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大气气溶胶源自自然和人为来源，是空气污染的主要组成部分，对空气质量、人体健康和大气化学有显著影响。因此，来自地基仪器的可靠且连续的气溶胶光学厚度（aerosol optical depth, τ_aer）测量对于表征气溶胶负荷及其时空变化至关重要。本研究提出了一种利用Pandora光谱仪在紫外（UV, 315–375 nm）和可见光（400–530 nm）光谱范围内反演τ_aer的框架。在紫外波段，标准直射太阳测量中来自可见光波段的带外杂散光阻碍了可靠的τ_aer反演。为解决这一局限，研究人员利用了U340滤光片获取的测量数据，该滤光片抑制了紫外光谱中的这种污染，从而能够在紫外区域进行可靠的τ_aer反演。通过所提出的光谱拟合框架，痕量气体吸收和气溶胶消光成分得以从测量的总光学厚度中成功分离。同时，从标准漫射器（Diffuser）测量中反演出可见光波段的τ_aer值。反演的紫外和可见光τ_aer值与同址的AErosol RObotic NETwork（AERONET）数据高度一致，其决定系数（R²）为0.88–0.99，均方根误差（RMSE）为0.016–0.039，平均偏差误差（MBE）绝对值为0.002–0.023，斜率为0.93–1.01，截距绝对值小于0.01。结合Pandora同时反演的痕量气体产品，这些τ_aer数据集可作为空气污染分析的宝贵资源。

基于Pandora光谱仪的紫外-可见气溶胶光学厚度反演研究解读

大气气溶胶是空气污染的重要组分，其通过散射和吸收太阳辐射改变地球辐射平衡，并可作为云凝结核影响云微物理和辐射特性。高浓度气溶胶对人类呼吸系统具有不利影响，因此精确监测气溶胶负荷及其时空变化至关重要。卫星遥感如中分辨率成像光谱仪（MODIS）和可见光红外成像辐射计套件（VIIRS）提供了长期全球气溶胶记录，但仍需地基观测验证。气溶胶光学厚度（τaer）是表征大气柱气溶胶总消光的基本参数，地基直射太阳观测可提供高精度、高时间分辨率的τaer数据。然而，传统地基网络如AERONET仅在340 nm及以上波长提供常规产品，更短紫外波段的τaer反演仍面临挑战。紫外τaer对于评估气溶胶对光化学过程（如NO₂和O(¹D)光解速率）及红斑紫外辐射的影响具有重要意义。由于紫外辐照度低、辐射测量不确定度大，且需准确扣除臭氧（O₃）强吸收，短波紫外τaer反演一直较为困难。本研究旨在利用Pandora光谱仪在315–530 nm范围内实现高光谱分辨率的τaer反演，并与AERONET数据交叉验证，以扩展紫外气溶胶观测能力。

研究人员利用Pandonia全球网络（PGN）的L0数据，选取东北亚四个站点：韩国首尔、仁川-ESC、蔚山以及蒙古达兰扎达嘎德，覆盖2022–2023年时段。Pandora 1S系统在紫外-可见波段（约280–530 nm）以约0.6 nm光谱分辨率进行直射太阳和天空辐射测量。常规测量分为两种模式：漫射器（Diffuser）测量和U340滤光片测量。Diffuser测量适用于可见光波段，但可见光强辐射会在紫外通道产生带外杂散光污染；U340滤光片可有效阻挡可见光，从而获得洁净的紫外信号。研究基于Beer-Lambert-Bouguer定律，通过光谱Langley定标外推大气顶电压常数，并利用光谱拟合框架将痕量气体吸收与气溶胶消光分离。同时，采用基于光学厚度时间变率的云筛选算法，结合埃克斯佩ponent（?ngstr?m exponent）判据剔除云污染样本。最终将Pandora反演的τaer与同址AERONET CIMEL太阳光度计在340、375、440和500 nm处进行对比验证。

在方法层面，关键步骤包括：第一，光谱Langley定标。在晴空且大气稳定条件下，对lnC(λ)+m_Rayτ_Ray(λ)与相对气溶胶空气质量因子作线性回归，得到C₀(λ)。利用PGN L2产品中的日最小O₃柱总量进行O₃空气质量校正，并要求O₃柱日变化小于3 DU、Langley斜率绝对值小于0.15、相关系数R小于-0.8。第二，光谱拟合。U340测量在315–375 nm范围内考虑O₃、BrO、HCHO、SO₂、NO₂、O₄吸收；Diffuser测量在400–530 nm范围内考虑H₂O、NO₂、O₃、O₄吸收。气溶胶消光由10个Mie散射核（对数正态分布，几何宽度2.2，复折射率n=1.55、k=0.007）参数化，通过最小化成本函数同时拟合痕量气体系数和气溶胶消光系数。第三，云筛选。U340测量以340 nm处12分钟窗口的光学厚度标准差/时间标准差阈值进行筛选，Diffuser测量则以500 nm处6分钟窗口进行；同时U340测量采用320与370 nm计算的α值（α<0排除）作为附加判据。第四，验证方法。将Pandora与AERONET V3 Level 2.0数据在3分钟内匹配，其中375 nm处AERONET值由340和380 nm线性内插得到，并计算决定系数（R²）、均方根误差（RMSE）、平均偏差误差（MBE）及线性回归斜率和截距。

研究结果如下。3.1 光谱拟合用于分离痕量气体吸收和气溶胶消光：以首尔站点为例，在扣除Rayleigh散射和日最小O₃柱光学厚度后，拟合残差较小，表明光谱拟合能成功复现测量光学厚度；反演的τaer谱与AERONET在340、380、440和500 nm处均一致，日变化趋势也吻合。3.2 与AERONET对比验证Pandora反演的τaer：四个站点的散点图显示，在340、375、440、500 nm波长处，Pandora与AERONETτaer具有良好的一致性，整体统计指标为R²=0.88–0.99、RMSE=0.016–0.039、|MBE|=0.002–0.023、斜率=0.93–1.01、|截距|<0.01。|Δτaer|≤0.05的样本比例在84.2%至99.2%之间，极端异常（Δτaer≤-0.10）占比约1%或更少。光谱τaer显示清晰的波长依赖性，表明Pandora反演结果适用于局地空气质量研究和卫星气溶胶产品验证。尤其Pandora能在315 nm以下连续提供τaer，填补了AERONET在短波紫外A波段的观测空白。

讨论部分指出，Pandora与AERONET之间的偏差可能源于光谱拟合的不确定性、痕量气体吸收处理差异、Rayleigh光学深度误差以及仪器维护状态（如入口窗口尘埃、雨滴残留、太阳跟踪不准）。与AERONET在清洁背景站点进行Langley定标不同，本研究在城市站点中筛选相对清洁时段进行定标，需严格控制大气条件。验证结果表明所选定标案例合适，Pandoraτaer与AERONET偏差较小。

结论表明，本研究建立的框架能够从Pandora直射太阳测量中反演紫外-可见波段高光谱分辨率τaer，紫外τaer来自U340测量（315–375 nm），可见τaer来自Diffuser测量（400–530 nm）。与AERONET对比的一致性证明了该框架具有可接受的精度。未来工作将把分析扩展到全球不同气溶胶类型的站点，并利用Pandora同时反演的气溶胶与痕量气体（NO₂、SO₂、HCHO、H₂O）产品，研究气溶胶与痕量气体之间的复杂相互作用。