雾是一种灾害性天气，严重影响交通秩序，造成生命财产的严重损失。10 min时间分辨率的Himawari-8/AHI（H8/AHI）卫星数据为近实时雾检测提供了可能，但白天影像反射率受太阳高度角影响较大，常规雾检测算法较难适合该卫星数据的雾检测。以该数据时序影像间云、雾与地表的光谱特征和运动特征差异为切入点，利用多幅时序影像合成晴空底图，采用背景差分法去除地表，相邻时刻时序影像取比值去除影像中运动较快且纹理粗糙的云，最后结合传统云雾分离算法去除影像中零散的未被分离检测的云，实现白天陆地雾近实时快速检测。检测结果表明：该算法可实现近实时白天雾检测，算法适用时段为白天9：00~15：00，算法定量验证精度较高，冬季连续6天雾检测正确率平均值为96.6%，错误率平均值为9.4%，可靠性因子平均值为87.9%。算法优点为检测阈值不受太阳高度角影响，与已有白天雾检测算法相比，本算法检测精度有较大提高。冬春季2月~5月120 d雾检测结果误检率仅3.6%，证明算法具有一定的可靠性和稳定性。

除二氧化碳（CO₂）外，甲烷（CH₄）、二氧化氮（NO₂）、一氧化二氮（N₂O）和臭氧（O₃）等非二氧化碳（Non-CO₂）温室气体同样对气候有着巨大影响。比如甲烷在辐射强迫方面是仅次于二氧化碳（CO₂）的第二大温室气体，臭氧已成为中国多地仅次于PM_2.5的首要污染物。快速定位排放源，定量监测非二氧化碳排放，准确估算全球和区域非二氧化碳源汇分布具有重要的现实意义。本文综述了基于卫星遥感的非二氧化碳气体反演的发展，从算法原理出发，介绍了甲烷、二氧化氮、一氧化二氮和臭氧的反演现状，总结了现有研究的特点和有待解决的问题，以期为后续研究提供方向。目前利用卫星观测估算非CO₂气体浓度的主流方法是最优估计算法和DOAS相关的算法，CH₄、NO₂、N₂O和O₃反演的柱浓度精度分别可达1%、10%、1%、1%。为更好提供可靠的数据产品以实现监测和实际应用，未来有待：①进一步提高非二氧化碳温室气体浓度反演的精度和效率；②研究基于多个传感器、算法和产品的数据同化问题；③优化针对不同地表类型的反演模型；④引入更精细的空间分辨率、光谱分辨率和更精确的辅助参数；⑤协调全球多卫星网络资源；⑥研究多种气体之间的相互关系。

甲烷对全球变暖的贡献率约为1/4，且能影响大气层中臭氧、水汽、羟基等成分的浓度，对甲烷垂直浓度反演具有重要意义，进行遥感探测敏感性分析及反演波长选择是甲烷反演的基础。基于风云三号E星上红外高光谱大气垂直探测仪（HIRAS）的特征，在红外大气辐射传输机理基础上，开展大气甲烷探测的正向模拟，进行探测敏感性分析与反演波长选择。首先基于高分辨透射率谱线库（HITRAN）分析CH₄的主要吸收窗口及主要干扰成分，然后基于大气廓线背景库以及HIRAS的仪器参数，通过RFM辐射传输模型，模拟1 200~1 400 cm^-1波段CH₄及其干扰要素（大气温度、地表温度、地表发射率、H₂O、N₂O、CO₂、F14、HNO₃和O₃ ）的探测敏感性。研究结果表明在1 200~1 400 cm^-1波段范围内，大气温度、地表温度、地表发射率、H₂O以及N₂O对甲烷探测的影响较大，具有强干扰性。最后采用基于Jacobian矩阵的信息熵原理，对CH₄探测波长进行初选，并结合探测敏感性分析结果，筛选出了1 200~1 400 cm^-1波长范围内88个CH4反演波长。这些波长具有信息量高的特点，对CH4探测更加敏感且更不受干扰成分的影响。

碳卫星观测数据的应用急需解决时空不连续、时空分辨率低的问题。其中XCO₂产品数据重构后的高时空分辨率的再分析数据将为区域、行业CO₂源、汇研究缺乏实时观测数据提供解决途径。基于4套XCO₂产品数据，DataCube多维数据建模可集成不同产品数据的时空信息，进而实现4套XCO₂产品数据的时空信息统一存储、关联和格网化，提出一种可实现多种XCO₂产品数据动态映射、交互、关联分析和特征融合的XCO₂重构方法，最后得到北京区域100 m全覆盖格网XCO₂重构产品。结果表明：重构结果与TCCON香河站观测值具有较高的一致性（R²=0.90，RMSE=0.89），且与CarbonTracker模拟结果和TCCON观测结果时间变化趋势一致；2020年北京地区XCO₂总体呈北部较低，中北部和南部较高，中部最高的空间分布，低值区小于410 ppm，高值区大于416 ppm；动态揭示了北京区域“生态涵养区”和“发展区”之间受地表碳源、汇影响而呈现出的高低值时空变化的规律和垂直、水平输送特征。

为了初步验证微波谱仪的温度探测性能，中国科学院国家空间科学中心成功研制了大气微波综合探测仪（Atmospheric Microwave Comprehensive Sounder，AMCS），并开展了国内首次机载试验。采用常温黑体热定标源和高温噪声定标源对5组飞行数据实时定标，并采用大气辐射传输仿真模型（ARTS）中的最优估计法进行反演分析。结果表明：同一时刻定标后的亮温数据具有较好的一致性，与模拟亮温的变化趋势基本一致。2022年9月17日3个时刻的反演数据受云和雨雪天气的影响，反演的均方根误差（RMSE）保持在1.5 K以内。2022年9月21日两个时刻反演的RMSE基本保持在1 K以内，明显优于传统的通道式微波辐射计。本次机载试验初步验证了400~520 hPa内AMCS的V波段谱仪的温度廓线探测性能，为后续星载微波谱仪的设计和应用奠定基础。

为了更加充分地了解中国地区甲烷浓度的分布情况，利用C3S提供的甲烷浓度资料分析2003~2018年中国地区甲烷浓度的时空分布特征。结果表明：①甲烷浓度呈现东南高西北低的分布情况，甲烷浓度高值区主要分布在湖南、湖北、广西等地，低值区位于青海和西藏等地。我国甲烷浓度年际变化随时间呈增长趋势，2003~2006年甲烷浓度保持相对稳定，2007~2018年甲烷浓度出现明显的上升。②甲烷浓度具有明显的季节变化特征，夏秋季高于春冬季，其中秋季浓度最高为1 781 ppbv，春季浓度最低为1 748 ppbv。甲烷浓度的高峰值出现在8、9月份，低峰值出现在3、4月份。③为了更好地分析中国地区甲烷浓度，将我国分为六大地理区域，分别是东北地区、中南地区、华东地区、华北地区、西北地区、西南地区。其中，华东地区和中南地区的甲烷浓度较高，西北地区和西南地区的甲烷浓度较低。

随着全球气候变化的加剧，大气痕量气体的监测日益受到重视。痕量气体柱浓度和廓线分布成为大气环境监测和全球气候变化研究的数据基础。风云三号E星和风云三号F星搭载的红外高光谱大气垂直探测仪II型（HIRAS-II）提供地气系统的高光谱分辨率红外辐射观测，可以用来反演高精度的大气成分廓线和柱浓度。基于风云三号E星HIRAS-II，采用模块化设计和并行计算框架，集成大气廓线背景库和地表发射率数据库，使用最优化算法和RFM正向模型，设计研发了CH₄、O₃廓线及柱浓度产品和CO₂柱浓度产品生产的业务化反演系统。对该反演系统进行测试，并对反演得到的12景产品精度进行验证，结果表明：此反演系统运行稳定，产品具有较高的精度，能够为中国进行大气环境监测和全球气候变化研究提供算法和技术支持。

夜间雾已成为交通事故频发的重要隐患，夜间雾检测对防治和减少因雾造成的事故和损失，保障人民生命财产安全具有重要的意义。雾与晴空地表夜间亮温差存在明显差异，二者在亮温差影像上有清晰边缘的特征，算法通过Canny边缘检测获取该边缘混合像元，根据边缘混合像元亮温差均值自动获取二者分离检测阈值，进行夜间陆地雾检测。5天H8/AHI夜间雾算法检测结果平均正确率为93.3%、误警率为29.8%，可靠性因子为67.8%，结果表明算法较适合大面积浓雾检测，但对地表存在的特殊天气如霾、雨雪天、雾发展为低云等情况易虚假报警，如未有相关伴随雾的天气现象出现，检测结果正确率为94.6%、误警率为0.05%、可靠性因子为90.1%。算法优点为可自动确定雾与晴空地表的分离检测阈值，与已有夜间雾自动检测算法相比，该算法检测精度有较大提高。2015年11月27日至12月1日17：00~07：00不同时刻夜间雾时序检测定性验证结果证明，算法适合晨昏时刻遥感影像中已处于夜晚区域的雾检测，可检测出90%左右的雾区；对整幅影像均处于夜间的遥感影像，算法检测结果正确率高达90%以上，定性验证结果进一步证明了算法的稳定性和可靠性。

利用紫外地基激光雷达，结合CALIPSO星载激光雷达、MODIS产品对2019年10月28日至29日南京地区一次沙尘污染过程进行观测研究。结果表明沙尘粒子28日开始进入南京，29日达到污染高峰，污染主要集中在2 500 m高度范围内。沙尘气溶胶易出现分层现象，上层粒子直径较小，下层粒子直径较大，随时间推移上层小粒径沙尘不断沉降，在近地面与下层污染混合、累积，导致近地面消光系数持续增高，进而引起局地沙尘污染现象。结合HYSPLIT后向轨迹分析结果，判定此次南京地区沙尘污染为外部输入，沙尘可能来源地为内蒙古、蒙古地区，沙尘粒子随冬季风由北往南输送，在此过程中不断沉降、累积，造成区域性污染天气。

大气细颗粒物PM_2.5是影响人类生存环境和身体健康的主要大气环境污染物，研究PM_2.5质量浓度季节变化的规律及空间分布特征，对于大气污染物的预防和治理有着重要的意义。利用2018~2020年MODIS卫星L2级AOD产品、MERRA-2气象数据以及地面站点PM_2.5实测数据，基于改进的随机森林算法，构建AOD-PM_2.5反演模型，对京津冀地区PM_2.5质量浓度进行估算，并分析PM_2.5质量浓度空间分布特征以及季节变化规律。结果表明：①春夏秋冬4组模型决定系数（R²）均值分别为0.78、0.66、0.83、0.83，模拟精度较高。②2018~2020年京津冀地区春夏秋冬四季PM_2.5浓度呈显著的空间分布特征及季节变化规律。其中PM_2.5污染最大值出现在冬季，最小值出现在夏季。③历年同季节相比，京津冀地区PM_2.5污染范围和浓度数值均有所减小，2020春季和秋季PM_2.5污染范围与2018年、2019年相比改善较明显。

甲烷（CH₄）是大气中具有化学活性和辐射活性的气体。随着人类文明的发展，CH₄的总量一直在增加。工业革命前全球CH₄浓度为700 ppbv，到20世纪90年代它的浓度达到1714 ppbv。研究阐述了CH₄地基探测、空基探测、星基探测及反演算法的发展现状。自1979~1983年Nimbus-7卫星上的SAMS探测仪首次实现对平流层CH₄浓度探测以来，国际上已有许多可探测CH₄的卫星探测仪。随着卫星探测技术的发展及反演算法的改进，卫星传感器反演的CH₄精度逐渐提高。其中天底模式下TROPOMI传感器反演的CH₄浓度与地面站点数据的偏差为14 ppbv（0.8%）；临边/掩星模式下ACE-FTS反演的对流层至平流层下部CH₄廓线精度在10%以内。而后，基于AIRS L3产品分析了300 hPa、150 hPa全球CH₄浓度变化趋势和分布特征， 2010~2020年全球CH₄浓度增长了约50 ppbv，年均增长率约为0.29%；全球CH₄浓度北高南低，高值区分布在大西洋中部、非洲北部、中东地区和中国西部。

偏振遥感技术监测细模态气溶胶光学物理特性的优势，是监测大区域大气污染的有效手段。基于高分五号（GF-5）携带的多角度偏振成像仪（DPC）的多角度偏振观测数据开展全球陆地上空的细模态气溶胶光学厚度（AOD_f）反演研究。主要通过地表二向偏振反射（BPDF）模型估算出地表偏振反射率，结合评价函数得出了最优气溶胶模型以及AOD_f反演结果，将反演结果与AERONET地基观测数据进行了对比验证。结果显示： 地基数据与反演结果相关性系数达到0.903，平均绝对误差，平均相对误差、均方根误差分别为0.026、0.43%、0.060，反演结果总体可靠，反演方法具备可行性。