随着我国城市化和工业化进程的加快，空气质量已经成为一个焦点问题。卫星光学遥感可以有效的弥补空气污染常规化学检测手段在时空覆盖上的不足，具有巨大的应用前景。搭载于高分五号卫星的环境痕量气体监测仪器(EMI)，作为国内首个专用于大气污染的紫外可见(UV-Vis)波段高光谱载荷，于2018年5月成功发射并运行。本文围绕以EMI为代表的卫星高光谱紫外可见载荷，从仪器实验室性能标定、仪器在轨二氧化氮(NO2)光谱反演技术、卫星空气质量趋势分析等方面进行了研究。
　　我们首先利用大气散射的太阳光经过NO2样品池，在光学超净室测量EMI紫外和可见通道的光谱响应。根据NO2在紫外和可见光波段范围内的特征吸收光谱，利用差分吸收光谱技术反演样品池内对应的NO2样气浓度。其中，通过比较EMI在紫外和可见波段不同行像元对应的测得NO2浓度和样品池内实际充气浓度，可以有效评估EMI仪器的光谱在不同波段、不同行像元的光谱特性，以及其测量NO2的精度和准确度。我们发现对于EMI这样具有二维CCD的仪器，其观测NO2结果和实际浓度的差异在2％以内，相邻空间行之间反演得到的NO2柱密度差异小于2％。这种变化类似于美国NASA的臭氧监测仪器(OMI)中的不同行像元气体反演结果之间存在的“条带图案”，并且可能是由于二维CCD仪器中存在的行像元之间的光谱标定差异造成的，比如仪器狭缝函数、背景噪声等。此外，我们利用EMI实测的太阳光谱，验证了EMI仪器噪声由光子散粒噪声主导的假设。并结合辐射传输模拟估算了EMI在轨运行状态下的紫外和可见通道内的对应波段的光谱信噪比(SNR)，发现SNR结果均大于1000，能够有效满足多种气体的探测限要求。
　　EMI发射并稳定运行以后，我们针对仪器在轨光谱的特点和问题，构建了对流层NO2反演算法，并成功获得了首个EMI对流层NO2全球分布图。我们通过对光谱预标定、反演波段移动、参考谱优化、饱和光谱过滤等设置，有效反演了高精度的NO2斜柱浓度(SCD)。相较于基本的发射前原型算法，使用地球辐亮度参考谱、二次重定标等关键优化设置提升了NO2的反演精度，降低了行像元间的系统NO2结果偏差。更近一步的，我们利用大洋地区可忽略的对流层NO2占比以及平流层NO2随经向变化小的特点，估计并扣除了全球平流层对整层柱浓度的贡献。利用辐射传输模拟，计算得到的大气质量因子可以用来矫正斜柱浓度，最终得到了对流层垂直柱浓度(VCD)。EMI NO2VCD与OMI和对流层监测仪(TROPOMI)等欧美在轨运行卫星结果的相关系数R高达0.9，总体偏差小于50％，和地面遥感观测的相关系数R为0.82。这样良好的地基和卫星验证结果表明，EMI NO2反演算法能得出可靠准确的结果，并且能够产生有助于全球空气污染监测的稳定数据集。
　　通过卫星光谱反演技术，我们还开发了针对中国地区高气溶胶背景下的2005-2017年长期卫星遥感污染物(NO2，SO2，HCHO)浓度数据集。统计分析发现，NO2和SO2在近年已呈现下降趋势，但是HCHO浓度仍持续上升。大气中的浓度受到污染源排放和气象因素的共同影响，准确评估二者的相对贡献对于大气污染防治工作具有重要的指导意义，我们进一步结合气象参数构建广义相加模型（GAM），模拟污染物变化趋势，解析了气象因素和非气象因素的各自贡献。卫星遥感观测的污染物逐日变化和季节变化与气象因素引起的变化趋势较为一致，表明短期变化主要受气象条件的影响;而年际变化与非气象因素引起的变化较为一致，并且非气象因素引起的年际浓度变化幅度远大于气象因素，表明年际变化主要受排放的影响。该项研究表明，排放是影响空气质量长期变化的决定性因素，在排放因素的年际变化幅度还远大于气象因素时，减排能够显著改善空气质量，虽然短期的减排效果可能被气象条件的变化屏蔽。相关研究成果为减排措施在空气质量改善过程中所起的决定性作用提供了关键的科学证据。