基于卫星遥感的甲醛和乙二醛监测与应用综述
王雅鹏1，2，3
，陶金花1*，余
超1，程良晓1，2
，顾坚斌1，范
萌1，张莹1，
胡斯勒图1，陈良富1，
2
（1.中国科学院空天信息创新研究院遥感科学国家重点实验室，北京100094；2.中国科学院大学，北京100049；
3.中国气象局
国家卫星气象中心，北京100081）
摘
要：甲醛（HCHO ）和乙二醛（CHOCHO ）是大气中大多数VOCs （volatile organic compounds ）的氧化中间产物，可作
为快速检测VOC 的化学指示，对空气质量监测有重要的意义。基于卫星遥感手段能获得全球范围、长时间序列的HCHO 和CHOCHO 数据集，对研究空气质量变化起到积极的作用。但HCHO 和CHOCHO 光学吸收特征弱，易受干扰成分的影响，导致卫星遥感反演结果存在较大的不确定性。本文综述可用于HCHO 和CHOCHO 监测的传感器发展现状、HCHO 与CHOCHO 遥感反演算法进展及产品现状，以及基于卫星观测的HCHO 和CHOCHO 产品集的应用。重点介绍国内学者针对国际载荷的甲醛和乙二醛产品所做的优化和改进，以及针对国产载荷-大气痕量气体差分吸收光谱仪（environmental trace gas Monitoring Instrument ，EMI ）的HCHO 反演算法研发的突破，阐述其对提升国产载荷应用潜力的重要意义。最后，本文讨论并总结了HCHO 和CHOCHO 卫星遥感反演及应用研究需要进一步关注的问题，指出降低HCHO 和CHOCHO 产品不确定性对应用研究的重要作用，为临近空间创新研发，建立低轨卫星环保数据产业链提供技术支撑。
关键词：甲醛；乙二醛；算法进展；应用现状中图分类号：X515
文献标识码：A
文章编号：2096-2347（2020）03-0043-10
收稿日期：2020-09-06
基金项目：国家重点研发计划项目（2017YFB0503901，2018YFC0213901）；中国科学院战略性先导科技专项（XDA19040201）；大气重
污染成因与治理攻关项目（DQGG0201-02）。
作者简介：王雅鹏（1990—），女，博士，主要从事大气成分遥感反演算法研究。E-mail:************** *通信作者：陶金花（1978—），女，副研究员，博士，主要从事大气环境研究。E-mail:*************
引用格式：王雅鹏，陶金花，余超，等.基于卫星遥感的甲醛和乙二醛监测与应用综述[J].三峡生态环境监测，2020，5（3）：43-52.
Cite Forma t:WANG Y P,TAO J H,YU C,et al.Overview of formaldehyde and glyoxal monitoring and application bad on satellite remote ns⁃ing[J].Ecology and Environmental Monitoring of Three Gorges ，2020，5（3）：43-52.
DOI ：10.19478/jki.2096-2347.2020.03.05
Overview of Formaldehyde and Glyoxal Monitoring and Application bad
on Satellite Remote Sensing
WANG Yapeng 1,2,3,TAO Jinhua 1*,YU Chao 1,CHENG Liangxiao 1,2,GU Jianbin 1,FAN Meng 1,
ZHANG Ying 1,HUSI Letu 1,CHEN Liangfu 1,2
（1.State Key Laboratory of Remote Sensing Science,Aerospace Information Rearch Institute,Chine Academy of Sciences,Beijing
100094,China;2.University of Chine Academy of Sciences,Beijing 100049,China;3.National Satellite Meteorological Center,
China Meteorological Administration,Beijing 100081,China)
Abstract:Atmospheric formaldehyde (HCHO)and glyoxal (CHOCHO)are short-lived oxygenated volatile organic compounds (OVOCs).They can be ud as proxies for volatile organic compounds (VOCs)emissions as HCHO and CHOCHO are oxidation in⁃termediates of most VOCs.Therefore,the measurements of HCHO and CHOCHO are esntial for air quality monitoring.Bad on
三峡生态环境监测
Ecology and Environmental Monitoring of Three Gorges
2020年9月Sep.2020
第5卷第3期V ol.5No.3
三峡生态环境监测sxhc.cbptki/第5卷44
satellite remote nsing technology,global and long-term HCHO and CHOCHO datats,which play a positive role in air quality monitoring,can be obtained.However,the optical absorption of formaldehyde and glyoxal are weak,nsitive to interference compo⁃nents,and prone to noi,leading to great uncertainty in the retrieval results.In this paper,we reviewed the development of n⁃sors for HCHO and CHOCHO obrvations,the progress of their retrieval algorithms and the existing operational products,as well as the applications bad on the HCHO and CHOCHO datats derived from satellite remote nsing.In particular,we emphasized our domestic rearches which have made breakthroughs not only in the improvement of formaldehyde and glyoxal products bad on the existing operational products,but also in the development of algorithms for Chine en
vironmental trace gas monitoring in⁃strument(EMI)nsor onboard the GaoFen-5(GF5)satellite,and elaborate great significance of the works for exploring the poten⁃tial of EMI applications.Finally,we discusd and summarized the issues that need to pay more attention further,and pointed out the important role of reducing the uncertainty of HCHO and CHOCHO product on application rearch.
Key words:formaldehyde;glyoxal;algorithm progress;application trends
甲醛（HCHO）和乙二醛（CHOCHO）都是大气中短寿命的氧化性挥发有机物（oxygenated vola⁃tile organic compounds，OVOCs）。甲醛（HCHO）是大气中含量最丰富的碳氢化合物之一，也是大气中的关键组分。由于光化学反应和OH自由基的氧化作用，HCHO在大气中的生命周期很短，只有1.5h[1]。背景大气中的HCHO主要来自CH4的氧化。在大陆区域，其来源一方面是生物质燃烧、工业活动的直接排放；另一方面是人为源，生物源排放的非甲烷挥发性有机物（non-methane vola⁃tile organic compounds，NMVOCs）氧化产生的中间产物[2]。NMVOCs经过一系列光化学氧化，最终生成CO2，甲醛是这些氧化链的高产中间产物。与二次化学反应生成相比，直接排放的HCHO相对较少。乙二醛是大气中最小的α-二羰基化合物。全球生物源排放的异戊二烯氧化贡献了47%的乙二醛，其次是乙炔（主要是人类活动产生）[3]。HCHO和CHOCHO是大多数VOCs的氧化中间产物，可作为快速检测VOC（volatile organic com⁃pounds）的化学指示[4]。NMVOCs在大气中参与多项化学反应，是对流层O3的主要前体物，影响对流层O3的生消和大气的氧化性[5-6]；此外，NMVOCs 还可通
过转化生成二次有机气溶胶[7]，影响空气质量、云微物理特性和辐射平衡，并且直接贡献PM2.5中的有机成分[8-9]。了解VOCs在大气中的时空分布特征和动态变化对臭氧生成机制的研究、臭氧防治政策的制定、污染源动态监察及空气质量评估具有重要的意义。因此，尽管大气中的HCHO和CHOCHO属于弱痕量气体，但对空气质量有重要影响。
近年来，地面站点的观测结果表明，2013—2017年期间O3日最大8h平均值（maximum daily 8h average，MDA8）在重点城市群地区，如在京津冀、长三角等呈现增长趋势[10]。从大气化学的角度，近地面臭氧的生成对其前体物VOCs和NO x 的响应是非线性的。已有研究结果表明，2013—2017年期间我国人为氮氧化物的排放整体下降了21%[10]。但是，VOCs种类多样，来源复杂，化学结构各异，对应的反应活性（臭氧生成潜势）也有较大差异，目前没有一种方法能够全面并且准确地对大气中的VOCs进行测量[11]。现阶段VOCs 的地基监测可以分为手工和自动监测两大类，仅能依赖有限的野外观测站点的资料，难以大范围地定量其对臭氧生成的影响和贡献。总体上，臭氧生成机制的复杂性和其重要前体物之一VOCs的难测性共同制约了有效的臭氧污染防治方案的制定。因此，有必要借助卫星遥感手段观测HCHO 和CHOCHO，了解我国的VOCs区域特征及臭氧前体物的时空变化，及其导致的臭氧光化学反应区域变化的应用研究，从而辅助政策的科学决策，尤其是在“重庆临近空间创新研发中心”成立，致力于开发低轨卫星全产业链的形势下，本研究可以提高卫星环保数据产品质量，推动卫星环保数据产业发展。
第5卷第3期45
1甲醛与乙二醛卫星遥感监测探测器的发展自1995年GOME（global ozone monitoring ex⁃periment）传感器发射以来，经过国内外研究学者
50余年的努力，卫星传感器的仪器设计和反演技术都有了不断的进步，使得利用光学遥感手段监测对流层中难以探测的HCHO和CHOCHO等成分也有了可能，可提供定量化的甲醛和乙二醛时空分布信息。国际上已有的紫外-可见光卫星传感器能探测HCHO的有：GOME、SCIAMACHY（scan⁃ning imaging absorption spectrometer for atmospheric chartography）、GOME-2、OMI（ozone monitoring instrument）、OMPS（ozone mapping and profiling suite），TROPOMI（tropospheric ozone monitoring instrument）、EMI（environmental trace gas moni⁃toring instrument）；除OMPS不包含CHOCHO的吸收光谱范围外，各传感器均能探测CHOCHO。在研的静止卫星TEMPO（tropospheric emissions:mon⁃itoring of pollution）和近期发射成功的静止卫星GEMS（geostationary environment monitoring spec⁃trometer）均具有HCHO反演能力，TEMPO还拟提供CHOCHO产品。各个传感器的详细信息如表1所示。整体上，OMI载荷是目前在轨运行时间最长，能提供长达10余年的HCHO和CHOCHO信息的重要传感器，其长时间观测的数据集为反演算法研究和应用研究提供了宝贵的数据资料。需要说明的是OMI载荷自2007年以来受行异常（https: //projects.knmi.nl/omi/rearch/product/rowanomaly-messages.php）的影响，据统计，截至2017年，
38%的OMI Level1数据受到行异常的影响[12]。
TROPOMI载荷2017年10月13日发射成功（ntinel.esa.int/web/ntinel/missions/nti⁃nel-5p），预计在轨寿命为7年[13]。其中紫外波段的光谱分辨率为0.5nm，与OMI相当。对应紫外和可见光通道的空间分辨率为3.5km×7km（约25km2），是OMI传感器空间分辨率的12倍[14]。且自2019年8月6日起，其空间分辨率进一步提升为3.5km×5km（pomi.eu/mission-status）（约17km2）。已有研究证明，TROPOMI可为大气成分监测提供更高空间分辨率的空间分布信息[14]。
表1UV-VIS波段载荷Table1Satellite nsors with UV-VIS channel
系统介绍
卫星
主办机构
或国家
赤道过境时间
运行期
全球覆盖时间空间分辨率/km 光谱分辨率光谱范围
千古名/nm HCHO CHOCHO
离轨
GOME
心存善念ERS-2
ESA
10:30
1995—2003
3d
40×320
UV-Vis
240～790
√
SCIAMACHY
ENVISAT
ESA
10:00
2002—2012
6d
30×60
UV-Vis-IR
240～2400
√
√
在轨
OMI
行书学习AURA
NASA
逻辑学入门书籍13:45
2004—
1d
13×24
UV-Vis
270～
500
√
GOME-2
METOP-A
ESA/
EUMETSAT
9:30
2006—
1.5d
40×80
UV-Vis
250～790
√
OMPS
Suomi NPP
NASA
13:30
参观烈士陵园2011—
1d
50×50
1nm
300～380
项目可行性报告√
√
TROPOMI
Sentinel5
precursor(S5P)
ESA
极轨卫星
2017—含羞草花
1d
5×3.5
0.5nm
270～320
310～500
675～775
2305～2385
√
EMI
GaoFen5
China
极轨卫星
2018—
1d
13×48
0.5nm
240～315，
311～403，
401～550，
545～710
GEMS
AMI Earth
Korea
静止卫星
7
0.6nm
300～500
√
在研
TEMPO
Venture
NASA
静止卫星
~2×4.5
0.6nm
波轮洗衣机与滚筒洗衣机哪个好
290～740
√
√王雅鹏，等：基于卫星遥感的甲醛和乙二醛监测与应用综述
三峡生态环境监测sxhc.cbptki/第5卷46
EMI光谱仪搭载在我国高分5号卫星上，该卫星于2018年5月9日发射成功，用于测量240~710 nm波长范围内的地球后向散射和太阳辐射，光谱分辨率为0.3~0.5nm[15-16]。国内研究学者已经证明了EMI可见光谱段在轨观测数据的对流层NO2柱浓度探测能力[17]。同时，EMI紫外波段（UV2）也包含了甲醛反演的窗口，UV2通道的标称信噪比优于200。发射前EMI UV2波段的辐射校准结果为4.63%，波长校准的最终精度优于0.05nm[16]，其对甲醛的探测能力需要进一步的分析和论证，目前国内研究人员已开展相关研究工作，并有了初步结果[18]。
2卫星遥感反演算法与产品现状
利用遥感手段，从UV-VIS通道进行HCHO与CHOCHO的反演是具有挑战性的，因为瑞利散射和米散射的共同作用限制了从地表反射和大气低层散射回卫星的辐射比例，降低了卫星对位于边界层内的HCHO与CHOCHO浓度的探测敏感性。此外，HCHO与CHOCHO对相应谱段的吸收能力很弱，对噪
声敏感，反演的不确定性大。目前国际上主要利用DOAS（differential optical absorption spectroscopy）算法进行HCHO与CHOCHO垂直柱浓度的反演。
2.1HCHO反演算法进展
HCHO在320~360nm处具有较强的吸收光谱特征，可用于大气中HCHO浓度的探测。星载紫外-可见光高光谱传感器的发射升空使得全球大范围HCHO柱浓度监测成为可能[19]。1998年，Wer⁃ner Thomas等[20-21]利用GOME传感器，基于DOAS 算法，首次对大气中HCHO浓度开展了初步探测。随后，Kelly Chance和Paul Palmer等[22-23]基于GOME传感器，通过改进斜柱浓度光谱拟合算法，并更新大气质量因子（air mass factor,AMF）计算方法，显著提高了HCHO反演精度。2002年发射升空的SCIAMACHY传感器延续了对大气中HCHO 的监测能力，Wittrock等[24]基于DOAS算法首次获取SCIAMACHY全球HCHO分布结果；De Smedt等优化了HCHO的差分吸收光谱反演算法，有效地降低了360nm附近的O4吸收对HCHO反演的干扰以及SCIAMACHY在350nm附近的异常值，结果表明SCIAMACHY与GOME反演结果具有很好的延续性。随后相继发射升空的OMI、GOME-2、OMPS等卫星传感器都具备了紫外高光谱观测的能力，延续了HCHO柱浓度的探测。De Smedt等[25]改进HCHO柱浓度卫星反演算法（BIRA-IASB v14）并将其应用于OMI及GOME-2卫星数据。其中基于OMI得到的产品后文定义为OMI-BIRA （Belgian Institute for Space Aeronomy）。此外，基于OMI传感器，NASA（National Aeronautics and Space Administration）开发的业务化反演算法由哈佛-史密森
天体物理中心提供，命名为Smithsonian Astrophysical Obrvatory HCHO（SAO HCHO）[26]，该算法直接基于光学强度进行光谱拟合得到HCHO 的斜柱浓度。后文中为简化，将该产品简写为OMI NASA HCHO。两个产品的对比如表2所示。新发射的TROPOMI传感器，其空间分辨率高达7km×3.5km（2019年8月10日之后更新为5km ×3.5km），像元内出现云的概率大大降低，为HCHO反演精度的提升提供了硬件支撑，De Smedt 等基于OMI数据，开发了TROPOMI HCHO产品的算法原型[27]。此外，由于该算法提出了基于EU FP7-QA4ECV项目框架下的算法改进，因此，后文中基于该算法的OMI HCHO产品命名为OMI-QA4ECV。现阶段，基于OMI、EMI和TROPOMI的HCHO产品集情况如表3所示。此外，静止卫星数据也为HCHO的区域日变化特征监测提供了可能[28]。Kwon等[29]提供了可用于静止卫星GEMS的HCHO产品算法原型，该算法基于OMI数据开发（OMI-GEMS），是OMI-NASA HCHO算法的延续和继承。除了传统的DOAS方法用于HCHO的反演外，Li等[30]将PCA（principal components analysis）光谱拟合算法应用于OMPS传感器HCHO柱浓度反演，展示了PCA算法在全球HCHO柱浓度反演中的应用潜力。
现阶段，HCHO单像元反演的绝对精度可达（7~12）×1015molecules/cm2，相对精度为100%~ 300%[27]。随机误差是单像元HCHO结果不确定性
第5卷第3期47
的主要来源，通过空间和时间平均，可降低随机误差，提高反演精度[31]。Wang等[32]的验证结果表明，在香河站附近，卫星观测结果与地面MAX-DOAS（multi-axis differential optical absorption spectroscopy）观测结果在月均值尺度上的相关性为0.60。但是在日尺度上，由于HCHO的日变化剧烈及显著的随机误差，卫星观测与地面观测即使在无云条件下相关性也较差。因此，HCHO卫星产品的应用受其单日观测精度的限制，不能在原始的空间分辨率上提供有效的日变化信息。
表2OMI-BIRA与OMI-NASA HCHO产品的反演设置对比
表3现阶段OMI、TROPOMI、EMI的HCHO产品集
2.2CHOCHO反演算法进展
自2005年Volkamer等[4]提出基于DOAS算法进行乙二醛反演之后，Wittrock等[24]实现了基于SCIAMACHY传感器的HCHO和CHOCHO的同步反演，并证明液态水对CHOCHO的反演有很大的影响，会导致在海洋上乙二醛斜柱密度（slant col⁃umn density，SCD）无意义的负值。Lerot等[33]使用两步DOAS拟合方法，首先计算液体水的斜柱浓度，第二步拟合乙二醛的斜柱浓度。该方法使GOME2传感器在海洋地区的数据反演质量大幅提高。与GOME2和SCIAMACHY中使用的线性光电二极管阵列检测器相比，OMI使用二维（2D）电荷耦合器件（CCD）阵列。2D CCD的使用使得从OMI反演的乙二醛SCD易受行位置的影响。Miller 等[34]利用撒哈拉沙漠区域得到的SCD作为背景校正区域，得到的偏移可用于校正OMI乙二醛结果中存在的条带现象。此外，Alvarado等[35]研究表明，294K NO2吸收截面对乙二醛具有重要意义，在进行乙二醛反演的时候要将其考虑在内，以排除人为活动强干扰地区高浓度NO2对乙二醛反演的影响。该方法提高了中国东部地区乙二醛产品的反演质量。然而，乙
二醛在大气中的光学厚度很薄，这使得乙二醛对拟合参数设置及仪器校准误差（波长校正等）和强干扰高度敏感[34-35]。国内学
王雅鹏，等：基于卫星遥感的甲醛和乙二醛监测与应用综述
