“燃燒、畜禽養(yǎng)殖等人類的生產(chǎn)生活會(huì)造成氨氣的排放。別看氨氣在大氣中含量很少，卻是大氣中最重要的堿性氣體，在地球生物氮循環(huán)中扮演著重要角色。研究表明，由氨氣生成的PM2.5對全球公共健康損失估值在每年百億美元?！敝袊茖W(xué)院大氣物理研究所碳中和研究中心副研究員、碩士研究生導(dǎo)師周敏強(qiáng)說。

周敏強(qiáng)和中國氣象局張興贏研究員的團(tuán)隊(duì)一起緊密合作，基于最優(yōu)估計(jì)理論研發(fā)了一套氨氣濃度的反演算法，成功應(yīng)用于風(fēng)云三號氣象衛(wèi)星（FY—3D）的觀測光譜，獲得了風(fēng)云氣象衛(wèi)星首幅大氣中氨氣濃度的全球分布圖，并與搭載在歐洲METOP—A 衛(wèi)星上紅外大氣探測干涉儀（IASI）的氨氣觀測結(jié)果進(jìn)行了比較，論證了風(fēng)云衛(wèi)星氨氣觀測資料的可靠性。這項(xiàng)研究對于未來利用國產(chǎn)衛(wèi)星發(fā)展實(shí)現(xiàn)對全球微量大氣化學(xué)成分的高精度定量遙感監(jiān)測具有指導(dǎo)意義。 這個(gè)成果近期發(fā)表于中國科學(xué)院主辦的SCI Q1學(xué)術(shù)期刊《Advances in Atmospheric Sciences》上。

周敏強(qiáng)告訴記者，氨氣（NH3）是地球大氣中一種化學(xué)性質(zhì)活潑的微量氣體，它可與酸性氣體快速反應(yīng)，生成硫酸銨和硝酸銨等二次氣溶膠，是霧霾期間大氣細(xì)顆粒物PM2.5的主要污染成分。同時(shí)，銨鹽氣溶膠還會(huì)通過散射影響太陽輻射，從而破壞地球輻射收支平衡，引起地球氣候變化，因此亟須實(shí)現(xiàn)對其的全球監(jiān)測?！叭欢酝牡鼗^測難以滿足，尤其是極地、沙漠、海洋、森林等地的數(shù)據(jù)長期屬于空白狀態(tài)?！?/span>

“利用氨氣紅外波段的特征吸收光譜，可以通過遙感的手段進(jìn)行氨氣濃度全球探測?！敝苊魪?qiáng)說，隨著紅外高光譜探測技術(shù)的發(fā)展，歐美相繼發(fā)射了多顆搭載有高光譜紅外觀測儀器（如IASI，CrIS）的衛(wèi)星。我國的風(fēng)云三號系列氣象衛(wèi)星（FY3）從其第四顆衛(wèi)星開始（D、E、F）也搭載了紅外高光譜大氣探測儀（HIRAS），為國產(chǎn)衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)氨氣全球探測提供了可能。

《大氣科學(xué)進(jìn)展》Adv.Atmos.Sci.2024年第3期封面

風(fēng)云3D

HIRAS

周敏強(qiáng)介紹說：“我們基于最優(yōu)估計(jì)理論研發(fā)了一套NH3柱濃度的全物理反演算法。這套理論結(jié)合HIRAS載荷的儀器響應(yīng)函數(shù)和觀測光譜，通過分析氨氣的紅外吸收特性，選擇960—970cm-1作為反演窗口。采用哥白尼大氣化學(xué)模式結(jié)果作為初始值，在反演氨氣時(shí)進(jìn)行臭氧、二氧化碳、水汽、地表溫度等干擾參數(shù)的同步反演。”

“基于開發(fā)的反演算法獲得了風(fēng)云3D衛(wèi)星HIRAS儀器的首幅大氣NH3柱全球分布圖。”張興贏告訴記者，結(jié)果表明，HIRAS探測儀可以很好地捕捉全球NH3高值區(qū)，例如印度、西非、中國東部等存在大量NH3排放的地區(qū)。HIRAS與歐洲衛(wèi)星上搭載的IASI的NH3反演結(jié)果具有較好的一致性（R：0.28—0.73），兩者相差在其反演誤差范圍內(nèi)。該研究證明了我國自主研制的風(fēng)云氣象衛(wèi)星已經(jīng)具備了定量探測全球氨氣濃度的能力。

2020年1月FY—3D/HIRAS衛(wèi)星觀測的全球白天NH3柱總量濃度分布圖

張興贏指出，當(dāng)前HIRAS/FY3D在海洋上和高緯度地區(qū)還存在反演精度低的問題，這主要是由于在海洋上NH3的濃度低，傳感器捕捉到的NH3信號弱；在高緯度地區(qū)地表溫度低，熱對比度小，導(dǎo)致光譜噪聲大。未來研究者將進(jìn)一步改進(jìn)反演算法，引入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法彌補(bǔ)現(xiàn)有最優(yōu)估計(jì)算法的不足，提升反演精度并提高海洋和高緯度地區(qū)的有效觀測數(shù)據(jù)。升級后的算法還將拓展應(yīng)用于FY—3E、3F等衛(wèi)星。