星載痕量氣體差分吸收光譜儀1級數(shù)據(jù)質(zhì)量評價

程良曉，陶金花，周海金，余 超，范 萌，王雅鵬，王志寶，陳良富

1. 中國科學院空天信息創(chuàng)新研究院/北京師范大學，遙感科學國家重點實驗室，北京 100101 2. 中國科學院大學，北京 100049 3. 中國科學院安徽光學精密機械研究所，環(huán)境光學與技術(shù)重點實驗室，安徽 合肥 230031 4. 國家衛(wèi)星氣象中心，北京 100081 5. 東北石油大學計算機與信息技術(shù)學院，黑龍江 大慶 163318

引 言

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

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

1 實驗部分

1.1 EMI數(shù)據(jù)

EMI是星下點推掃光譜儀，具有兩個紫外波段(UV1, UV2)和兩個可見光波段(VIS1, VIS2)。每個波段都是一個二維面陣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個探元，每個探元都是屬性相同但又相互獨立的電子元件。其中，空間維的每個像元分別對應(yīng)不同的“行”； 位于中間位置的行對應(yīng)于星下點觀測，位于兩端的行分別對應(yīng)于57°的觀測角。光譜維的像元分別對應(yīng)不同的波長。

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

1.2 光譜定標方法

輻照度數(shù)據(jù)的光譜定標是通過與高分辨率太陽光譜擬合來實現(xiàn)的。一般將整個定標區(qū)間劃分為若干個子窗口，根據(jù)式(1)對每個子窗口進行擬合來得到定標后的波長(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。

為了評價EMI數(shù)據(jù)，對OMI和TROPOMI數(shù)據(jù)也進行了分析。從312～356 nm的紫外波段范圍內(nèi)選擇三個子窗口，分別對應(yīng)SO2，O3和HCHO的常用反演窗口，將NO2常用的反演窗口(405～465 nm)對應(yīng)的可見光波段范圍劃分為3個子窗口。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)的光譜定標方法是將波長漂移量作為參數(shù)在DOAS算法中進行考慮，即

(3)

式(1)中，I是實測輻亮度數(shù)據(jù)，Δ(λ)是輻亮度的波長漂移量，I0(λ)是經(jīng)過光譜定標的實測輻照度，Sj是吸收成分j的斜柱濃度，cj是對應(yīng)的吸收截面，P(λ)表示低階多項式。

2 結(jié)果與討論

2.1 狹縫函數(shù)

圖2分別展示了三個載荷輻照度數(shù)據(jù)在紫外(312～356nm)和可見光(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，標準差分別是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)在紫外和可見光波段內(nèi)三個子間隔的狹縫函數(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

導致EMI狹縫函數(shù)劇烈變化的原因，首先可能是光柵設(shè)計不完善導致的，其次可能是發(fā)射過程中劇烈的振動和溫度變化引起的[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%，提高光譜定標精度。

2.2 光譜定標精度

圖3分別展示了三個載荷在不同波段三個子窗口內(nèi)的波長漂移。盡管OMI和TROPOMI的波長漂移都是正值，且隨行沒有明顯的變化特征； 但是OMI的波長漂移量明顯大于EMI和TROPOMI。EMI UV2波段的波長漂移較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，其變化標準差分別為OMI和TROPOMI的5.5和5.6倍。EMI VIS1波段的波長漂移特征與UV2波段有明顯的差異。最大波長漂移量僅為OMI和TROPOMI的32%和46%，但是，其隨行的變化較大，標準差為OMI和TROPOMI的2倍和8倍。如果不考慮波長漂移，光譜定標的RMS在不同行平均增加17.2%。可以推斷出，如果不能對輻照度數(shù)據(jù)的波長漂移進行很好的校正，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)在紫外和可見光波段內(nèi)的3個子間隔的波長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)的波長漂移最大，明顯超出了0.05nm的設(shè)計指標。EMI輻亮度數(shù)據(jù)的波長漂移基本符合設(shè)計指標的要求，盡管后者的均值和標準差比前者要高一些。但是目前的波長漂移量遠大于痕量氣體反演的要求(0.002 nm[10])，因此在進行痕量氣體反演之前，還需要對輻亮度數(shù)據(jù)進行光譜精校正。

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 輻射定標精度

圖5展示了三個載荷星下點觀測的輻照度光譜。可以看出，EMI與OMI和TROPOMI的變化趨勢高度一致。EMI實測輻照度與參考太陽光譜之間的相關(guān)系數(shù)分別大于0.98和0.95。此外，實測輻照度與參考太陽光譜的平均絕對差異在UV2和VIS1波段分別為4.3%和3.67%，均在設(shè)計規(guī)范范圍內(nèi)。較高的相關(guān)性和較小的絕對差異說明EMI測量的輻照光譜可以很好地捕捉太陽光譜的細節(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展示了三個載荷在太平洋區(qū)域無云觀測的輻亮度均值，三者輻亮度處于同一數(shù)量級。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實測輻亮度的光譜能夠準確地捕捉光譜的峰谷變化特征。EMI UV2波段與OMI(TROPOMI)的平均相對差異為6.68%(13.17%)，VIS1波段的平均相對差異為8.83%(3.31%)。

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

2.4 行依賴性

圖7為三個載荷輻照度相對于星下點位置的比值分布圖，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不同波長處的比值隨行的平均變化分別為11.5%，13.7%和13.24%。它們在可見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日的觀測輻照度相對于星下點位置的觀測角依賴性Fig.7 Irradiance row dependence relative to nadir measured on 12 July, 2018

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

圖8 EMI在340 nm和437.5 nm處對greenland島觀測的歸一化輻亮度隨觀測角的變化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EMI UV2和VIS1波段的輻照度和輻亮度數(shù)據(jù)進行了綜合評估。研究發(fā)現(xiàn)： (1)EMI狹縫函數(shù)隨行劇烈變化，其變化標準差(UV2=0.047，VIS1=0.054)是OMI和TROPOMI的6倍以上，這意味著在進行痕量氣體反演的時候需要對不同行采用不同的狹縫函數(shù)。(2)EMI輻照度數(shù)據(jù)的波長漂移同樣表現(xiàn)出明顯的觀測角依賴性，但是平均漂移量很小(<0.015 nm)，嚴格符合設(shè)計指標的要求。除了個別的行(UV2的191行)之外，EMI輻亮度的波長漂移均值小于0.03 nm，光譜定標精度也符合設(shè)計指標的要求。(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)，且與參考太陽光譜之間的絕對差異較小(UV2波段平均4.3%，VIS1波段平均3.67%)，說明EMI輻照度數(shù)據(jù)的輻射定標精度較高。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，我國計劃將與EMI類似的國產(chǎn)載荷搭載在GF-5(02)衛(wèi)星和大氣環(huán)境監(jiān)測衛(wèi)星(Atmospheric Environmental Monitoring Satellite, AEMS)上，繼續(xù)服務(wù)于污染氣體監(jiān)測[18]。因此，本研究可以為EMI系列的后續(xù)載荷的設(shè)計和質(zhì)量評估提供參考，同時還可以為利用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級數(shù)據(jù)，NASA GESDISC提供的OMI和TROPOMI產(chǎn)品。