“国产超光谱卫星痕量气体遥感及应用”入选2021年度“中国生态环境十大科技进展”

近日，由中国科协生态环境产学联合体组织评选的2021年度“中国生态环境十大科技进展”结果揭晓，中国科大工程科学学院刘诚教授团队牵头、中国科大与中国科学院合肥物质科学研究院、生态环境部卫星环境应用中心共同完成的“国产超光谱卫星痕量气体遥感及应用”入选2021年度“中国生态环境十大科技进展”，在全国十项入选成果中排名第一。

控制污染气体和温室气体等痕量气体排放是应对空气污染和气候变化两大大气环境问题的重要途径。大气环境超光谱卫星遥感是全面掌握痕量气体时空变化特征、支撑我国“减污降碳”战略必不可少的观测技术。然而我国超光谱遥感长期依赖欧美国家的卫星载荷，严重制约了在大气污染跨境传输和全球排放责任评估上的国际话语权。研究团队围绕“痕量气体时空分布表征”关键科学问题和自主可控的国家需求，研制了我国分辨率最高的紫外-可见超光谱卫星载荷，研发了从超光谱卫星发射前定标、在轨超光谱定标到多组分痕量气体反演的完整遥感算法，在载荷关键部件遭国际禁运的不利条件下，实现了基于国产超光谱卫星的痕量气体遥感监测（下图所示）。

国产超光谱卫星痕量气体遥感

主要创新成果包括：设计了大视场非球面高分辨光谱成像光路和卷簧式太阳谱观测光路，成功研制了我国目前分辨率最高的紫外-可见超光谱载荷（搭载于高分五号卫星的大气痕量气体差分吸收光谱仪，EMI，下图所示）。

国产超光谱卫星载荷EMI

针对EMI载荷光谱在地理像元和波长维度响应不均一的问题，研发了发射前的实验室定标装置，为仪器发射后的在轨定标和痕量气体反演提供了必不可少的初始场；针对太空环境下国产载荷在辐射定标和光谱定标时空维度上的系统偏差，研发了发射后在轨实时超光谱定标算法，大幅降低了EMI和国产碳卫星载荷（TanSat）的光谱拟合残差。

针对低信噪比下目标气体反演误差大的问题，研发了自适应反演配置迭代算法，最大限度去除了同波段其它气体的干扰，进一步大幅降低了反演误差；针对我国高气溶胶浓度背景下的多次光散射现象，研发了太阳光子路径校正算法，大幅提高了痕量气体的反演精度。

研究团队通过一系列关键技术的突破，使得国产卫星的二氧化氮（NO2）、二氧化硫（SO2）、甲醛（HCHO）、二氧化碳（CO2）等痕量气体的反演精度达到了国际同类最先进卫星的同等水平（下图所示），实现了中国的“减污降碳”成效用中国卫星观测来评估，增强了我国在减排责任上的国际话语权。团队还将在轨超光谱定标、自适应反演配置迭代算法等关键技术应用于国际卫星的遥感反演，修正了欧美S5P卫星官方产品对我国SO2的严重高估，大幅提高了NO2、HCHO的观测精度，真实评估了我国的减排成效，并率先实现了欧美官方所没有的公里级分辨率臭氧垂直廓线和乙二醛反演。

国产超光谱卫星痕量气体遥感结果（上图）与国际最先进同类卫星官方产品（下图）对比。(a)国产EMI载荷的NO2反演结果；（b）欧美S5P卫星的NO2反演结果；(c)国产EMI载荷的SO2反演结果;（d）欧美S5P卫星的NO2反演结果；（e）国产TanSat卫星的CO2反演结果；（f）欧美OCO-2卫星的CO2反演结果

该研究成果相关论文发表在Science Advances、Light: Science & Applications、Earth-Science Reviews、Environmental Science & Technology、Remote Sensing of Environment等国际著名期刊，其创新性得到了国内外学术界的一致认可。卫星遥感结果的准确性和实用性也得到了我国大气污染防治部门的高度认可，作为生态环境部卫星环境应用中心的业务化标准产品落地应用。

团队研究成果在“减污降碳”实际工作中的贡献得到了国家大气污染防治攻关联合中心、中国环境监测总站等国家部门和全国多个省市政府部门的充分肯定，评价其“弥补了地面监测站点在郊区和农村观测的缺失”、“实现了业务部门与科研部门数据的有效融合与综合管理业务化”、解决了“重点排放源的精准定位和实时监控”等环保工作中的实际难题，连续为三届中国国际进口博览会和北京冬奥会提供空气质量保障，突破了欧美卫星不提供近实时光谱的制约，大幅提升了国产卫星遥感的时效性，实现了中国重大活动的空气质量保障用国产卫星观测来支撑。团队还建立了向科研院校和社会公众免费开放的卫星遥感信息共享平台，累积数据下载量已超90000GB。该项目技术成果支撑了多个国家重点专项和技术规范的制定，打破了多年来高度依赖国外卫星载荷的局面，推动了我国大气环境监测技术的发展。

2021年度“中国生态环境十大科技进展”遴选与评审由中国科协生态环境产学联合体组织开展，旨在为反映生态环境科技领域前沿发展动态，引领生态环境领域技术创新，为我国生态环境保护和美丽中国建设提供科技支撑。经两院院士、联合体各成员单位和全国大专院校、科研机构推荐，联合体对多项进展进行了形式审查、公示、初评，并组织院士和学部委员对通过初评的18项进展进行终评，最终选出“国产超光谱卫星痕量气体遥感及应用”等十大科技进展并予以公布。（来源：中国科大）