通过协同光谱校准和反演技术，利用中国的紫外-可见光卫星首次获得了全球范围内的每日两次臭氧层分布数据

《Remote Sensing of Environment》：First global twice-daily ozone profiles from Chinese UV–vis satellites via synergistic spectral calibration and retrieval

本研究通过协同校正GF-5B与DQ-1卫星搭载的EMI仪器，获取全球两次每日臭氧垂直分布数据，揭示其日变化特征及臭氧形成敏感性。通过修正系统反射偏移和仪器老化误差，显著降低跨卫星偏差（相对偏差从-72.5%降至±20%），提升垂直分布一致性，支持大气化学机制研究及污染控制策略优化。

　　大气臭氧在全球环境监测中扮演着重要角色，其在不同高度层的作用各异，对人类健康、生态系统以及气候变化均有深远影响。臭氧在平流层中占据约90%的比例，其主要功能是吸收太阳短波紫外线辐射，从而保护地球生物免受有害紫外线的侵害。而在对流层中，臭氧则兼具污染物和温室气体的双重属性，不仅会对人体健康和农作物生长造成负面影响，还会通过改变地球的能量平衡，间接影响全球气候系统。因此，臭氧的时空变化特征对于理解大气化学过程、评估环境影响以及制定有效的污染控制策略至关重要。

目前，全球臭氧监测依赖于多种技术手段，包括地面观测和卫星遥感。地面观测设备如多轴差分吸收光谱仪（MAX-DOAS）和臭氧探空仪（ozonesondes）能够提供高精度的臭氧浓度数据，但其空间覆盖范围有限，尤其在偏远和欠发达地区难以实现全面监测。相比之下，卫星遥感技术具备全球覆盖能力，能够在大尺度上追踪臭氧的时空变化。然而，由于卫星轨道的限制，低地球轨道（LEO）卫星通常在固定的当地时间获取数据，这使得它们在捕捉臭氧的昼夜变化方面存在局限性。而地球同步轨道（GEO）卫星虽然能够提供多时间点的观测，但其应用范围仍主要集中在特定地区，如亚洲的GEMS、北美的TEMPO和欧洲的Sentinel-4等，覆盖范围尚不全面，特别是在全球南方的南美和非洲等地区仍存在监测空白。

为了弥补这一不足，中国通过发射多颗搭载环境痕量气体监测仪器（EMI）的LEO卫星，提供了更全面的臭氧监测手段。这些卫星具备不同的过顶时间，从而能够在不同时间段获取臭氧数据，进而实现对臭氧昼夜变化的系统研究。GF-5B和DQ-1卫星分别于2021年9月和2022年4月发射，它们搭载的EMI仪器在紫外波段（240–710 nm）具有较高的空间分辨率（13 km × 24 km），并由两个二维CCD探测器组成，支持多波段的高光谱观测。这些仪器的性能在一定程度上得到了提升，例如波长偏移量从约0.09 nm减少至约0.05 nm，这表明其在光谱校准和仪器稳定性方面取得了显著进步。然而，尽管性能有所提升，GF-5B和DQ-1 EMI的观测数据仍需经过精确的校准和误差分析，以确保其能够提供可靠的臭氧剖面信息。

研究团队通过对GF-5B和DQ-1 EMI的协同校准和数据融合，成功获得了全球两次每日的臭氧剖面数据，并揭示了臭氧昼夜变化的特征。这一方法不仅克服了不同卫星观测数据之间的系统性偏差，还通过修正仪器退化误差，显著提高了数据的准确性。例如，在约16 km高度范围内，DQ-1 EMI的臭氧剖面相对偏差从-72.5%降低至±20%以内，表明协同校准有效提升了数据的一致性和可靠性。同时，GF-5B和DQ-1 EMI的臭氧剖面验证标准差也得到了显著改善，其垂直结构更加一致，从而为臭氧昼夜变化的准确评估提供了基础。

研究发现，全球臭氧昼夜变化的特征在不同高度层和不同区域表现出显著差异。特别是在低于100 hPa的高度范围内，臭氧的昼夜变化呈现出明显的季节性和纬度依赖性。这些变化不仅受到太阳辐射和大气化学反应的影响，还与地理位置、气候条件以及人类活动密切相关。例如，在高纬度地区，臭氧的昼夜变化可能受到更强的太阳辐射和更活跃的光化学反应的影响，而在低纬度地区，臭氧的昼夜变化则可能受到更强的对流层输送和区域污染源的调控。此外，臭氧的昼夜变化还与前体物（如挥发性有机化合物VOCs和氮氧化物NOx）的排放和光化学反应的强度有关，这些因素共同塑造了臭氧的时空分布模式。

为了更深入地理解臭氧的形成机制，研究团队还结合了对流层臭氧昼夜变化与甲醛与二氧化氮比值（HCHO/NO?，FNR）进行分析。FNR作为臭氧生成敏感性的关键指标，能够反映对流层中臭氧与前体物之间的非线性关系。通过计算FNR与臭氧浓度之间的敏感性阈值，研究团队识别了不同区域的臭氧生成敏感性模式，这些模式对于评估区域污染源的影响和制定针对性的减排措施具有重要意义。此外，这种结合多源数据的方法也提供了一种新的思路，即利用多颗卫星的协同观测来更全面地理解大气化学过程，从而为全球环境监测和污染控制提供科学支持。

在研究过程中，团队还对GF-5B和DQ-1 EMI的性能进行了详细分析，包括光谱响应函数的表征、波长和光谱反射率的校准，以及测量误差的评估。这些步骤对于确保数据质量至关重要，因为任何仪器性能的偏差都可能导致臭氧剖面数据的不准确。例如，光谱响应函数的表征能够帮助研究人员更准确地理解仪器如何将高分辨率的太阳参考光谱与气体吸收截面进行卷积，从而影响臭氧剖面的反演精度。此外，波长校准和光谱反射率校准则是确保仪器在不同时间和空间条件下保持稳定性能的关键环节。测量误差的评估则有助于识别和修正数据中的系统性偏差，从而提高最终结果的可靠性。

通过这些校准和修正步骤，研究团队不仅提升了GF-5B和DQ-1 EMI的观测数据质量，还为全球臭氧昼夜变化的监测提供了更精确的工具。这使得研究人员能够在更广泛的地理范围内分析臭氧的变化模式，并进一步探讨其与大气氧化能力、光化学反应机制以及环境因素之间的关系。同时，这些研究成果也为未来多卫星联合监测提供了重要参考，即通过整合不同卫星的观测数据，可以更全面地描绘大气环境的变化，并为全球气候和环境政策提供科学依据。

此外，研究团队还发现，对流层臭氧的昼夜变化在不同区域表现出不同的地理特征。例如，在某些地区，臭氧浓度在白天较高，而在夜间较低，这种变化可能与太阳辐射、污染物排放和大气动力过程有关。而在另一些地区，臭氧的昼夜变化则可能更加复杂，受到多种因素的共同影响。这些发现不仅有助于理解臭氧的形成机制，还能够为污染源的识别和控制提供新的视角。例如，通过分析臭氧昼夜变化与FNR之间的关系，研究人员可以更准确地判断某一地区的臭氧生成是否受到VOCs和NOx排放的主导，从而为区域污染治理提供科学支持。

总的来说，这项研究通过协同校准和数据融合的方法，成功克服了不同卫星观测数据之间的系统性偏差，提高了全球臭氧昼夜变化监测的精度和可靠性。同时，研究还揭示了臭氧昼夜变化的复杂时空特征，为理解大气化学过程、评估环境影响以及制定有效的污染控制策略提供了新的思路和方法。随着多颗卫星的持续运行和数据的不断积累，这种协同监测方法有望在未来得到更广泛的应用，从而为全球大气环境研究和气候变化应对提供更加全面和精确的数据支持。