预报提供重要数据支持. 随着EMI及其后续卫星传感器的持续在轨工作, 优化的EMI TCWV反演算法具有广泛的应用前景, 有助于生成全球一致、稳定、每日2次(上午和下午)观测的TCWV卫星数据集.