中國大氣成分衛(wèi)星遙感的發(fā)展與應(yīng)用①

張興贏 王富 王維和 黃富祥 陳炳龍 高玲 王舒鵬閆歡歡 葉函函 司福祺 洪津 李小英 曹瓊 李正強

（1 中國氣象局中國遙感衛(wèi)星輻射測量和定標重點開放實驗室/國家衛(wèi)星氣象中心，北京 100081；2 許建民氣象衛(wèi)星創(chuàng)新中心，北京 100081；3 中國氣象局地球系統(tǒng)數(shù)值預(yù)報中心，北京 100081；4 中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院安徽光學(xué)精密機械研究所，中國科學(xué)院通用光學(xué)定標與表征技術(shù)重點實驗室，合肥 230031；5 中國科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院，北京 100094；6 上海衛(wèi)星工程研究所，上海 201109）

0 引言

大氣成分在地球生態(tài)系統(tǒng)中起著重要的作用，它影響到大氣圈層與其他圈層之間的相互作用[1]。自工業(yè)革命以來，人類活動排放加劇了大氣成分的變化。其中，排放出的鹵化碳破壞平流層臭氧，導(dǎo)致南極地區(qū)的“臭氧層空洞”[2-3]；氮氧化物通過參與光催化作用反應(yīng)在對流層產(chǎn)生臭氧和光化學(xué)煙霧[4]；二氧化硫（SO2）、二氧化氮（NO2）和二氧化碳（CO2）等酸性氣體，則通過酸雨的方式對生物圈產(chǎn)生破壞[5]。此外，汽車、建筑工業(yè)和烹飪等排放的各類氣溶膠也影響著空氣質(zhì)量乃至地球輻射平衡的變化[6]，特別是二氧化碳和甲烷等溫室氣體的快速增加，吸收了更多地表紅外長波輻射而引起全球變暖，并導(dǎo)致了一系列如冰川融化、雪線升高和海平面上升等環(huán)境問題[7]。

20世紀70年代初，氣象衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展開啟了全球大氣觀測的新時代。最早是搭載在美國國家海洋大氣局極軌衛(wèi)星NOAA系列上的AVHRR（Advanced Very High Resolution Radiometers）首次被用于觀測大氣氣溶膠[8]。隨后的歐美衛(wèi)星計劃還搭載了一系列氣溶膠探測儀器，包括中分辨率成像光譜儀（MODIS，Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer）[9]、多角度成像光譜儀（MISR，Multi-Angle Imaging Spectrometer）[10]、多角度偏振成像觀測儀（POLDER）[11]，氣溶膠－云激光雷達（CALIOP，Cloud-Aerosol Lidar with Orthogonal Polarization）[12]和可見紅外成像輻射計（VIIRS，Visible Infrared Imaging Radiometer Suite）[13]。此外，利用紫外波段對微量氣體濃度敏感的特點，發(fā)展了包括臭氧總量測繪光譜儀（TOMS，Total Ozone Mapping Spectrometer）、太陽后向散射紫外散射光譜儀（SBUV，Solar Backscatter Ultraviolet Radiometer）[14-15]、全球臭氧監(jiān)測儀（GOME，Global Ozone Monitoring Experiment）[16]、大氣制圖掃描成像吸收光譜儀（SCIAMACHY）[17]、臭氧監(jiān)測儀（OMI，Ozone Monitoring Instrument）[18]、臭氧成像廓線儀（OMPS，Ozone Mapping and Profiler Suite）[19]以及靜止軌道的紫外高光譜儀（GEMS，Geostationary Environmental Monitoring Spectrometer）等儀器，實現(xiàn)了對臭氧（O3）、二氧化硫（SO2）、二氧化氮（NO2），以及甲醛（CH2O）、糖醛（C2H2O2)、一氧化溴（BrO）、一氧化碘（IO）和二氧化氯（ClO2）等大氣痕量氣體的全球探測[20]。另外，還發(fā)展了專門針對大氣CO2全球監(jiān)測的碳觀測衛(wèi)星（TANSOFTS/GOSAT，TANSO-FTS-2/GOSAT-2，OCO-2，OCO-3）[21-24]。哨兵-5P衛(wèi)星（Sentinel-5p）搭載的對流層觀測儀（TROPOMI）則具備了比上面這些儀器更高的空間和光譜分辨率，在對流層/平流層的痕量氣體、部分溫室氣體以及云和氣溶膠監(jiān)測方面應(yīng)用廣泛[25]。另外，靜止軌道衛(wèi)星上搭載的多光譜成像儀，如AHI/Himawari-8和ABI/GOES-R等，在觀測空氣質(zhì)量日變化特征方面具有獨特貢獻[26]，美國和歐洲計劃在未來的地球同步軌道衛(wèi)星（TEMPO，Tropospheric Emissions Monitoring of Pollution；GeoCarb，The Geostationary Carbon Observatory,Sentinel-4）上搭載高光譜探測儀以獲取更高時間分辨率的大氣成分參數(shù)[27]。

我國學(xué)者早在20世紀70年代就開始利用國外衛(wèi)星資料研究大氣[28]。我國早期衛(wèi)星計劃，包括第一代氣象衛(wèi)星（FY-1和FY-2系列），主要搭載用于觀測云圖和地表等的成像儀。2008年FY-3A發(fā)射成功，實現(xiàn)了我國氣象衛(wèi)星大氣成分的業(yè)務(wù)監(jiān)測[29-31]。其后，風(fēng)云衛(wèi)星系列、高分衛(wèi)星系列[32]、碳衛(wèi)星[33]等計劃陸續(xù)實施，新觀測新儀器不斷增加。隨著衛(wèi)星觀測資料的極大豐富，反演算法和真實性檢驗方面也取得了重大進展。本文旨在綜述我國大氣成分衛(wèi)星遙感計劃及其對理解全球變化的科學(xué)貢獻。

1 我國衛(wèi)星大氣成分觀測現(xiàn)狀

1.1 我國大氣成分監(jiān)測衛(wèi)星計劃

我國衛(wèi)星觀測項目始于20世紀70年代。風(fēng)云氣象衛(wèi)星是最早實施的遙感衛(wèi)星系列，第一代極軌氣象衛(wèi)星風(fēng)云一號（FY-1）和第一代靜止軌道氣象衛(wèi)星風(fēng)云二號（FY-2）分別于20世紀80年代和90年代實現(xiàn)了從無到有的突破和科學(xué)試驗，1999年發(fā)射的FY-1C和2004年發(fā)射FY-2C實現(xiàn)了業(yè)務(wù)使用[34-36]。我國還同時發(fā)展了資源調(diào)查、海洋監(jiān)測、環(huán)境保護等遙感衛(wèi)星系列[37-39]。其中，資源調(diào)查衛(wèi)星主要包括中巴地球資源衛(wèi)星（CBERS，China-Brazil Earth Resources Satellite）系列，首顆衛(wèi)星CBERS-01于1999年發(fā)射，這也是中國和巴西“南南合作”的典范[38]；海洋監(jiān)測包括海洋一號（HY-1）、海洋二號（HY-2）等系列[40]；環(huán)境保護衛(wèi)星包環(huán)境一號小衛(wèi)星（HJ-1）系列等[41]。同時，接收、分發(fā)等地面系統(tǒng)建設(shè)和數(shù)據(jù)資料應(yīng)用也得到了一定發(fā)展[42-43]。

我國第二代極軌氣象衛(wèi)星風(fēng)云三號（FY-3）首顆FY-3A于2008年成功發(fā)射，開啟了我國大氣成分業(yè)務(wù)衛(wèi)星探測時代。FY-1系列僅有單個儀器，而FY-3A上搭載了11種儀器[44]。其中，中分辨率光譜成像儀（MERSI，Medium Resolution Spectral Imager）作為主要儀器之一，是一個覆蓋可見光短波和長波紅外波段、具有20個通道的成像輻射計[29]。MERSI作為監(jiān)測全球空氣質(zhì)量的首顆業(yè)務(wù)儀器，已應(yīng)用在沙塵監(jiān)測等多個方面[45]。紫外臭氧總量探測儀（TOU，Total Ozone Unit）和紫外臭氧垂直探測儀（SBUS，Solar Backscatter Ultraviolet Sounder），可以分別觀測臭氧總量和臭氧廓線[30,46]。后續(xù)衛(wèi)星計劃FY-3B/3C也配置了MERSI、TOU和SBUS三個儀器。而2017年11 月發(fā)射成功的FY-3D，不僅升級了MERSI-II成像儀，還新增了紅外高光譜大氣探測儀（HIRAS，Hyperspectral Infrared Atmospheric Sounder）和近紅外高光譜溫室氣體監(jiān)測儀（GAS，Greenhouse-gases Absorption Spectrometer），可實現(xiàn)CO2、CH4、CO、N2O和NH3等大氣成分的全球監(jiān)測[47-48]。我國第二代靜止氣象衛(wèi)星風(fēng)云四號（FY-4A）成功發(fā)射，其上搭載的多通道掃描成像輻射計（AGRI），與極軌衛(wèi)星上的MODIS和MERSI等儀器具有類似的通道和性能[36]，因而AGRI可應(yīng)用類似的算法監(jiān)測空氣質(zhì)量，而時間分辨率高達5分鐘的靜止衛(wèi)星觀測資料在數(shù)值預(yù)報同化等領(lǐng)域應(yīng)用潛力巨大[49]。此外，F(xiàn)Y-4A上搭載的另一個主要載荷干涉式大氣垂直探測儀（GIIRS）與HIRAS性能接近，也可以獲取NH3等大氣成分信息[50]。

為進一步科學(xué)認識不同大氣成分的氣候變化強迫，我國同步實施了碳衛(wèi)星、高分五號衛(wèi)星和大氣環(huán)境監(jiān)測衛(wèi)星等專題計劃，與風(fēng)云氣象衛(wèi)星的業(yè)務(wù)觀測互為補充。前者于2016年12月成功發(fā)射，搭載了高光譜溫室氣體探測儀（ACGS，Atmospheric Carbondioxide Grating Spectroradiometer）和云和氣溶膠探測儀（CAPI，Cloud and Aerosol Polarization Imager）兩個主要儀器[51]。而高分五號衛(wèi)星目前已發(fā)射兩顆衛(wèi)星，首顆衛(wèi)星是中國高分辨率地球觀測系統(tǒng)（CHEOS，China High-resolution Earth Observation System）的重要組成部分，于2018年5月發(fā)射，搭載的儀器包括：大氣痕量氣體差分吸收光譜儀（EMI，Environment Monitoring Instrument）用于探測全球的NO2和SO2等痕量氣體，大氣溫室氣體監(jiān)測儀（GMI，Greenhouse Gas Monitoring Instrument）用于監(jiān)測全球CO2和CH4，大氣環(huán)境紅外甚高光譜分辨率探測儀（AIUS，Atmospheric Infrared Ultra-spectral Sounder）用于探測高層大氣成分廓線信息，以及多角度偏振成像儀（DPC，Directional Polarization Camera）用于大氣氣溶膠和云的光學(xué)及微物理參數(shù)探測[52]。高光譜觀測衛(wèi)星（也稱為高分五號02星，GF-5 02星）于2021年9月7日發(fā)射，新增了高精度偏振掃描儀（POSP，Particulate Observing Scanning Polarimeter）可與DPC協(xié)同觀測得到更高精度的大氣污染監(jiān)測。此外，大氣環(huán)境監(jiān)測衛(wèi)星于2022年4月16日發(fā)射，其上搭載全球首個用于二氧化碳探測的主動激光雷達（ACDL，Aerosol and Carbon Detection Lidar），以及DPC，EMI，POSP和寬幅成像光譜儀（WSI，Wide Spectral Imager）等4臺儀器。

1.2 氣溶膠顆粒物監(jiān)測儀器及其應(yīng)用

氣溶膠監(jiān)測是衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)應(yīng)用的最重要領(lǐng)域之一，利用成像儀的可見光通道數(shù)據(jù)（表1）可以反演大氣氣溶膠光學(xué)厚度，實現(xiàn)對空氣質(zhì)量監(jiān)測的目的。HJ-1上的電荷耦合器（CCD）相機是一種包含4個波段（430～520 nm、520～600 nm、630～690 nm和760～900 nm）、空間分辨率為30 m的寬覆蓋相機[53]。通過建立CCD/HJ-1第1通道和MODIS第3通道之間的線性關(guān)系，可聯(lián)合反演得到更高空間分辨率的氣溶膠光學(xué)厚度[54-56]。

表1 典型成像儀MERSI、MERSI-II、AGRI、CCD/HJ-1、DPC等用于氣溶膠反演的通道Table 1 Specifications of MERSI,MERSI-II,AGRI HJ,DPC spectral bands for aerosol retrieval

FY-3系列搭載的MERSI是我國業(yè)務(wù)氣象衛(wèi)星上首個用于監(jiān)測全球氣溶膠顆粒物的儀器。FY-3A/FY-3B上搭載的MERSI包括19個可見/近紅外通道，以及1個熱紅外通道，4個可見/近紅外通道和1個熱紅外通道的星下點空間分辨率為250 m，其他通道為1 km；而FY-3D上搭載的MERSI-II則增加了5個熱紅外通道，通道總數(shù)達到25個通道，并增加了1個250 m分辨率的熱紅外通道。MERSI數(shù)據(jù)適用暗像元法（DT，Darktarget），通過氣溶膠類型等先驗信息建立多通道查找表，反演得到氣溶膠光學(xué)厚度（AOD，圖1）等空氣質(zhì)量參數(shù)[57-58]。研究已證明FY-3/MERSI與MODIS的AOD產(chǎn)品精度相當[59-60]，而且在沙塵暴監(jiān)測[61]和地表PM2.5反演[62]等方面得到了應(yīng)用。由于AGRI/FY-4A的通道設(shè)置與MERSI相近，因而也可將DT算法應(yīng)用于AGRI數(shù)據(jù)，并得到時間分辨率高達5 min的AOD產(chǎn)品（圖2）[36]。高分五號（GF-5）上搭載的多角度偏振成像儀（DPC），具有3個偏振通道（490，670 和865 nm），5個非偏振通道（443，565，763，765和910 nm），可從多個視角獲得相同目標圖像[63]。高光譜探測衛(wèi)星上搭載了DPC和POSP 2臺偏振儀器，DPC的多角度觀測能力提升到15個角度，而POSP具有紫外到短波紅外共9個偏振通道，也是全球首次采用“偏振交火”探測技術(shù)，能與DPC進行地表數(shù)據(jù)及偏振定標傳遞。利用偏振和多角度資料不僅能提高AOD反演精度的基礎(chǔ)上，還可以得到埃米指數(shù)（ANG）和細粒子比（FMF）[64]，實現(xiàn)PM2.5等細顆粒物探測。此外，高光譜探測衛(wèi)星上還搭載了吸收性氣溶膠探測儀（AAS），具有4個紫外通道，將能得到4 km分辨率的全球吸收性氣溶膠指數(shù)，實現(xiàn)在重霾、有云及亮地表等條件下的霧霾及氣溶膠類型監(jiān)測。此外，大氣環(huán)境監(jiān)測衛(wèi)星搭載的WSI，DPC和POSP三臺儀器，同時用于寬幅多光譜成像與多角度偏振成像能力，通過與ACDL協(xié)同觀測，將能實現(xiàn)更高精度的大氣氣溶膠監(jiān)測。

圖1 2018年1月FY-3D/MERSI-II全球地面氣溶膠光學(xué)深度分布[51]Fig.1 Global distribution of terrestrial aerosol optical depth in January 2018 from FY-3D/MERSI-II

圖2 2020年4月6日04時（世界時）由FY-4A/AGRI得出的氣溶膠光學(xué)厚度的全圓盤分布Fig.2 Full disk distribution of terrestrial aerosol optical depth derived fromFY-4A/AGRI at 0400 UTC on 6 April 2020

1.3 痕量氣體監(jiān)測儀器及其應(yīng)用

我國目前共發(fā)射了4臺大氣痕量氣體監(jiān)測儀器，包括第二代業(yè)務(wù)氣象衛(wèi)星FY-3系列上的紫外臭氧總量探測儀（TOU）和紫外臭氧垂直探測儀（SBUS），高分五號衛(wèi)星（及高光譜觀測衛(wèi)星）上搭載的大氣痕量氣體差分吸收光譜儀（EMI）和大氣環(huán)境紅外甚高光譜分辨率探測儀（AIUS）。此外，大氣環(huán)境監(jiān)測衛(wèi)星上也搭載了EMI。

搭載在FY-3A/B/C上的TOU是一臺采用固定光柵、狹縫陣列式 Ebert-Fastie單光柵光譜儀，TOU探測波段為6個（表2），每個波段的狹縫函數(shù)接近于高斯型，帶寬（FWHM）在1.0～1.3 nm。臭氧總量反演算法采用改進后的TOMS V7方法，在不同的緯度帶采用不同的通道組合來計算臭氧總量初估值，再分別與360 nm 通道組合對輻射定標的影響進行訂正，給出臭氧總量精確值[35]。從2008年首次利用TOU/FY-3A繪制了全球臭氧分布圖[65]以來，F(xiàn)Y-3系列實現(xiàn)了對南極臭氧的長期監(jiān)測（圖3）。FY-3系列的臭氧產(chǎn)品與地面數(shù)據(jù)集和同類衛(wèi)星產(chǎn)品交叉檢驗，結(jié)果一致性較好，且均方根誤差達4.3%和3.1%[66]。TOU/FY-3A數(shù)據(jù)資料也被用于北極臭氧柱總量監(jiān)測，長期分析結(jié)果顯示北極臭氧柱總量從2011年3月開始快速下降，其月平均總柱臭氧比1979—2010年的平均值低30%[65]。

圖3 TOU/FY-3觀測到的2008—2017年南極地區(qū)臭氧年平均值（填色表示Dobson，單位：DU）Fig.3 Annual average of total ozone over the Antarctic region from 2008 to 2017.The colour represents the ozone thickness in Dobson units (DU)

搭載在FY-3A/3B上的SBUS是一個雙單色儀，它只觀測一個方向，但有三種觀測模式，即地球觀測模式、太陽觀測模式和標準燈模式。地球觀測模式的SBUS以250～340 nm內(nèi)的12個通道觀測大氣紫外后向散射輻射亮度，各通道帶寬為1.1 nm，詳見表2。當衛(wèi)星運行達到極區(qū)上空時，采用太陽觀測模式。利用兩種模式下大氣后向散射輻亮度和太陽輻照度比值來估算大氣臭氧。產(chǎn)品分析結(jié)果顯示臭對流層上層到平流層中層的臭氧比正常水平大約低100 DU[44,67-68]。FY-3B SBUS還被用于研究2011年3—4月北極地區(qū)嚴重的臭氧損失[69]，以及太陽質(zhì)子事件期間的極地臭氧消耗[70]等。

EMI是一種大氣痕量氣體差分吸收光譜儀，共有4個光譜通道，范圍從240～710 m，光譜分辨率為0.3～0.5 nm（表2）。它的目標是獲取全球?qū)α鲗雍推搅鲗拥葘諝馕廴居杏绊懙暮哿繗怏w（如SO2、NO2、O3）。圖4為2018年10月EMI觀測得到的全球臭氧月平均分布結(jié)果。EMI得到的NO2產(chǎn)品分辨率與TROPOMI/Sentinel-5p分辨率相。高光譜觀測衛(wèi)星（GF-5 02）星上繼續(xù)搭載了EMI儀器，將延續(xù)高分五號的觀測。AIUS是一種傅里葉變換紅外光譜儀（表2），能觀測平流層和對流層上部的臭氧和其他痕量氣體。AIUS可以反演得到大氣垂直距離從18～58 km范圍內(nèi)臭氧濃度10%（約0.02～0.4 ppm①1 ppm＝10－6。）的變化，15～80 km范圍內(nèi)水汽10%（0～0.5 ppm）的變化，30～60 km范圍內(nèi)鹽酸10%（約0.1ppb②1 ppb＝10－9。）的變化[71]。

圖4 2018年10月 EMI/GF-5觀測得到的臭氧總柱全球月平均分布Fig.4 Global monthly average of ozone total column distribution acquired from EMI in October 2018

表2 痕量氣體監(jiān)測儀器TOU/FY-3、SBUS/FY-3、EMI/GF-5和AIUS/GF-5通道設(shè)置Table 2 Specifications of TOU/FY-3,SBUS/FY-3,EMI/GF-5 and AIUS/GF-5 spectral bands for trace gas monitoring

1.4 溫室氣體監(jiān)測儀器及其應(yīng)用

碳衛(wèi)星上的ACGS、風(fēng)云三號D星上的GAS，以及分別搭載在高分五號及高光譜觀測衛(wèi)星上的2臺GMI，都是用于探測溫室氣體全球分布的高光譜儀器。這些儀器的通道主要覆蓋了氧氣A吸收帶和兩個CO2吸收帶（1.61和2.04 μm），但在通道選擇上略有差別。其中，ACGS利用光柵技術(shù)1.61 μm通道來探測CO2濃度，GAS通過傅里葉變換的連續(xù)光譜可以同時反演CO2和CH4，同時還增加了2.3 μm通道用于反演N2O濃度，二者都是結(jié)合氧氣A吸收帶和2.04 μm消除水蒸氣和氣溶膠等的干擾，以提高反演精度[72-74]。GMI則選用了空間外差觀測技術(shù)，利用1.575和2.05 μm兩個通道來反演CO2濃度，并通過1.65 μm通道反演CH4濃度（表3）[75]。當前，碳衛(wèi)星CO2產(chǎn)品與OCO-2的交叉檢驗，以及與地面測量站點的真實性檢驗結(jié)果都反映出其產(chǎn)品反演精度較高（達2.11 ppm）[33]。GMI也得到了與國際同類儀器接近的CO2和CH4柱濃度的全球分布結(jié)果（圖5）[76]。

圖5 GMI反演得到的2018年9月平均XCO2（a）和XCH4（b）柱濃度全球分布Fig.5 Global distribution map of XCO2(a) and XCH4(b)column concentration from GMI in September 2018

表3 溫室氣體監(jiān)測儀器ACGS/碳衛(wèi)星、GAS/風(fēng)云三號D星和GMI/高分五號及高光譜觀測衛(wèi)星的光譜通道設(shè)置Table 3 Specifications of ACGS/TanSat,GAS/FY-3D and GMI/GF-5（GF-5 02）spectral bands for greenhouse gas monitoring.

大氣環(huán)境監(jiān)測衛(wèi)星上搭載的大氣探測激光雷達，是國際上首次成功發(fā)射的雙體制激光雷達，可用于探測氣溶膠和CO2。利用主動探測高精度高靈敏度的特點，可實現(xiàn)大氣CO2柱總量的精細化探測，獲取大范圍、高精度的CO2濃度變化信息，并提供氣溶膠散射系數(shù)廓線、消光系數(shù)廓線、光學(xué)厚度、邊界層高度等垂直分布信息，彌補以往被動觀測的不足。

1.5 地面真實性檢驗系統(tǒng)建設(shè)

20世紀末以來，中國遙感輻射校正場（CRCS，China Radiation Calibration Site）一直是我國遙感產(chǎn)品定標和真實性檢驗的標志性設(shè)施，長期服務(wù)于我國各系列衛(wèi)星的定標和檢驗[40]。本文主要介紹針對大氣成分真實性檢驗的專題地面觀測網(wǎng)。中國氣象局建設(shè)中國氣溶膠遙感網(wǎng)絡(luò)（CARSNET）[77]和中國科學(xué)院等聯(lián)合建設(shè)的太陽輻射計觀測網(wǎng)（SONET，Sun/skyradiometer Observation NETwork），主要用于監(jiān)測氣溶膠光學(xué)特性來驗證衛(wèi)星的產(chǎn)品；利用多軸差分光學(xué)吸收光譜儀（MAX-DOAS，MultiAxis Differential Optical Absorption Spectroscopy）實現(xiàn)痕量氣體柱總量和垂直廓線的探測，用于驗證衛(wèi)星的痕量產(chǎn)品；中國氣象局組建的臭氧探空儀網(wǎng)絡(luò)可以用于衛(wèi)星的臭氧柱總量產(chǎn)品驗證；國際上組建的總碳柱觀測網(wǎng)絡(luò)（TCCON Fourier Transform Spectrometers）配置了地基傅里葉變換光譜儀（FTS，F(xiàn)ourier Transform Spectrometers）實現(xiàn)高精度大氣CO2柱濃度測量，用于衛(wèi)星溫室氣體的遙感驗證。

CARSNET是中國氣象局從2002年開始建設(shè)的全國性地面觀測網(wǎng)（圖6），最初只包括位于中國北部和西北部的20個沙塵監(jiān)測站點，目前已涉及全國80個站，其中有50多個站實現(xiàn)長期觀測，可獲得高時間分辨率的氣溶膠光學(xué)特性資料[78-81]。CARSNET采用的太陽光度計，每年至少一次校準，以中國氣象科學(xué)院或者瓦里關(guān)全球大氣本底站（36.28°N，100.09°E，海拔為3816 m）為參考[81]，而校準后儀器的AOD和水汽含量相對偏差分別為＜2%和＜5%[77]。SONET是一個由中國科學(xué)院、高校和研究所聯(lián)合建設(shè)的觀測網(wǎng)，利用多波長偏振測量儀器（CE318-DP）擴展了CARSNET的探測能力[82]，而且在中國地區(qū)AOD真實性檢驗方面取得了不少新的發(fā)現(xiàn)[71]。尤其是，利用AERONET和SONET共計215個地面站資料的研究證明了DPC/GF-5的全球3.3 km高分辨率AOD資料與地面觀測具有較好的一致性[83]。

圖6 中國氣溶膠遙感網(wǎng)絡(luò)（CARSNET）的分布圖，黃點為80個站點位置Fig.6 Nation-wide distribution of China Aerosol Remote Sensing NETwork (CARSNET).The yellow dots denote the locations of the 80 sites of CARSNET

MAX-DOAS利用在不同海拔仰角測量的紫外和可見光散射特征反演對流層痕量氣體和氣溶膠的垂直廓線。目前，共有27個MAX-DOASs站點可用于相應(yīng)衛(wèi)星L2產(chǎn)品的真實性檢驗，以及為反演提供先驗信息[84]。我國境內(nèi)的站點主要位于華北平原（包括北京、天津、河北、山東、山西和河南）、長三角（包括上海、江蘇、安徽省）、大灣區(qū)（包括廣東省）和成渝地區(qū)（包括重慶和四川?。?，監(jiān)測NO2、SO2和CH4等大氣成分。利用MAX-DOAS檢驗EMI/GF5反演結(jié)果（圖7），當云覆蓋范圍小于0.3 h，相關(guān)系數(shù)高達0.946[85]。

圖7 地基MAX-DOAS檢驗EMI反演NO2結(jié)果Fig.7 Comparison of NO2 columns by ground-based MAX-DOAS and EMI observations

碳柱總量觀測網(wǎng)（TCCON）是利用地基FTS觀測CO2的觀測站網(wǎng)。作為全球CO2分布監(jiān)測的重要手段，TCCON的監(jiān)測精度可達0.25%[86]。此外，TCCON還能得到其他溫室氣體（如CH4，CO）以及痕量氣體（如N2O，H2O，HDO和HF）的濃度信息[87-90]。我國從1998年開始建設(shè)了4個FTS站（表4）。其中，北京是我國首個CO2地面觀測站[91]，近10年又陸續(xù)建設(shè)了合肥、興隆和香河等3個站，其中合肥和香河已成為TCCON成員站。這些站點在局部地區(qū)的真實性檢驗、評價衛(wèi)星觀測質(zhì)量等方面得到很多新的發(fā)現(xiàn)[92-96]。如圖8所示，GOSAT XCO2產(chǎn)品和北京FTS的相關(guān)系數(shù)為0.88，偏差為1.35 ppm[95]，合肥FTS站點相關(guān)系數(shù)也達到0.83，偏差為0.81 ppm。檢驗OCO-2產(chǎn)品的結(jié)果比GOSAT略差，相關(guān)系數(shù)為0.8[97]。

表4 中國地基FTS站點及TCCON成員站位置Table 4 Locations of ground-based FTS sites and TCCON members

圖8 北京地基FTS檢驗GOSAT反演CO2結(jié)果（a）GOSAT（紅色）和地基FTS（黑色）XCO2觀測的時間序列；（b）兩者相關(guān)性Fig.8 Comparison of the averaged XCO2 between GOSAT and Beijing FTS（a）time series of the XCO2 observation from GOSAT(red) and ground-based FTS in Beijing site (black),（b）correlation between the above-mentioned observations

2 未來大氣成分觀測衛(wèi)星計劃

2015年，國家發(fā)展改革委、財政部、國防科工局共同發(fā)布了《國家民用空間基礎(chǔ)設(shè)施中長期發(fā)展規(guī)劃（2015-2025年）》，強調(diào)不斷完善對氣溶膠、痕量氣體和溫室氣體等大氣成分的衛(wèi)星觀測[98]。該規(guī)劃中提到風(fēng)云三號后續(xù)衛(wèi)星中FY-3F將搭載具備天底和臨邊觀測能力的OMS用于痕量氣體的水平和垂直特征觀測，F(xiàn)Y-3H將搭載GAS用于臭氧和溫室氣體的持續(xù)業(yè)務(wù)監(jiān)測。科研衛(wèi)星方面還包括1顆計劃于2024年發(fā)射的高精度溫室氣體監(jiān)測衛(wèi)星（HGMS，High-precision Greenhouse gases Monitoring Satellite），該衛(wèi)星將搭載用于二氧化碳探測的主被動儀器，以及用于痕量氣體天底和臨邊觀測的紫外高光譜探測儀。

未來我國將依托以上衛(wèi)星計劃組建大氣成分探測的衛(wèi)星星座，實現(xiàn)對全球大氣成分的精密監(jiān)測，將進一步提升我們對大氣的科學(xué)認識，以更好服務(wù)于氣候變化、空氣污染治理、“碳達峰、碳中和”等國家戰(zhàn)略。