用衛(wèi)星遙感觀察看不見的大氣

肖延勝

近年來，霧霾、PM2.5等名詞越來越為國內(nèi)外的人們所熟悉。這也意味著大氣污染問題日益嚴(yán)峻并且國際化的趨勢日益明顯。“區(qū)域污染物總量數(shù)據(jù)能幫助掌握重點城市污染物排放量，改善對源清單的認(rèn)識，有助于對霾污染源的定位和治理?！敝袊茖W(xué)技術(shù)大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院教授劉誠長期從事全球大氣污染氣體（NO2，SO2，HCHO，O3等）、大氣溫室氣體（CO2，CH4，CO等）及霾的時空分布遙感觀測算法研究。

目前我國在大氣污染觀測方面開展的工作，主體是以地面觀測為基礎(chǔ)的大氣質(zhì)量觀測網(wǎng)絡(luò)，缺乏以區(qū)域/全球范圍的大氣觀測為主旨的機載/星載遙感技術(shù)。我國現(xiàn)在迫切需要獲得國內(nèi)重點區(qū)域及全球大氣污染/溫室氣體成份狀況，以及重點城市污染物排放量的數(shù)據(jù)。劉誠在大氣成分的衛(wèi)星遙感技術(shù)方面有豐富的經(jīng)驗，本刊就此對他進行了專訪。

求學(xué)海德堡

劉誠在大氣污染方面卓有成效的研究早在他求學(xué)期間就已經(jīng)開始了。2006年12月，劉誠來到德國海德堡大學(xué)物理系攻讀博士學(xué)位，師從Ulrich Platt教授[大氣差分吸收光譜技術(shù)（DOAS）創(chuàng)始人，德國海德堡大學(xué)環(huán)境物理研究所所長]。其間，他成功研發(fā)了基于高光譜衛(wèi)星數(shù)據(jù)的大氣溫室氣體柱濃度遙感算法，相關(guān)科研成果發(fā)表在氣象與大氣學(xué)科的頂級雜志（Atmos. Chem. Phys.）上。

“在研究組前期研發(fā)的最優(yōu)化迭代差分吸收光譜算法基礎(chǔ)上，針對近紅外通道受云層遮蔽、探測器結(jié)冰等因素影響的關(guān)鍵性技術(shù)問題，我提出了修正算法，并編寫修正程序提高了反演精度，從而成功高精度的獲取了基于歐洲高光譜載荷SCIAMACHY的全球溫室氣體分布數(shù)據(jù)。”劉誠告訴記者，該算法彌補了被云層遮蔽地區(qū)數(shù)據(jù)的缺失，獲得了基于SCIAMACHY的長時間段連續(xù)觀測結(jié)果。

劉誠的此項研究結(jié)果在同其他衛(wèi)星/地基觀測結(jié)果的對比驗證中取得了很好的一致性。該算法顯著提高了衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)反演結(jié)果的準(zhǔn)確性和可信度；在與歐美著名大氣化學(xué)模型的比較驗證中，發(fā)現(xiàn)并指出它們對中國地區(qū)大氣模擬結(jié)果的不準(zhǔn)確性。

劉誠的博士論文就以此項研究為主，在答辯時以滿分通過，并且被評為海德堡大學(xué)物理學(xué)院優(yōu)秀博士論文?！癙latt教授在給我的評價中，說我在大氣科學(xué)和痕量氣體遙感領(lǐng)域有卓越的經(jīng)驗和技能，對工作極有熱情，富于團隊合作精神。”說起導(dǎo)師對自己的評價，劉誠顯得有些不好意思。

科研的道路沒有止境，對于自己取得的成績，劉誠并沒有滿足。2010年11月，博士順利畢業(yè)的劉誠留在德國，于馬普化學(xué)所繼續(xù)從事相關(guān)研究工作。

在馬普化學(xué)所，劉誠在衛(wèi)星遙感溫室氣體柱濃度的基礎(chǔ)上，又開展了基于衛(wèi)星觀測高光譜數(shù)據(jù)的大氣溫室氣體廓線反演算法的研究。他首次提出利用“云約束”法反演大氣溫室氣體廓線分布，改變了當(dāng)時溫室氣體廓線衛(wèi)星反演算法只能獲取中高空氣體廓線（無法獲得與人類活動密切相關(guān)的近地面信息）的局限，第一次成功獲取了從對流層頂部（10～12km）到近地面（500m）垂直分辨率為1km的溫室氣體廓線分布。

“我用IDL語言、C++語言編寫fortran程序，結(jié)合云數(shù)據(jù)，第一次從衛(wèi)星近紅外高光譜數(shù)據(jù)成功反演大氣溫室氣體廓線。”劉誠停了一下，繼續(xù)向記者解釋這項研究的重要性，“這項研究成果在與歐美著名大氣化學(xué)模型MATCH（例如Lawrence et al.2003）和 EMAC（例如J?ckel et al.2013）的比較驗證中，我發(fā)現(xiàn)其對中國地區(qū)CO廓線模擬的不準(zhǔn)確性，這一發(fā)現(xiàn)為這兩個模型的改進提供了重要依據(jù)?！眲⒄\的這項研究成果已經(jīng)于該學(xué)科的頂級雜志（Atmos. Chem. Phys.）上發(fā)表，基于他的努力工作和研究成果，德國馬普學(xué)會對他的總評認(rèn)證為“Excellent”。

功成哈佛

機會總是偏愛有準(zhǔn)備的人。劉誠的努力工作，讓他的科研之路越來越順風(fēng)順?biāo)?012年，他獲得哈佛大學(xué)博士后全額獎學(xué)金，來到哈佛-史密松天體物理中心從事衛(wèi)星高光譜儀器測試校正與反演算法研發(fā)，并成功研發(fā)出大氣污染氣體總量的衛(wèi)星遙感算法。當(dāng)時，指導(dǎo)劉誠的是哈佛大學(xué)原子與分子學(xué)部部長Kelly Chance教授，也是美國第一顆靜止高光譜環(huán)境衛(wèi)星TEMPO的首席科學(xué)家（PI）。

科研的道路并不總是一帆風(fēng)順的，劉誠坦稱，工作中他經(jīng)常碰到各種困難。在哈佛-史密松中心時，他開展針對大氣污染氣體柱濃度/廓線時空分布的最優(yōu)估算法OE（Optimal Estimation）遙感算法研究。 “由于星載和機載的觀測儀器都存在光譜漂移、輻射率絕對值穩(wěn)定性不高、信噪比低等問題，導(dǎo)致其觀測到的高光譜數(shù)據(jù)精確度達(dá)不到反演需求，無法準(zhǔn)確反演計算出污染氣體時空分布信息?！眲⒄\說，OE遙感方法對原始觀測數(shù)據(jù)的精度要求很高，因此對高光譜儀器進行高質(zhì)量的校正與標(biāo)定，是準(zhǔn)確獲取污染氣體含量分布的前提。

有困難就要解決。劉誠心一橫，針對這個問題，夜以繼日地工作，終于研發(fā)出一系列校正算法，并編寫程序應(yīng)用于NASA DISCOVER-AQ 城市環(huán)境觀測項目，獨立完成由高光譜數(shù)據(jù)校正到最終數(shù)據(jù)產(chǎn)品生產(chǎn)的全過程，最終成功獲取了美國華盛頓特區(qū)等大型城市和重點區(qū)域污染物（NO2，HCHO，O3）分布情況。

“該算法同樣也適用于中國京津冀、長三角、珠三角等重污染地區(qū)，這些總量分布數(shù)據(jù)能為污染源的確定（地理位置和排放量）及治理政策的制定提供重要依據(jù)?！眲⒄\說著，對自己的科研成果感到自豪。這也難怪，他的相關(guān)研究成果再一次登上了該學(xué)科的頂級雜志（Atmos. Chem. Phys.），哈佛大學(xué)的Kelly Chance教授高度評價他，認(rèn)為他取得了令人矚目的研究成果。

國內(nèi)發(fā)展

回國后，劉誠的科研項目不斷，目前他承擔(dān)著“高性能傅里葉變換紅外光譜分析儀器開發(fā)與應(yīng)用”、“基于機載/星載觀測的大氣污染氣體整層總量的遙感算法與傳感器特性實時模擬技術(shù)”等科研工作。

作為一個年紀(jì)輕輕就已當(dāng)上教授，而且已發(fā)表SCI/EI收錄文章30余篇的學(xué)者，我們?nèi)滩蛔￡P(guān)心他下一步的動向。提到未來的打算，劉誠說，在自己以前研究的基礎(chǔ)上，將開展四個方向的研究：高光譜衛(wèi)星儀器校正與標(biāo)定；大氣污染/溫室氣體衛(wèi)星遙感算法的研發(fā)；大氣霾前體物衛(wèi)星遙感技術(shù)及應(yīng)用；研發(fā)獲取區(qū)域或典型城市大氣中污染物排放總量的綜合觀測技術(shù)和方法。

“希望我研究得出的這些數(shù)據(jù)可用于研究全球范圍的污染運輸以及變化趨勢，而且也為我國的重大需求，如氣候談判、環(huán)境政策等提供強有力的數(shù)據(jù)支撐”，劉誠笑著說。