利用差分吸收光谱技术（DOAS）反演了我国第二代星载大气痕量气体差分吸收光谱仪（EMI-Ⅱ）的SO₂斜柱浓度（SCD），并通过辐射传输模型SCIATRAN建立了SO₂大气质量因子（AMF）的查找表，经去条带处理后获得SO₂的垂直柱浓度（VCD）。以2021年10月底拉帕尔马岛火山区域为研究对象，基于EMI-Ⅱ数据反演的SO₂ VCD与国外同类型载荷TROPOMI的结果一致，相关性系数R分别为0.89、0.90、0.92。此外，还将汤加海底火山的SO₂反演结果与TROPOMI的监测数据进行对比，结果表明，EMI-Ⅱ观测结果与TROPOMI一致，都观测到此次SO₂羽流的自东向西的传输过程。结合风场数据，计算了2022年1月14—15日汤加海底火山爆发产生的SO₂排放通量，结果表明，利用EMI-Ⅱ载荷反演的火山区域SO₂ VCD可靠性高，可实现全球火山爆发预警。

云参数是痕量气体反演过程中重要的输入参数, 对其准确反演具有重要意义。基于 2019 年 3 月大气痕量气体差分吸收光谱仪 EMI 的观测数据, 利用 O4 在 477 nm 处的吸收特性进行有效云量的反演。为验证 EMI 云量反演的准确性, 将 EMI 与 TROPOMI 的反演结果进行对比分析, 并对 2019 年 3 月 2 日、6 日、9 日和 10 日 EMI 和 TROPOMI 整天的云量进行了相关性分析, 相关性 R 分别为 0.752、0.712、0.764 和 0.762, 表明二者具有良好的相关性。进一步选取了沙漠、海洋、陆地三个不同区域的云量分析了不同下垫面情况云量的分布特征, 发现在这三个区域, EMI 和 TROPOMI 的云量都具有较好的一致性, 并且海洋上空云量较低, 陆地上空云量较高, 而沙漠上空云量变化频繁。

利用差分吸收光谱技术 (DOAS) 反演了我国首个星载大气痕量气体差分吸收光谱仪 (EMI) 的臭氧斜柱浓度 (SCD), 通过 SCIATRAN 辐射传输模型建立了大气质量因子 (AMF) 的查找表, 最终得到 EMI 的臭氧垂直柱浓度 (即臭氧柱总量)。将 EMI、OMI 和 TROPOMI 于 2018 年 11 月 2 日获得的南极区域臭氧柱总量进行了对比分析, 三者均观测到南极中高纬度 (30° S～70° S) 的臭氧高值区域与南极内陆 (75° S～90° S) 的臭氧低值区域, 且 EMI 与 OMI、TROPOMI 的臭氧柱总量相关性 (R2) 分别为 0.977 和 0.979。进一步将 EMI 反演的臭氧柱总量与南极长城站 (62.22 S, 58.96 W) 地基天顶散射光差分吸收光谱仪 (ZSL-DOAS) 反演的臭氧柱总量进行对比, 二者相关性 (R2) 为 0.926。

吸收性气溶胶指数(AAI)可用于表征紫外波段吸收性气溶胶成分占比,是卫星遥感探测的重要数据产品之一。通过SCIATRAN辐射传输模型设置太阳天顶角、观测天顶角、相对方位角、地表高度、云高等参数,创建大气层顶反射率的查找表,结合TROPOMI的数据,反演吸收性气溶胶指数。由于仪器本身的特性,直接反演的AAI不能完全表征吸收性气溶胶的分布特征,需要扣除背景值,本研究通过统计法获取太平洋区域AAI的背景值。采用2020年9月美国加利福尼亚州山火时期数据进行分析, 研究山火烟雾羽流的传输。结果显示了气溶胶的分布特征,取得的背景校正效果良好。反演结果与TROPOMI官方发布产品的空间分布特征基本一致,两者的平均相关系数达到0.963。最后比较了卫星遥感AAI数据与地面AERONET站点气溶胶光学厚度(AOT)数据,可以看出两者的气溶胶变化趋势一致。

为了实现二维多轴差分吸收光谱(MAX-DOAS)仪的扫描需求,以两相步进电机驱动芯 片TMC261为核心,基于STM32微处理器和光电编码器,设计了棱镜扫描控制系统。分析了二维MAX-DOAS外置棱镜对转动精度 和分辨率的需求,从控制系统结构设计、具体实现过程两个方面阐述了系统方案,并进行测量实验来评估实际效果。结果表 明棱镜的转动步进角细分倍数 在0～256范围内可调。扫描分辨率最多可达1.8°/256, 位置精度误差低于5%, 步距角精度误差绝对值低于8%。 所设计扫描控制系统在光学仪器中具有广泛应用前景。

主要讨论O2-O2在477 nm处吸收带反演的有效云量。首先通过差分吸收光谱(DOAS)算法反演460~490 nm内的O2-O2斜柱浓度,并对O2-O2斜柱浓度中出现的条带进行修正;然后通过SCIATRAN辐射传输模型设置太阳天顶角、观测天顶角、相对方位角、地表反照率、地面高度、云量、云压等参数的不同节点,创建O2-O2斜柱浓度和反射率的查找表,进一步对查找表进行转换得到云量的查找表;最后对O2-O2斜柱浓度、连续反射率及相关太阳几何信息进行多维插值,得到大气痕量气体差分吸收光谱仪(EMI)有效云量。为验证所提算法的准确性,将EMI结果与OMI(ozone monitoring instrument)云量进行比较,两者均呈由低云量到高云量频数递减的趋势,其中云量为0和云量为1均出现频数高值现象,云量相关性R为0.82,相关性表现良好。

地表反照率是研究陆地辐射收支情况、区域及全球气候、地貌等信息的先决条件,对其进行精确测量是开展相关研究的前提和保证。由于大气层吸收的影响,地表反照率不能进行直接测量。因此,采用测量垂直向下与向上散射光的方法,结合SCIATRAN辐射传输模型获得地表反照率。基于此方法,在机载平台上进行观测实验,获取机载平台上垂直向上和向下的辐亮度值,采用迭代反演方法获得石家庄到保定地区紫外波段350~395 nm的地表反照率,并对不同下垫面、不同波段反照率进行比较,对城区中心到边缘过渡变化进行详细分析。结果表明,紫外波段350~395 nm地表反照率随波长增大而缓慢升高,结果与中等分辨率成像光谱仪(MODIS)数据可达到良好的一致性。不同观测区域结果对比显示,城区地表反照率大于农田,且城区中心比边缘地表反照率大0.014左右,其差异也随波长增大而升高。