随着城市化和工业发展进程的加快,大气对流层特别是近地面大气臭氧污染问题日益受到广泛关注。快速精确的测量大气臭氧浓度是实现大气臭氧监测的基础,也是研究其产生的气候和环境效应、空气质量预报和有效预测预防光化学污染的必要前提。当前,地面臭氧浓度监测仍然以地面站点监测为主,虽然可以提供精确的臭氧产品,但是这些信息仅能反映监测站点附近一定水平空间和垂直高度上的臭氧浓度情况,并且站点的建立和维护需要大量的人力和物力成本。卫星遥感大气臭氧具备传统地面站点测量所无法比拟的优势。其具有大范围、全球性和全天候性等特点,使得其在全球大气臭氧浓度测量中已经得到了广泛应用。然而,卫星遥感技术多关注于全球宏观大气臭氧状况的快速获取,而在局部地区特别是城市区域的大气臭氧污染监测方面尚未发挥其应有的作用。为了促进卫星紫外遥感技术在监测对流层大气臭氧污染领域的应用,论文以卫星遥感方式实时进行近地面臭氧浓度监测为目标,根据贝叶斯理论,设计针对大气对流层底层臭氧浓度的遥感反演算法,采用eFast全局敏感性分析方法研究最优测量光谱组合和大气分层,对以最优化估计为基础的反演技术流程进行改进和完善。充分考虑应用需求,评估观测卫星成像几何等因素对反演过程的影响,并为面向大气臭氧监测的地球静止轨道卫星紫外高光谱传感器的设计和实现提供理论依据和技术支持。结合地面监测站点、探空站点与遥感产品的大气臭氧资料,分析了研究区近地面臭氧的时空变化趋势,对三种大气臭氧产品的对比得到了其在近地面的浓度值和相关性,分析了影响卫星臭氧浓度遥感反演精度的主要因素。给出了权重函数与测量通道敏感性的关系,利用eFast全局敏感性分析所得指标,得到了各大气分层臭氧浓度变化在紫外谱段的敏感性情况,并在eFast全局敏感性计算过程中,确定了最优采样数与搜索曲线数。在理想条件下分析了对平均核调控的调控因子,并结合谱段敏感特征,构建了面向对流层低层臭氧浓度反演的两步分离(TSS)算法。对该算法与传统算法的比较表明其对低层大气臭氧浓度反演精度有明显改善。结合地球静止轨道紫外遥感臭氧监测应用需求,评价分析了 TSS算法反演效率随太阳和观测角度的变化适用性,以及反演臭氧浓度时卫星成像的空间、时间和季节影响。通过上述研究有如下结论:1)采用的eFast全局敏感性分析方法,可给出各个测量通道在大气臭氧廓线浓度整个阈值变动范围内的敏感性指数。在大气臭氧浓度反演过程中,权重函数矩阵、先验廓线协方差矩阵以及测量误差协方差矩阵共同影响了遥感过程对大气臭氧的探测能力,是对信号自由度的具体体现。确定了敏感性指数计算过程中的最佳采样个数和搜索曲线个数,进而通过对敏感性指数的分析,可以定量的给出各探测谱段的敏感性数值。平流层以上高度范围在小于300 nm谱段具有较好的敏感性特征,平流层各分层能在大于300 nm谱段范围具有显著的敏感性分选特性,这些特征为平流层及以上高度范围大气臭氧浓度反演的较高精度提供了必要支持。虽然大气对流层范围的谱段敏感性曲线较为平滑,但也存在相对敏感的谱段。2)TSS算法的分布反演策略更有利于使反演平滑过程集中于对流层范围,从而提高了该范围的反演精度。传统算法(TR)由于平流层及以上部分始终参与反演过程,虽然对该层的反演精度有所改进,但也影响了反演信息量在对流层低层特别是近地面臭氧浓度的平滑精度。最优化方法(OE)能够充分考虑权重函数在整个反演流程体系中的重要作用,并将先验臭氧廓线信息与测量误差信息也引入反演过程中,提高了反演结果的可靠性和适用性。OE方法具备完善的反演技术体系,并可根据明确的反演误差成分分析指标得到不同误差来源对反演精度的影响,利于对算法本身的改进和输入参数信息的优化。通过对权重函数、先验廓线协方差以及测量误差协方差反演过程调控机制研究的基础上,结合紫外谱段测量通道在各大气分层敏感性差异,提出了两步分离(TSS)算法原型,该算法利用了反映平流层及以上分层的优势谱段,避免了引入不敏感谱段造成的不确定性,并随之对先验状态参数进行更新,可改善对流层低层状态参数反演精度。虽然传统(TR)算法可以更快的完成迭代过程,但是相比而言,TSS算法在对流层低层的精度显著高于TR算法,而在平流层及以上部分的反演精度略低于TR算法。3)应用TSS算法有助于大气对流层整体反演精度的提高,对于反演误差较大的垂直范围,其精度改善程度越显著,反演误差主要来源于反演过程的平滑误差贡献。当反演结果与真值偏差较小时,反演过程受限于测量谱段的敏感性,反演精度的改善程度较小,而在反演误差较大的大气高度范围,TSS算法对该范围平滑效率会使得反演精度明显提高。当前主流卫星传感器的应用目标仍是快速的获得全球臭氧浓度,其探测性能对对流层垂直分布信息特别是低层臭氧浓度的提取精度非常有限。地面监测站点与探空站点地面臭氧数据具备较强的相关性,并指示地表类型对地面臭氧的水平空间变化具有重要的影响。此外,OMI大气臭氧廓线提取的地面臭氧浓度波动阈值接近市区与城镇地面监测站点的资料,但随时间变化的相关性较低,二氧化氮等大气环境因素、探测时间等测量因素以及太阳天顶角等观测几何因素对其相关关系和浓度值的影响均不显著。卫星臭氧浓度反演精度和平均核函数等参数显示,针对大气对流层低层臭氧反演为目的的紫外卫星传感器探测需要选取合理的通道组合和大气分层策略以及在此基础上进行反演算法优化。4)对应用TSS算法的大气臭氧传感器给出了较为合理的观测空间和时间范围。针对对流层低层臭氧污染浓度监测,可提出地球静止轨道卫星传感器应具备的空间分辨率、光谱分辨率和辐射动态范围。太阳赤纬角和时角的变化会导致传感器观测方向上辐射亮度变化,从而使传感器大气信噪比产生显著变化,这种变化随着传感器扫描角和波段的不同而有所差异。太阳入射角度对地球静止轨道传感器紫外谱段探测地表大气信噪比的影响不可忽视,未来设计大气臭氧紫外传感器,需要充分考虑太阳时角和赤纬角对传感器辐射性能产生的影响。通过对不同太阳天顶角和观测角探测通道总自由度、平流层及以上自由度和对流层自由度的计算发现,随着观测天顶角的增大,探测通道自由度均逐渐减小,平流层及以上自由减小趋势较缓慢,而对流层减小趋势较显著。随着太阳天顶角的增大,自由度随观测天顶角增大导致的衰减程度也逐渐增大。