南科大环境学院朱雷课题组发表文章揭示气溶胶组分对卫星二氧化氮反演的复杂影响

南方科技大学环境科学与工程学院助理教授朱雷课题组在著名期刊Environmental Science & Technology发表题为“Satellite NO2 Retrieval Complicated by Aerosol Composition over Global Urban Agglomerations: Seasonal Variations and Long-Term Trends (2001–2018)”的最新研究成果并入选Supplementary Covers。

研究背景

NO2卫星遥感数据被广泛用于城市的污染物时空特征分析和复合污染成因解读。然而，卫星NO2反演算法往往受到云-气溶胶的复杂影响而存在较大不确定性，特别是NO2及气溶胶快速变化的城市中不确定性更为显著。

研究方法和结果

本研究关注晴朗无云且气溶胶覆盖的反演场景，应用2001-2018年的GOME系列卫星数据，量化不同气溶胶组分对卫星NO2反演不确定性的影响及其季节变化和长期趋势。

图1. 引入气溶胶修正的GOME-2卫星NO2柱浓度反演结果及其与无云/气溶胶修正的差别

与无云/气溶胶校正的卫星NO2反演结果相比，气溶胶修正主要影响人口密集区（图1）。引入气溶胶修正增加了北美、欧洲和亚洲的城市区以及北非、中东和澳大利亚的沙漠区的对流层NO2柱浓度（60%）。而在热带地区有生物质燃烧活动的国家和海洋上有海盐气溶胶来源的地区，NO2柱浓度减少可达-30%。

图2. 不同气溶胶组分对于卫星NO2反演不确定性的影响

在大型城市中，卫星NO2反演的不确定性主要由二次无机气溶胶（SIA）、一次有机气溶胶（POM）和二次有机气溶胶（SOA）主导，且呈现明显的季节变化（图2）。更为重要的是，不同气溶胶组分对反演的影响可能呈现相斥的作用。以北京秋冬季为例，由于SOA更多位于地表附近，而部分SIA具有更高高度，其对卫星反演可同时带来反照效应和遮蔽效应，使得总气溶胶对卫星反演不确定性较低。此种现象会随着未来北京SIA持续减排和SOA占比持续增大而更加明显。

图3. 无修正、云修正和不同组分气溶胶修正对比

通过比对无修正、云修正和气溶胶修正结果，现有卫星产品常用的云修正（部分考虑气溶胶效应）有时无法准确表征NO2浓度的季节变化和长期趋势（图3），气溶胶修正或无修正可降低卫星反演的不确定性。

结语

气溶胶组分直接决定其浓度、垂直分布和光学效应，进而影响对卫星NO2反演的不确定性。不同气溶胶种类可能产生的协同或互斥影响突显了气溶胶修正的重要性和复杂性。准确全面了解气溶胶特性对于解释卫星NO2数据的季节性变化或长期趋势以及减轻臭氧和细颗粒物污染尤为重要。

南方科技大学为本论文第一通讯单位，刘嵩研究助理教授为论文第一作者，朱雷助理教授为通讯作者，合作单位包括德国宇航中心、意大利拉奎拉大学、福建师范大学和南京信息工程大学。该研究得到了国家自然基金青年项目、广东省科学技术厅重点领域研发计划、广东省基础与应用基础研究基金、广东省教育厅创新团队、深圳市科技创新委员会等项目的支持。计算资源由南方科技大学科学与工程计算中心提供。

论文原文链接: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.est.3c02111