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中國科學技術大學主導完成科研成果入選2021年度“中國生態環境十大科技進展”
近日，由中國科協生態環境產學聯合體組織評選的2021年度“中國生態環境十大科技進展”結果揭曉，中國科學技術大學工程科學學院劉誠教授團隊牽頭、中國科學技術大學與中國科學院合肥物質科學研究院、生態環境部衛星環境應用中心共同完成的“國產超光譜衛星痕量氣體遙感及應用”入選2021年度“中國生態環境十大科技進展”，在全國十項入選成果中排名第一。
控製汙染氣體和溫室氣體等痕量氣體排放是應對空氣汙染和氣候變化兩大大氣環境問題的重要途徑。大氣環境超光譜衛星遙感是全麵掌握痕量氣體時空變化特征、支撐我國“減汙降碳”戰略必不可少的觀測技術。然而我國超光譜遙感長期依賴歐美國家的衛星載荷，嚴重製約了在大氣汙染跨境傳輸和全球排放責任評估上的國際話語權。研究團隊圍繞“痕量氣體時空分布表征”關鍵科學問題和自主可控的國家需求，研製了我國分辨率最高的紫外-可見超光譜衛星載荷，研發了從超光譜衛星發射前定標、在軌超光譜定標到多組分痕量氣體反演的完整遙感算法，在載荷關鍵部件遭國際禁運的不利條件下，實現了基於國產超光譜衛星的痕量氣體遙感監測（下圖所示）。
國產超光譜衛星痕量氣體遙感
主要創新成果包括：設計了大視場非球麵高分辨光譜成像光路和卷簧式太陽譜觀測光路，成功研製了我國目前分辨率最高的紫外-可見超光譜載荷（搭載於高分五號衛星的大氣痕量氣體差分吸收光譜儀，EMI，下圖所示）。
國產超光譜衛星載荷EMI
針對EMI載荷光譜在地理像元和波長維度響應不均一的問題，研發了發射前的實驗室定標裝置，為儀器發射後的在軌定標和痕量氣體反演提供了必不可少的初始場；針對太空環境下國產載荷在輻射定標和光譜定標時空維度上的係統偏差，研發了發射後在軌實時超光譜定標算法，大幅降低了EMI和國產碳衛星載荷（TanSat）的光譜擬合殘差。
針對低信噪比下目標氣體反演誤差大的問題，研發了自適應反演配置迭代算法，最大限度去除了同波段其它氣體的幹擾，進一步大幅降低了反演誤差；針對我國高氣溶膠濃度背景下的多次光散射現象，研發了太陽光子路徑校正算法，大幅提高了痕量氣體的反演精度。
研究團隊通過一係列關鍵技術的突破，使得國產衛星的二氧化氮（NO2）、二氧化硫（SO2）、甲醛（HCHO）、二氧化碳（CO2）等痕量氣體的反演精度達到了國際同類最先進衛星的同等水平（下圖所示），實現了中國的“減汙降碳”成效用中國衛星觀測來評估，增強了我國在減排責任上的國際話語權。團隊還將在軌超光譜定標、自適應反演配置迭代算法等關鍵技術應用於國際衛星的遙感反演，修正了歐美S5P衛星官方產品對我國SO2的嚴重高估，大幅提高了NO2、HCHO的觀測精度，真實評估了我國的減排成效，並率先實現了歐美官方所沒有的公裏級分辨率臭氧垂直廓線和乙二醛反演。
國產超光譜衛星痕量氣體遙感結果（上圖）與國際最先進同類衛星官方產品（下圖）對比。(a)國產EMI載荷的NO2反演結果；（b）歐美S5P衛星的NO2反演結果；(c)國產EMI載荷的SO2反演結果;（d）歐美S5P衛星的NO2反演結果；（e）國產TanSat衛星的CO2反演結果；（f）歐美OCO-2衛星的CO2反演結果
該研究成果相關論文發表在Science Advances、Light: Science & Applications、Earth-Science Reviews、Environmental Science & Technology、Remote Sensing of Environment等國際著名期刊，其創新性得到了國內外學術界的一致認可。衛星遙感結果的準確性和實用性也得到了我國大氣汙染防治部門的高度認可，作為生態環境部衛星環境應用中心的業務化標準產品落地應用。
團隊研究成果在“減汙降碳”實際工作中的貢獻得到了國家大氣汙染防治攻關聯合中心、中國環境監測總站等國家部門和全國多個省市政府部門的充分肯定，評價其“彌補了地麵監測站點在郊區和農村觀測的缺失”、“實現了業務部門與科研部門數據的有效融合與綜合管理業務化”、解決了“重點排放源的精準定位和實時監控”等環保工作中的實際難題，連續為三屆中國國際進口博覽會和北京冬奧會提供空氣質量保障，突破了歐美衛星不提供近實時光譜的製約，大幅提升了國產衛星遙感的時效性，實現了中國重大活動的空氣質量保障用國產衛星觀測來支撐。團隊還建立了向科研院校和社會公眾免費開放的衛星遙感信息共享平台，累積數據下載量已超90000GB。該項目技術成果支撐了多個國家重點專項和技術規範的製定，打破了多年來高度依賴國外衛星載荷的局麵，推動了我國大氣環境監測技術的發展。
2021年度“中國生態環境十大科技進展”遴選與評審由中國科協生態環境產學聯合體組織開展，旨在為反映生態環境科技領域前沿發展動態，引領生態環境領域技術創新，為我國生態環境保護和美麗中國建設提供科技支撐。經兩院院士、聯合體各成員單位和全國大專院校、科研機構推薦，聯合體對多項進展進行了形式審查、公示、初評，並組織院士和學部委員對通過初評的18項進展進行終評，最終選出“國產超光譜衛星痕量氣體遙感及應用”等十大科技進展並予以公布。
（來源：中國科學技術大學）
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