星載痕量氣體差分吸收光譜儀1級(jí)數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)價(jià)

程良曉，陶金花，周海金，余 超，范 萌，王雅鵬，王志寶，陳良富

1. 中國(guó)科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院/北京師范大學(xué)，遙感科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100101 2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049 3. 中國(guó)科學(xué)院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所，環(huán)境光學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230031 4. 國(guó)家衛(wèi)星氣象中心，北京 100081 5. 東北石油大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息技術(shù)學(xué)院，黑龍江 大慶 163318

引 言

2018年5月9日2時(shí)28分，中國(guó)高分辨率對(duì)地觀測(cè)重大專項(xiàng)中唯一一顆實(shí)現(xiàn)高光譜分辨率的對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星“高分五號(hào)”(GF-5)在太原衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射。在高分五號(hào)衛(wèi)星所搭載的所有載荷中，痕量氣體差分吸收光譜儀(EMI)是中國(guó)第一臺(tái)用于NO2等污染氣體全球探測(cè)的高光譜載荷[1-2]，與全球臭氧監(jiān)測(cè)儀(global ozone monitoring experiment 2, GOME2 instrument)[3]、臭氧監(jiān)測(cè)儀(ozone monitoring instrument, OMI)[4]和對(duì)流層監(jiān)測(cè)儀(TROPOspheric monitoring instrument, TROPOMI)[5]類似，可以為全球NO2等痕量氣體的衛(wèi)星監(jiān)測(cè)技術(shù)提供新的發(fā)展機(jī)會(huì)和更大的發(fā)展空間。

已有研究結(jié)果表明，對(duì)于上述覆蓋紫外-可見(jiàn)光波段的高光譜載荷而言，探元狹縫函數(shù)隨在軌運(yùn)行時(shí)間的變化、儀器退化引起的信噪比變化等硬件問(wèn)題都會(huì)影響1級(jí)產(chǎn)品的結(jié)果，進(jìn)而影響2級(jí)產(chǎn)品的反演精度[6]。此外，1級(jí)產(chǎn)品的輻射定標(biāo)精度、光譜定標(biāo)精度等數(shù)據(jù)質(zhì)量問(wèn)題又會(huì)給2級(jí)產(chǎn)品的反演引入較大的不確定性[7-9]。差分光學(xué)吸收光譜(differential optical absorption spectroscopy, DOAS)反演算法，對(duì)波長(zhǎng)校正精度非常敏感，即使很小的波長(zhǎng)漂移(～0.002 nm)也會(huì)給NO2的SCD擬合引入較大的不確定性[10-11]。因此，在2級(jí)產(chǎn)品生產(chǎn)時(shí)依然要在特定的波長(zhǎng)窗口內(nèi)執(zhí)行波長(zhǎng)精校正[12-15]。為了更好地了解EMI載荷1級(jí)數(shù)據(jù)的現(xiàn)狀，本研究對(duì)其1級(jí)數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)估。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 EMI數(shù)據(jù)

EMI是星下點(diǎn)推掃光譜儀，具有兩個(gè)紫外波段(UV1, UV2)和兩個(gè)可見(jiàn)光波段(VIS1, VIS2)。每個(gè)波段都是一個(gè)二維面陣CCD，以VIS1波段為例(圖1)，空間維和光譜維分別具有111(合并后)和1 286個(gè)探元，每個(gè)探元都是屬性相同但又相互獨(dú)立的電子元件。其中，空間維的每個(gè)像元分別對(duì)應(yīng)不同的“行”； 位于中間位置的行對(duì)應(yīng)于星下點(diǎn)觀測(cè)，位于兩端的行分別對(duì)應(yīng)于57°的觀測(cè)角。光譜維的像元分別對(duì)應(yīng)不同的波長(zhǎng)。

圖1 EMI VIS1波段觀測(cè)示意圖Fig.1 Sketch map of EMI VIS1 band observation

1.2 光譜定標(biāo)方法

輻照度數(shù)據(jù)的光譜定標(biāo)是通過(guò)與高分辨率太陽(yáng)光譜擬合來(lái)實(shí)現(xiàn)的。一般將整個(gè)定標(biāo)區(qū)間劃分為若干個(gè)子窗口，根據(jù)式(1)對(duì)每個(gè)子窗口進(jìn)行擬合來(lái)得到定標(biāo)后的波長(zhǎng)(λ)

(1)

I0(λ)=La?IS(λ-α-β(λ-λc))

(2)

式(2)中，La是狹縫函數(shù)的線型，一般用半峰全寬(FWHM)表征，?是卷積符號(hào)。

為了評(píng)價(jià)EMI數(shù)據(jù)，對(duì)OMI和TROPOMI數(shù)據(jù)也進(jìn)行了分析。從312～356 nm的紫外波段范圍內(nèi)選擇三個(gè)子窗口，分別對(duì)應(yīng)SO2，O3和HCHO的常用反演窗口，將NO2常用的反演窗口(405～465 nm)對(duì)應(yīng)的可見(jiàn)光波段范圍劃分為3個(gè)子窗口。子窗口的劃分在表1中列出。

表1 三種傳感器不同波段的定標(biāo)子窗口設(shè)置Table 1 Sub-window settings for irradiance wavelength calibration

輻亮度數(shù)據(jù)的光譜定標(biāo)方法是將波長(zhǎng)漂移量作為參數(shù)在DOAS算法中進(jìn)行考慮，即

(3)

式(1)中，I是實(shí)測(cè)輻亮度數(shù)據(jù)，Δ(λ)是輻亮度的波長(zhǎng)漂移量，I0(λ)是經(jīng)過(guò)光譜定標(biāo)的實(shí)測(cè)輻照度，Sj是吸收成分j的斜柱濃度，cj是對(duì)應(yīng)的吸收截面，P(λ)表示低階多項(xiàng)式。

2 結(jié)果與討論

2.1 狹縫函數(shù)

圖2分別展示了三個(gè)載荷輻照度數(shù)據(jù)在紫外(312～356nm)和可見(jiàn)光(405～465 nm)波段的狹縫函數(shù)隨行的變化。從圖2可以看出，相比于OMI和TROPOMI，EMI狹縫函數(shù)隨行變化劇烈，表現(xiàn)出“w”型特征。EMI UV2波段的狹縫函數(shù)在不同行由0.34變化至0.55，變化幅度是OMI和TROPOMI的7倍，標(biāo)準(zhǔn)差分別是OMI和TROPOMI的8倍和6倍。EMI VIS1波段的狹縫函數(shù)隨行的變化也同樣劇烈，在不同行由0.31變化至0.55，變化幅度分別是OMI和TROPOMI的8倍和12倍。

圖2 2018年6月12日EMI，OMI和TROPOMI輻照度數(shù)據(jù)在紫外和可見(jiàn)光波段內(nèi)三個(gè)子間隔的狹縫函數(shù)在跨軌道方向的變化Fig.2 Slit function of different sub-windows in UV and VIS bands as a function of row

導(dǎo)致EMI狹縫函數(shù)劇烈變化的原因，首先可能是光柵設(shè)計(jì)不完善導(dǎo)致的，其次可能是發(fā)射過(guò)程中劇烈的振動(dòng)和溫度變化引起的[17]。EMI狹縫函數(shù)隨行變化劇烈，在反演時(shí)使用固定的狹縫函數(shù)將引入大的不確定性； 不同行采用不同的狹縫函數(shù)能夠使RMS平均降低19.8%，提高光譜定標(biāo)精度。

2.2 光譜定標(biāo)精度

圖3分別展示了三個(gè)載荷在不同波段三個(gè)子窗口內(nèi)的波長(zhǎng)漂移。盡管OMI和TROPOMI的波長(zhǎng)漂移都是正值，且隨行沒(méi)有明顯的變化特征； 但是OMI的波長(zhǎng)漂移量明顯大于EMI和TROPOMI。EMI UV2波段的波長(zhǎng)漂移較OMI和TROPOMI較低，最大漂移量分別為OMI和TROPOMI的38%和61%，但是隨行的變化較大，其變化標(biāo)準(zhǔn)差分別為OMI和TROPOMI的5.5和5.6倍。EMI VIS1波段的波長(zhǎng)漂移特征與UV2波段有明顯的差異。最大波長(zhǎng)漂移量?jī)H為OMI和TROPOMI的32%和46%，但是，其隨行的變化較大，標(biāo)準(zhǔn)差為OMI和TROPOMI的2倍和8倍。如果不考慮波長(zhǎng)漂移，光譜定標(biāo)的RMS在不同行平均增加17.2%?？梢酝茢喑觯绻荒軐?duì)輻照度數(shù)據(jù)的波長(zhǎng)漂移進(jìn)行很好的校正，痕量氣體的反演結(jié)果很有可能出現(xiàn)較為明顯的“條帶”現(xiàn)象。

圖3 2018年6月12日EMI，OMI和TROPOMI輻照度數(shù)據(jù)在紫外和可見(jiàn)光波段內(nèi)的3個(gè)子間隔的波長(zhǎng)漂移在跨軌道方向的變化Fig.3 Irradiance wavelength shift of different sub-windows in the spectral range of 312～356 nm as a function of row

圖4展示了2018年8月4日EMI在UV2和VIS1波段連續(xù)12軌輻亮度數(shù)據(jù)的波長(zhǎng)漂移。從圖4可以看出，存在明顯的行依賴性。此外，UV2波段最后一行(191)的波長(zhǎng)漂移最大，明顯超出了0.05nm的設(shè)計(jì)指標(biāo)。EMI輻亮度數(shù)據(jù)的波長(zhǎng)漂移基本符合設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求，盡管后者的均值和標(biāo)準(zhǔn)差比前者要高一些。但是目前的波長(zhǎng)漂移量遠(yuǎn)大于痕量氣體反演的要求(0.002 nm[10])，因此在進(jìn)行痕量氣體反演之前，還需要對(duì)輻亮度數(shù)據(jù)進(jìn)行光譜精校正。

圖4 2018年8月4日EMI UV2和VIS1波段連續(xù)12軌輻亮度數(shù)據(jù)的波長(zhǎng)漂移Fig.4 Radiance wavelength shift of 12 consecutive orbits measured by UV2 and VIS1 band on 4 August, 2018

2.3 輻射定標(biāo)精度

圖5展示了三個(gè)載荷星下點(diǎn)觀測(cè)的輻照度光譜?？梢钥闯觯珽MI與OMI和TROPOMI的變化趨勢(shì)高度一致。EMI實(shí)測(cè)輻照度與參考太陽(yáng)光譜之間的相關(guān)系數(shù)分別大于0.98和0.95。此外，實(shí)測(cè)輻照度與參考太陽(yáng)光譜的平均絕對(duì)差異在UV2和VIS1波段分別為4.3%和3.67%，均在設(shè)計(jì)規(guī)范范圍內(nèi)。較高的相關(guān)性和較小的絕對(duì)差異說(shuō)明EMI測(cè)量的輻照光譜可以很好地捕捉太陽(yáng)光譜的細(xì)節(jié)。

圖5 2018年6月12日EMI，OMI和TROPOMI輻照度數(shù)據(jù)Fig.5 The irradiance spectra measured by EMI, OMI and TROPOMI on 12 July, 2018.The black line is a reference solar irradiance from and convolved with the EMI FWHM

圖6展示了三個(gè)載荷在太平洋區(qū)域無(wú)云觀測(cè)的輻亮度均值，三者輻亮度處于同一數(shù)量級(jí)。在UV2和VIS1波段EMI與其他載荷的相關(guān)系數(shù)分別大于0.98和0.92，EMI實(shí)測(cè)輻亮度的光譜能夠準(zhǔn)確地捕捉光譜的峰谷變化特征。EMI UV2波段與OMI(TROPOMI)的平均相對(duì)差異為6.68%(13.17%)，VIS1波段的平均相對(duì)差異為8.83%(3.31%)。

圖6 2018年8月4日星下點(diǎn)像元在太平洋區(qū)域無(wú)云觀測(cè)的輻亮度均值Fig.6 Mean radiance of nadir pixelin the clean Pacific region measured on 4 August, 2018

2.4 行依賴性

圖7為三個(gè)載荷輻照度相對(duì)于星下點(diǎn)位置的比值分布圖，可以看出三者輻照度的行依賴性較小。定量分析表明，紫外波段，EMI，OMI和TROPOMI不同波長(zhǎng)處的比值隨行的平均變化分別為11.5%，13.7%和13.24%。它們?cè)诳梢?jiàn)光波段的行依賴性要比紫外波段更小，分別為4%，9%和5.2%。

圖7 2018年6月12日的觀測(cè)輻照度相對(duì)于星下點(diǎn)位置的觀測(cè)角依賴性Fig.7 Irradiance row dependence relative to nadir measured on 12 July, 2018

觀測(cè)輻亮度和模擬輻亮度在不同觀測(cè)角下的差異在圖8(a)和(c)中展示，模擬結(jié)果高于觀測(cè)結(jié)果，這是因?yàn)閷?shí)際觀測(cè)中不可避免受其他因素的影響(比如： 痕量氣體吸收)。將每行觀測(cè)光譜與模擬光譜取比值(M/S)再歸一到星下點(diǎn)，可以得到輻亮度的行依賴性[圖8(b)和(d)]。在340 nm處，M/S在不同觀測(cè)角下的變化范圍是0.51～2.56，行依賴性不超過(guò)16%。在437.5 nm處，M/S在不同觀測(cè)角下的變化范圍是0.56～1.24，行依賴性不超過(guò)9%。

圖8 EMI在340 nm和437.5 nm處對(duì)greenland島觀測(cè)的歸一化輻亮度隨觀測(cè)角的變化Fig.8 (a), (c) The normalized measured radiance and the corresponding simulated radiance as a function of row;(b), (d) The ratio of the measured radiance and the simulated radiance and the radiance row dependency

3 結(jié) 論

對(duì)EMI UV2和VIS1波段的輻照度和輻亮度數(shù)據(jù)進(jìn)行了綜合評(píng)估。研究發(fā)現(xiàn)： (1)EMI狹縫函數(shù)隨行劇烈變化，其變化標(biāo)準(zhǔn)差(UV2=0.047，VIS1=0.054)是OMI和TROPOMI的6倍以上，這意味著在進(jìn)行痕量氣體反演的時(shí)候需要對(duì)不同行采用不同的狹縫函數(shù)。(2)EMI輻照度數(shù)據(jù)的波長(zhǎng)漂移同樣表現(xiàn)出明顯的觀測(cè)角依賴性，但是平均漂移量很小(<0.015 nm)，嚴(yán)格符合設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求。除了個(gè)別的行(UV2的191行)之外，EMI輻亮度的波長(zhǎng)漂移均值小于0.03 nm，光譜定標(biāo)精度也符合設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求。(3)EMI輻照度光譜與OMI和TROPOMI具有極好的相關(guān)性(相關(guān)系數(shù)>0.95)，且與參考太陽(yáng)光譜之間的絕對(duì)差異較小(UV2波段平均4.3%，VIS1波段平均3.67%)，說(shuō)明EMI輻照度數(shù)據(jù)的輻射定標(biāo)精度較高。盡管輻亮度數(shù)據(jù)受多種因素的影響，潔凈太平洋區(qū)域的平均輻亮度光譜的比較結(jié)果表明，EMI與OMI和TROPOMI具有較高的一致性(相關(guān)系數(shù)>0.93)。在未來(lái)，我國(guó)計(jì)劃將與EMI類似的國(guó)產(chǎn)載荷搭載在GF-5(02)衛(wèi)星和大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)衛(wèi)星(Atmospheric Environmental Monitoring Satellite, AEMS)上，繼續(xù)服務(wù)于污染氣體監(jiān)測(cè)[18]。因此，本研究可以為EMI系列的后續(xù)載荷的設(shè)計(jì)和質(zhì)量評(píng)估提供參考，同時(shí)還可以為利用EMI數(shù)據(jù)從事痕量氣體反演的科研人員提供參考。

致謝：感謝生態(tài)環(huán)境部衛(wèi)星環(huán)境應(yīng)用中心提供的EMI 1級(jí)數(shù)據(jù)，NASA GESDISC提供的OMI和TROPOMI產(chǎn)品。