“燃烧、畜禽养殖等人类的生产生活会造成氨气的排放。别看氨气在大气中含量很少，却是大气中最重要的碱性气体，在地球生物氮循环中扮演着重要角色。研究表明，由氨气生成的PM2.5对全球公共健康损失估值在每年百亿美元。”中国科学院大气物理研究所碳中和研究中心副研究员、硕士研究生导师周敏强说。
周敏强和中国气象局张兴赢研究员的团队一起紧密合作，基于最优估计理论研发了一套氨气浓度的反演算法，成功应用于风云三号气象卫星（FY—3D）的观测光谱，获得了风云气象卫星首幅大气中氨气浓度的全球分布图，并与搭载在欧洲METOP—A 卫星上红外大气探测干涉仪（IASI）的氨气观测结果进行了比较，论证了风云卫星氨气观测资料的可靠性。这项研究对于未来利用国产卫星发展实现对全球微量大气化学成分的高精度定量遥感监测具有指导意义。 这个成果近期发表于中国科学院主办的SCI Q1学术期刊《Advances in Atmospheric Sciences》上。
周敏强告诉记者，氨气（NH3）是地球大气中一种化学性质活泼的微量气体，它可与酸性气体快速反应，生成硫酸铵和硝酸铵等二次气溶胶，是雾霾期间大气细颗粒物PM2.5的主要污染成分。同时，铵盐气溶胶还会通过散射影响太阳辐射，从而破坏地球辐射收支平衡，引起地球气候变化，因此亟须实现对其的全球监测。“然而以往的地基观测难以满足，尤其是极地、沙漠、海洋、森林等地的数据长期属于空白状态。”
“利用氨气红外波段的特征吸收光谱，可以通过遥感的手段进行氨气浓度全球探测。”周敏强说，随着红外高光谱探测技术的发展，欧美相继发射了多颗搭载有高光谱红外观测仪器（如IASI，CrIS）的卫星。我国的风云三号系列气象卫星（FY3）从其第四颗卫星开始（D、E、F）也搭载了红外高光谱大气探测仪（HIRAS），为国产卫星实现氨气全球探测提供了可能。
《大气科学进展》Adv.Atmos.Sci.2024年第3期封面
风云3D
HIRAS
周敏强介绍说：“我们基于最优估计理论研发了一套NH3柱浓度的全物理反演算法。这套理论结合HIRAS载荷的仪器响应函数和观测光谱，通过分析氨气的红外吸收特性，选择960—970cm-1作为反演窗口。采用哥白尼大气化学模式结果作为初始值，在反演氨气时进行臭氧、二氧化碳、水汽、地表温度等干扰参数的同步反演。”
“基于开发的反演算法获得了风云3D卫星HIRAS仪器的首幅大气NH3柱全球分布图。”张兴赢告诉记者，结果表明，HIRAS探测仪可以很好地捕捉全球NH3高值区，例如印度、西非、中国东部等存在大量NH3排放的地区。HIRAS与欧洲卫星上搭载的IASI的NH3反演结果具有较好的一致性（R：0.28—0.73），两者相差在其反演误差范围内。该研究证明了我国自主研制的风云气象卫星已经具备了定量探测全球氨气浓度的能力。
2020年1月FY—3D/HIRAS卫星观测的全球白天NH3柱总量浓度分布图
张兴赢指出，当前HIRAS/FY3D在海洋上和高纬度地区还存在反演精度低的问题，这主要是由于在海洋上NH3的浓度低，传感器捕捉到的NH3信号弱；在高纬度地区地表温度低，热对比度小，导致光谱噪声大。未来研究者将进一步改进反演算法，引入神经网络算法弥补现有最优估计算法的不足，提升反演精度并提高海洋和高纬度地区的有效观测数据。升级后的算法还将拓展应用于FY—3E、3F等卫星。