任紅梅 李昂 胡肇?zé)j 黃業(yè)園 徐晉謝品華3) 鐘鴻雁 4) 李曉梅

1) (中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院, 安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所, 環(huán)境光學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 合肥 230031)

2) (中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué), 合肥 230026)

3) (中國(guó)科學(xué)院區(qū)域大氣環(huán)境研究卓越創(chuàng)新中心, 廈門(mén) 361021)

4) (安徽大學(xué)物質(zhì)科學(xué)與信息技術(shù)研究院, 合肥 230601)

1 引 言

水汽是一種溫室氣體, 是大氣中的重要成分之一, 也是大氣中惟一能發(fā)生相變的成分, 是大氣潛熱徑向運(yùn)輸?shù)闹匾浇閇1,2]. 水汽在對(duì)流層參與許多化學(xué)反應(yīng), 能同大氣中的氣溶膠、污染粒子等發(fā)生作用, 影響大氣化學(xué)反應(yīng). 在各種空間和時(shí)間尺度上測(cè)量大氣水汽含量對(duì)天氣預(yù)報(bào)、氣候研究、大氣化學(xué)以及地球輻射預(yù)算都至關(guān)重要[1]. 對(duì)流邊界層高精度、高時(shí)空分辨率的水汽濃度廓線持續(xù)觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)研究水循環(huán)、大氣潛熱通量廓線以及水汽垂直方向輸送情況都具有重要意義[3].

目前, 水汽測(cè)量主要分為探空、星載、機(jī)載和地基幾種方式. 無(wú)線電探空氣球是水汽測(cè)量的傳統(tǒng)做法, 可以同時(shí)測(cè)量溫度、氣壓、風(fēng)速和風(fēng)向等氣象要素, 并且探測(cè)高度可達(dá) 30 km, 但是測(cè)量成本高且數(shù)據(jù)不連續(xù). 星載測(cè)量包括SCIAMACHY(scanning imaging absorption spectrometer for atmospheric chartography), GOME (global ozone monitoring experiment), AMSU (advanced microwave sounding unit)和 S-5P/TROPOMI (sentinel-5 precursor/tropospheric monitoring instrument)等[4?8], 它們可以在紅外波段和可見(jiàn)藍(lán)光波段對(duì)水汽進(jìn)行測(cè)量反演, 相比于地基觀測(cè), 它的時(shí)間和空間分辨率較低, 但可大范圍全球觀測(cè), 為大區(qū)域分析水汽輸送及演變等問(wèn)題提供了方法. 機(jī)載包括差分雷達(dá)和機(jī)載腔衰蕩技術(shù), 它們都具有高時(shí)間分辨率, 并已獲得水汽混合比垂直廓線[9]. 地基主要有GPS觀測(cè)、微波輻射計(jì)以及太陽(yáng)光度計(jì)(CE318),它們都具有時(shí)空分辨率高、成本低、可連續(xù)觀測(cè)的特點(diǎn), 應(yīng)用范圍較廣.

多軸差分吸收光譜技術(shù)(multi-axis differential optical absorption spectroscopy, MAX-DOAS)

是一種被廣泛使用的測(cè)量地球大氣中痕量氣體的方法[10]. 它可對(duì)大氣中 NO2, SO2, HONO, 氣溶膠, HCHO 等多個(gè)氣體同時(shí)在線測(cè)量[11?15], 同時(shí)結(jié)合大氣輻射傳輸模型, 可反演出對(duì)流層痕量氣體的柱濃度和廓線信息. 由于其獨(dú)特的優(yōu)越性,MAX-DOAS技術(shù)逐漸成為反演大氣水汽濃度的一種新方法. 2011 年, Irie 等[15]用 MAX-DOAS 系統(tǒng)在495—515 nm波段對(duì)大氣水汽進(jìn)行測(cè)量, 并和地面數(shù)據(jù)集對(duì)比, 相關(guān)性大于0.75. 2013年Wagner等[1]利用地基MAX-DOAS系統(tǒng)在543—620 nm和608—680 nm波段對(duì)水汽垂直柱濃度進(jìn)行反演,并和地基氣溶膠遙感觀測(cè)網(wǎng)(aerosol robotic network, AERONET)以及歐洲氣象中心數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比, 結(jié)果有良好的一致性. 2013 年, 劉進(jìn)等[2]利用地基MAX-DOAS系統(tǒng)在560—610 nm波段對(duì)水汽垂直柱濃度進(jìn)行了測(cè)量, 且與CE318數(shù)據(jù)對(duì)比趨勢(shì)一致. Lampel等[16,17]利用 MAX-DOAS 系統(tǒng)驗(yàn)證了在可見(jiàn)藍(lán)光和紫外波段均存在水汽吸收. 利用MAX-DOAS對(duì)水汽的測(cè)量近些年不斷被研究,但在國(guó)內(nèi)此方面研究相對(duì)較少, 特別是在紫外和可見(jiàn)藍(lán)光波段更是鮮有研究. 近日, Borger等[8]和Chan等[6]分別在 S-5P/TROPOMI和 GOME-2的藍(lán)光波段反演了水汽垂直柱濃度, 這對(duì)利用MAX-DOAS在吸收比較弱的可見(jiàn)藍(lán)光波段反演水汽垂直柱濃度和垂直廓線提供了思路. 在可見(jiàn)藍(lán)光波段反演水汽不僅可以同時(shí)測(cè)量氣溶膠, NO2,HONO和CHOCHO等氣體的柱濃度和廓線, 也對(duì)測(cè)量HONO和CHOCHO時(shí)水汽的扣除提供了方法.

針對(duì)基于MAX-DOAS可見(jiàn)藍(lán)光波段的水汽垂直柱濃度和垂直廓線的反演問(wèn)題, 選取青島市MAX-DOAS鰲山區(qū)域站2019年3月4日—31日數(shù)據(jù)作為研究案例. 本文第一步研究基于與儀器狹縫函數(shù)卷積的方法獲取適用于MAX-DOAS的反演參考截面, 并采用修正系數(shù)法進(jìn)行飽和吸收矯正, 從而正確獲取水汽垂直柱濃度. 第二步研究分析了采用基于最優(yōu)估算法(optimal estimation method, OEM)的PriAM算法反演水汽垂直廓線的可行性. 利用MAX-DOAS在可見(jiàn)藍(lán)光波段探測(cè)水汽垂直分布信息, 對(duì)研究水汽通量廓線以及重霾期間水汽和氣溶膠的關(guān)系都具有重要意義.

2 測(cè)量原理

2.1 MAX-DOAS技術(shù)

MAX-DOAS技術(shù)以被動(dòng)DOAS為基礎(chǔ), 在天頂觀測(cè)的基礎(chǔ)上增加多個(gè)仰角a(望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)方向和水平方向的夾角)接收太陽(yáng)散射光, 從而獲取大氣中污染氣體的空間分布[18]. 依據(jù)的理論基礎(chǔ)是朗伯-比爾(Lambert-Beer)定律[10]

其中I(λ) 表示經(jīng)過(guò)光路衰減后的接收光,I0(λ) 表示入射光強(qiáng),σ(λ) 為痕量氣體的吸收截面,c表示分子濃度,L表示光程.

大氣消光過(guò)程是散射和多種痕量氣體的吸收共同導(dǎo)致的[19]. 痕量氣體j的光譜吸收結(jié)構(gòu)可分為隨波長(zhǎng)的快變化和隨波長(zhǎng)的慢變化, 通過(guò)高通濾波濾除光學(xué)厚度 (optical density, OD)譜中的慢變化和散射等寬帶結(jié)構(gòu)特征, 獲取OD, 再與標(biāo)準(zhǔn)氣體分子吸收截面進(jìn)行最小二乘擬合, 即可獲得氣體的斜柱濃度 S CDj(slant column density, SCD).表示為

通過(guò)選取一條“干凈”的太陽(yáng)散射光譜作為夫瑯禾費(fèi)參考光譜 (Fraunhofer reference spectrum,FRS)進(jìn)而扣除強(qiáng)烈的夫瑯禾費(fèi)線的干擾[20], 通常選取接近正午較小太陽(yáng)天頂角下仰角a= 90°時(shí)的光譜作為參考光譜, 即可獲得各個(gè)仰角a下的痕量氣體差分斜柱濃度(differential slant column densities, dSCD),

90°仰角方向的 d SCD 里含有平流層濃度的信息, 將每個(gè)測(cè)量循環(huán)中離軸方向的 d SCD 減去90°方向的dSCD即可扣除平流層痕量氣體吸收, 計(jì)算公式為

斜柱濃度SCD強(qiáng)烈依賴于觀測(cè)的地理?xiàng)l件和氣象條件, 通常需要轉(zhuǎn)換為垂直柱濃度(vertical column density, VCD), 即垂直穿過(guò)大氣層的積分濃度[18]. 計(jì)算公式為

大氣質(zhì)量因子 (air mass factors, AMF)依賴于太陽(yáng)位置、觀測(cè)角度、氣溶膠特性分布以及痕量氣體分布, 常使用大氣輻射傳輸模型(RTM)來(lái)計(jì)算. 本文利用 SCAITRAN 2.2 計(jì)算出 20°和 90°仰角的 AMF 得到 ? AMF , 再結(jié)合 20°的 ? SCD 計(jì)算出水汽的VCD.

2.2 垂直廓線反演算法

本文采用的廓線反演算法為安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所(AIOFM)和馬普化學(xué)所(MPIC)共同研發(fā)的PriAM算法[11?14,21?23], 該算法的核心是基于最優(yōu)估算法求解迭代方程的非線性反演問(wèn)題, 反演的目的是最小化價(jià)值函數(shù), 價(jià)值函數(shù)表達(dá)式為

其中x是反演得到的狀態(tài)向量, 有N個(gè)元素, 表示某一物理量的廓線,y是測(cè)量向量, 有M個(gè)元素.F代表前向模型函數(shù),xa是先驗(yàn)狀態(tài)向量,σε,m和σa,n分別表示測(cè)量誤差和先驗(yàn)誤差.

通過(guò)Gauss-Newton方法多次迭代并采用Levenberg-Marquardt算法對(duì)迭代進(jìn)行修正, 最后逐漸獲得最優(yōu)化解, 迭代過(guò)程表示為

其中xi+1和xi分別是當(dāng)前和先前的狀態(tài)向量.Sε是測(cè)量誤差協(xié)方差矩陣 (M×M),Ki為權(quán)重函數(shù)矩陣.γi是一個(gè)修正系數(shù), 用于改變狀態(tài)量向價(jià)值函數(shù)接近的速率,Sa是先驗(yàn)誤差協(xié)方差矩陣(N×N). 非線性最優(yōu)估算法反演氣體廓線首先要輸入一條起始先驗(yàn)廓線作為xi, 再由(7)式迭代計(jì)算xi+1, 如果滿足 (8) 式, 則迭代就要停止, 如果不滿足 (8)式, 則將xi+1作為xi代入 (7)式繼續(xù)迭代,直至滿足(8)式, 迭代停止.

其中M指仰角個(gè)數(shù), 式中協(xié)方差矩陣表示為

迭代反演誤差主要由三部分組成: 平滑誤差(Ss)、測(cè)量誤差(Sm)和剩余誤差(Sr), 總誤差(St)是三種誤差的均方根[11,12].

由于氣溶膠狀態(tài)影響光在大氣中的傳輸路徑,進(jìn)而會(huì)影響由 ? SCD 獲取痕量氣體垂直分布的反演. 因此, 需將反演過(guò)程分為兩步: 首先, 基于最優(yōu)估算法反演出氣溶膠消光系數(shù)垂直廓線和氣溶膠光學(xué)厚度 (aerosol optical depth, AOD), 再由氣溶膠消光系數(shù)廓線反演痕量氣體廓線[13,14]. 由于在晴朗無(wú)云的天氣下, 當(dāng)太陽(yáng)位置和觀測(cè)方向確定時(shí),氣溶膠消光系數(shù)廓線的變化是影響光在大氣中傳輸路徑的主要因素, 而多軸 DOAS測(cè)量 O4的?SCD的大小主要是光的傳輸路徑, 并且多軸DOAS多個(gè)仰角的測(cè)量對(duì)于不同高度的大氣有不同的靈敏度, 所以可以通過(guò)多仰角O4的 ? SCD 反演氣溶膠的垂直分布. 具體反演流程如圖1所示.

3 實(shí)驗(yàn)裝置

圖 1 PriAM 算法反演氣溶膠及水汽流程圖Fig. 1. Flow chart of aerosol and water vapor retrieval by PriAM algorithm.

表 1 MAX-DOAS 參數(shù)設(shè)置Table 1. Parameter settings of MAX-DOAS.

實(shí)驗(yàn)裝置主要包括光譜儀、旋轉(zhuǎn)云臺(tái)、望遠(yuǎn)鏡、光纖、計(jì)算機(jī), 監(jiān)控?cái)z像頭等. 旋轉(zhuǎn)云臺(tái)、望遠(yuǎn)鏡和監(jiān)控?cái)z像頭放置在室外, 其余均放置在室內(nèi),通過(guò)軟件控制旋轉(zhuǎn)云臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng), 可控制仰角范圍0°—90°, 方位角范圍 0°—360°. 太陽(yáng)光通過(guò)安裝在室外的望遠(yuǎn)鏡聚焦, 經(jīng)過(guò)光纖進(jìn)入光譜儀, 再通過(guò)USB接口將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到電腦. 采用荷蘭Avantes光譜儀并將其置于25 ℃溫控箱中. 光譜測(cè)量范圍為 285—453 nm, 光譜分辨率為 0.6 nm. 本研究MAX-DOAS鰲山區(qū)域站安裝在青島市即墨區(qū)國(guó)基外語(yǔ)學(xué)校 (120.67° E, 36.35° N), 緊靠青島市即墨區(qū)環(huán)境監(jiān)測(cè)站, 海拔高度為 30 m, 偏離市區(qū), 靠近海岸, 因此可避免人為排放的高濃度NO2對(duì)水汽吸收的影響. 監(jiān)控?cái)z像頭的作用是可以遠(yuǎn)程觀看當(dāng)天天氣情況, 攝像頭裝在望遠(yuǎn)鏡的下方, 和望遠(yuǎn)鏡光軸水平, 圖2為攝像頭采集的2019年3月22日仰角為1°時(shí)的視場(chǎng)圖. 電腦控制采集軟件每天早晨 4∶00 自啟, 開(kāi)始采集光譜, 夜晚 22∶00 自動(dòng)關(guān)閉. 由于光強(qiáng)需求, 只使用白天的測(cè)量數(shù)據(jù),夜晚22∶00附近低仰角光譜可用于校正暗電流. 整個(gè)觀測(cè)期間只采用望遠(yuǎn)鏡方位角為0°(正北方向)的光譜, 一次完整的掃描循環(huán)包含 1°, 2°, 3°,4°, 5°, 6°, 8°, 10°, 20°, 30°, 90°共 11 個(gè)仰角. 光譜采集的平均次數(shù)為100次, 積分時(shí)間根據(jù)光強(qiáng)自動(dòng)調(diào)整, 表1為MAX-DOAS儀器的具體設(shè)置參數(shù),圖3為MAX-DOAS觀測(cè)原理圖.

圖 2 MAX-DOAS 望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)視場(chǎng)圖Fig. 2. MAX-DOAS telescope observation field diagram.

圖 3 MAX-DOAS 觀測(cè)原理圖Fig. 3. Schematic diagram of MAX-DOAS observation.

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 水汽垂直柱濃度的反演

4.1.1 水汽吸收截面的選取

藍(lán)色光譜區(qū)域的實(shí)驗(yàn)室水汽吸收線數(shù)據(jù)庫(kù)包括 HITRAN 2009[24], HITRAN 2012[25], HITEMP 2010[26]和POKAZATEL[27]. 由于水汽吸收光譜中吸收峰較窄且峰與峰排列緊密, 首先要用汞燈對(duì)光譜儀進(jìn)行定標(biāo), 獲取儀器狹縫函數(shù)(slit function),再將其與實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)庫(kù)里的水汽高分辨率吸收光譜(這里只考慮了多普勒線展寬效應(yīng))進(jìn)行卷積,從而獲取用于DOAS反演的水汽有效吸收參考截面, 表達(dá)式為

其中σ(λ)h為水汽高分辨率吸收截面,H為儀器狹縫函數(shù).

圖4示意了以HITEMP 2010為例的卷積過(guò)程. 為研究4種數(shù)據(jù)庫(kù)下水汽吸收截面在434.0—451.5 nm波段反演水汽的差異, 取相同溫壓條件下 (P= 1013 hPa,T= 293 K)的水汽吸收截面并與儀器狹縫函數(shù)卷積, 見(jiàn)圖5(a). 選取一天的光譜數(shù)據(jù)(2019年3月9日), 將卷積后的4種水汽吸收參考截面和光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行DOAS擬合, 由于以20°仰角計(jì)算水汽VCD, 因此取20°仰角作為示例, 擬合殘差見(jiàn)圖 5(b), 即均方根誤差 (root mean square, RMS). 圖 5 表明, 4 種數(shù)據(jù)庫(kù)反演的水汽RMS之間差異很小, 不同數(shù)據(jù)庫(kù)下水汽有效吸收參考截面對(duì)水汽的反演沒(méi)有顯著影響, 具有一致性. 本文使用HITEMP 2010數(shù)據(jù)庫(kù)下水汽有效吸收參考截面.

圖 4 水汽有效吸收參考截面獲取過(guò)程 (a) HITEMP 2010 水汽高分辨率吸收光譜; (b) 狹縫函數(shù); (c) 水汽有效吸收參考截面Fig. 4. Obtaining process of reference cross section for effective absorption of water vapor: (a) HITEMP 2010 high-resolution water vapor absorption spectrum; (b) slit function; (c) reference cross section for effective absorption of water vapor.

圖 5 不同數(shù)據(jù)庫(kù)下水汽有效吸收截面對(duì)比 (a) 4種數(shù)據(jù)庫(kù)下水汽有效吸收參考截面; (b) 20°仰角下DOAS擬合殘差對(duì)比Fig. 5. Comparison of effective water vapor absorption cross sections under different databases: (a) Reference cross sections of effective water vapor absorption under four databases; (b) comparison of DOAS fitted residuals at 20° elevation.

4.1.2 飽和吸收效應(yīng)

對(duì)于DOAS方法測(cè)量水汽, 當(dāng)水汽濃度偏高時(shí)會(huì)出現(xiàn)飽和吸收效應(yīng), 從而產(chǎn)生較大的測(cè)量誤差[28]. 飽和效應(yīng)的產(chǎn)生源于水汽高分辨率吸收截面和儀器函數(shù)卷積, 而不是朗伯比爾定律中的指數(shù)函數(shù)卷積[29]. 對(duì)于給定的斜柱濃度SCD, 飽和效應(yīng)可以通過(guò)修正系數(shù)法進(jìn)行修正, 表達(dá)式為

其中σ(λ)satu為飽和吸收截面, 取7個(gè)水汽SCD濃度梯度, 范圍為 2 × 1023molecules/cm2到 1 ×1024molecules/cm2. 飽和吸收前后的OD見(jiàn)圖6(a),圖中表明當(dāng) SCD 小于 6 × 1023molecules/cm2時(shí),OD和ODsatu的差異很小(ODsatu為飽和吸收后的光學(xué)厚度). 圖6(b)是最大吸收峰442.6 nm處的OD差異, 可以發(fā)現(xiàn), 飽和效應(yīng)對(duì)于光學(xué)厚度OD的影響隨著濃度的增大而增大. 當(dāng)SCD為4 ×1023molecules/cm2, 飽和吸收影響會(huì)使 OD 降低1.76%, SCD 為 6 × 1023molecules/cm2, 飽和吸收影響會(huì)使OD降低2.61%. 本研究中, DOAS擬合結(jié)果 SCD 均小于 4 × 1023molecules/cm2, 因此飽和吸收效應(yīng)對(duì)本文反演結(jié)果的影響較小.

另外, 因?yàn)樗沾蟛糠职l(fā)生在邊界層內(nèi),在大氣測(cè)量范圍內(nèi)的溫度和壓強(qiáng)的變化對(duì)藍(lán)色波長(zhǎng)區(qū)域的水汽測(cè)量沒(méi)有顯著的影響[16], 所以可排除溫度和壓強(qiáng)對(duì)本文反演結(jié)果的顯著影響.

4.1.3 光譜反演

將MAX-DOAS獲得的原始光譜進(jìn)行DOAS擬合, 選擇當(dāng)天中午12∶00附近仰角為90°的光譜作為 FRS, 擬合波段為 434.0—451.5 nm, 為保證數(shù)據(jù)質(zhì)量, 只保留 RMS 小于 10–3的數(shù)據(jù). 氣體參考截面包括 H2O, NO2, O3和 O4, 這里各選取了兩條不同溫壓條件下的NO2和O3截面, 其他截面還包括兩條ring光譜[30]. 表2列出了用于水汽反演的參數(shù)設(shè)置. 圖 7為2019年 3月9日11∶44時(shí)的DOAS擬合反演示例, 反演得到的水汽差分斜柱濃度 dSCD 為 1.73 × 1023molecules/cm2, RMS 為7.01 × 10–4.

圖 6 在藍(lán)光波段水汽飽和吸收對(duì)OD的影響 (a) 不同SCD下的OD差別; (b) 最大吸收峰442.6 nm處OD飽和校正前后的差別Fig. 6. The effect of water vapor saturation absorption on the OD in the blue band: (a) OD difference under different SCD; (b) the difference before and after OD saturation correction at the maximum absorption peak at 442.6 nm.

表 2 DOAS 擬合參數(shù)設(shè)置Table 2. Parameter settings of DOAS fitting.

圖 7 DOAS 擬合反演示例 (a) Residual; (b) H2O; (c) NO2; (d) O3Fig. 7. DOAS fitting retrieval example: (a) Residual; (b) H2O; (c) NO2; (d) O3.

4.1.4 水汽垂直柱濃度對(duì)比驗(yàn)證

歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心(European centre for medium-range weather forecasts, ECMWF)是包括概率預(yù)報(bào)在內(nèi)的數(shù)值天氣預(yù)報(bào)研究的前沿機(jī)構(gòu).CAMS(Copernicus atmosphere monitoring service)

全球預(yù)報(bào)服務(wù)是利用歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心的綜合預(yù)報(bào)系統(tǒng) (integrated forecasting system, IFS),把衛(wèi)星和地面系統(tǒng)獲得的觀測(cè)數(shù)據(jù)與以往的預(yù)報(bào)結(jié)合起來(lái), 做出新的分析和預(yù)報(bào). CAMS模型每天為全球地區(qū)生成實(shí)時(shí)的大氣成分分析和預(yù)測(cè). 它的網(wǎng)格分辨率有 0.125° × 0.125°, 0.25° × 0.25°和最小分辨率 3° × 3°等 11 種. 本文取網(wǎng)格最大分辨率 0.125° × 0.125°, 步長(zhǎng)為 3 h, 分別為 08∶00 LT(00.00 UTC), 11∶00 LT(03.00 UTC), 14∶00 LT(06.00 UTC)和 17∶00 LT(09.00 UTC) 4 個(gè)時(shí)間點(diǎn) 水 汽 總 VCD數(shù) 據(jù). MAX-DOAS數(shù) 據(jù) 從2019年3月4日—31日共有28 d數(shù)據(jù), 根據(jù)站點(diǎn)監(jiān)控?cái)z像頭每天圖像判斷天氣情況, 其中陰雨天氣為5 d, 由于DOAS反演受陰雨天氣光強(qiáng)的限制,扣除陰雨天氣共獲取有效數(shù)據(jù)23 d.

圖 8 MAX-DOAS 測(cè)量數(shù)據(jù)和 ECMWF 數(shù)據(jù)日均值對(duì)比Fig. 8. Comparison of MAX-DOAS measurement data and ECMWF data daily average.

將MAX-DOAS測(cè)量的水汽VCD和ECMWF CAMS( https://apps.ecmwf.int/datasets/data/ca ms-nrealtime/levtype=sfc/)日均值數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析, 發(fā)現(xiàn)兩者具有相同的變化趨勢(shì), 如圖8所示.然后, 把MAX-DOAS數(shù)據(jù)與ECMWF數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析,R2= 0.93, 如圖 9 所示, 表明 MAXDOAS技術(shù)在可見(jiàn)藍(lán)光波段(434.0—451.5 nm)對(duì)水汽垂直柱濃度反演結(jié)果的準(zhǔn)確性. 研究表明ECMWF再分析數(shù)據(jù)會(huì)高估水汽的柱濃度[35], 從圖8來(lái)看, 發(fā)現(xiàn)ECMWF再分析數(shù)據(jù)大于MAXDOAS測(cè)量的水汽柱濃度, 這也與前人研究相符合.

圖 9 MAX-DOAS 數(shù)據(jù)與 ECMWF 數(shù)據(jù)相關(guān)性分析Fig. 9. Correlation analysis of MAX-DOAS data and ECMWF data.

4.2 水汽垂直廓線的反演

PriAM 算法已經(jīng)可以對(duì) 氣溶膠, NO2, SO2,HCHO等痕量氣體進(jìn)行準(zhǔn)確反演[11?14,21,22], 但對(duì)于在邊界層濃度高、變化大的水汽, 此算法是否還能正常準(zhǔn)確反演, 需進(jìn)一步驗(yàn)證. 為此, 本文開(kāi)展PriAM算法反演大氣水汽的適用性研究.

在PriAM算法中, 氣溶膠和痕量氣體的先驗(yàn)廓線采用固定的線型, 一般采用指數(shù)型和玻耳茲曼型(代表本地積累)先驗(yàn)廓線. 本文氣溶膠單次散射反照率和非對(duì)稱因子根據(jù)當(dāng)?shù)財(cái)?shù)據(jù)設(shè)置為0.92和0.68, 非線性最優(yōu)估算法中最大迭代次數(shù)設(shè)置為20, (8)式中迭代閾值M的大小為仰角個(gè)數(shù),設(shè)置為11.

4.2.1 氣溶膠狀態(tài)及線型對(duì)水汽廓線反演結(jié)果影響分析

由于氣溶膠影響光的傳輸路徑, 在PriAM兩步反演算法中氣溶膠狀態(tài)會(huì)對(duì)水汽反演結(jié)果造成影響, 不同氣溶膠先驗(yàn)廓線的形狀和大小也會(huì)對(duì)反演結(jié)果造成影響. 為了量化這些影響, 我們從即墨區(qū)環(huán)境監(jiān)測(cè)站 (120.47° E, 36.38° N, 海拔高度22 m)近地面數(shù)據(jù)庫(kù)中選取監(jiān)測(cè)期間污染最為嚴(yán)重一天 (3 月 6 日, PM2.5= 109 μg/m3)和污染最輕一天 (3 月 22 日, PM2.5= 16 μg/m3)的數(shù)據(jù),分別定義為高氣溶膠狀態(tài)和低氣溶膠狀態(tài), 進(jìn)行對(duì)比研究. 在標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)型氣溶膠先驗(yàn)廓線BP(baseline priori, 本文反演水汽所用的氣溶膠先驗(yàn)廓線)的基礎(chǔ)上改變先驗(yàn)廓線的大小和形狀(指數(shù)型和玻爾茲曼型), 增加4條氣溶膠先驗(yàn)廓線TP1,TP2, TP3, TP4 (test priori 1, test prior 2, test prior 3, test prior 4)進(jìn)行測(cè)試, 研究了其對(duì)水汽廓線反演結(jié)果的影響, 整個(gè)過(guò)程水汽先驗(yàn)廓線均用標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)型.Hm為靈敏度高度上限, 0—Hm即為多軸DOAS反演氣體的靈敏度范圍[11?13]. 平均核是一個(gè)矩陣, 用來(lái)表征反演對(duì)于不同高度大氣狀態(tài)的敏感度, 將每層平均核的最大值連接起來(lái)便形成平均核的包絡(luò)線, 代表了敏感度隨高度的變化.ds為自由度, 它的值由平均核對(duì)角線上的值相加, 用來(lái)表征反演的高度分辨率. 兩種氣溶膠狀態(tài)下反演的垂直廓線結(jié)果、廓線反演總誤差St,Hm,ds和平均核的包絡(luò)線如圖10所示. 圖10表明, 兩種氣溶膠狀態(tài)下4種TP與BP反演水汽結(jié)果的最大差異都在最低層 50 m, 3月 22日低氣溶膠狀態(tài)下BP 在 50 m 廓線反演總誤差St為 0.45 g/kg, 4 種TP與BP反演結(jié)果差異值分別為0.011, 0.017,–0.007 和 0.011 g/kg; 3 月 6 日高氣溶膠狀態(tài)下BP 在 50 m 廓線反演總誤差St為 0.53 g/kg, 4 種TP與 BP反演結(jié)果差異值分別為–0.28, 0.11,–0.50 和–0.44 g/kg, 受高氣溶膠狀態(tài)影響, 反演結(jié)果差異比低氣溶膠狀態(tài)大, 但均在BP的反演總誤差St范圍內(nèi), 表明不同氣溶膠狀態(tài)下反演算法都能很好地重建水汽廓線. 從Hm,ds以及平均核的包絡(luò)線來(lái)看, 幾種不同氣溶膠先驗(yàn)廓線反演結(jié)果都比較接近, 可見(jiàn)氣溶膠廓線類(lèi)型對(duì)水汽垂直廓線反演結(jié)果影響較小. 通過(guò)圖10還可以發(fā)現(xiàn), 氣溶膠狀態(tài)影響水汽廓線的Hm和ds, 3月6日高氣溶膠狀態(tài)下的Hm和ds均小于3月22日低氣溶膠狀態(tài)下的Hm和ds, 表明水汽廓線的Hm和ds將隨著氣溶膠消光的增加而降低, 這是因?yàn)樵诟邭馊苣z條件下光子在空中多次散射影響光的傳輸路徑, 從而會(huì)降低廓線的靈敏度高度和自由度.

圖 10 氣溶膠狀態(tài)及線型對(duì)水汽廓線反演結(jié)果的影響 (a) 5種氣溶膠先驗(yàn)廓線; (b) 3月6日5種氣溶膠先驗(yàn)廓線下反演水汽結(jié)果及誤差; (c) 3月22日5種氣溶膠先驗(yàn)廓線下反演水汽結(jié)果及誤差; (d) 指數(shù)型水汽先驗(yàn)廓線; (e) 3月6日平均核的包絡(luò)線;(f) 3月22日平均核的包絡(luò)線Fig. 10. Effects of aerosol state and line type on the retrieval results of water vapor profile: (a) Five aerosol prior profiles; (b) the results and errors of water vapor retrieval under the five aerosol prior profiles on March 6; (c) the results and errors of water vapor retrieval under the five aerosol prior profiles on March 22; (d) the exponential water vapor prior profile; (e) the envelope of the average kernel on March 6; (f) the envelope of the average kernel on March 22.

綜上可知, 氣溶膠先驗(yàn)廓線的形狀和大小對(duì)水汽廓線反演結(jié)果的影響較小, 可忽略; 由于高氣溶膠狀態(tài)明顯影響光在大氣中的傳輸路徑, 因此更易影響水汽廓線反演結(jié)果, 主要表現(xiàn)為不同線型反演水汽結(jié)果差異增大以及Hm和ds的減小. 這些結(jié)果均與 NO2等痕量氣體類(lèi)似[11?13], 表明了 PriAM算法對(duì)水汽的適用性.

4.2.2 水汽垂直分布廓線對(duì)比驗(yàn)證

將MAX-DOAS反演的水汽垂直分布廓線與ECMWF再分析數(shù)據(jù)ERA-Interim( https://apps.ecmwf.int/datasets/data/interim-fulldaily/levtype=sfc/)和懷俄明大學(xué)全球探空站共享數(shù)據(jù) ( http://weather.uwyo.edu/upperair/sounding.html)進(jìn)行對(duì)比, 圖11是三種數(shù)據(jù)廓線的對(duì)比示例. ERA-Interim是一個(gè)氣候再分析數(shù)據(jù)集,是將觀測(cè)結(jié)果與先前的預(yù)報(bào)進(jìn)行混合或同化, 以獲得兩者的最佳擬合, 最大分辨率為 0.125° × 0.125°,步長(zhǎng)為 6 h. 探空站 (120.33° E, 36.06° N, 海拔高度 14 m)在青島市市南區(qū), 距離 MAX-DOAS鰲山站點(diǎn) 44 km, 每天兩條數(shù)據(jù)分別為 08∶00 LT(00.00 UTC)和 20∶00 LT (12.00 UTC). 由于光強(qiáng)要求, ECMWF 和探空廓線均選取 08∶00 LT 作為與 MAX-DOAS對(duì)比廓線, 取 MAX-DOAS反演的 07∶30—08∶30的水汽混合比 (mixing ratio,MR)廓線數(shù)據(jù)的均值代表 MAX-DOAS 08∶00 時(shí)刻垂直分布廓線. 將2019年3月4日—31日青島鰲山 MAX-DOAS 的近地面 50, 200, 400, 600 m廓線數(shù)據(jù)與ECMWF和探空的近地面廓線數(shù)據(jù)對(duì)比, 由于ECMWF、探空數(shù)據(jù)與MAX-DOAS廓線數(shù)據(jù)的高度格子不同, 取高度接近的數(shù)據(jù)做比較,結(jié)果如圖12所示. 圖12表明, MAX-DOAS在50,200, 400 和 600 m 與 ECMWF 在 35, 196, 405 和570 m的水汽MR相關(guān)性分析結(jié)果R2分別為0.70,0.83, 0.88, 0.88; MAX-DOAS 在 50 和 600 m與探空數(shù)據(jù)在77和610 m的水汽MR相關(guān)性分析結(jié)果R2分別為 0.66 和 0.81. 結(jié)果表明, MAX-DOAS的50 m與探空數(shù)據(jù)的 77 m差異最大,R2為0.66.這可能由于近地面水汽混合比變化較大, 由于高度相差27 m使得兩者數(shù)據(jù)有較大差異, 也有可能是探空站點(diǎn)與MAX-DOAS站點(diǎn)的距離差異導(dǎo)致, 還需進(jìn)一步對(duì)比分析. 綜上分析, 可以發(fā)現(xiàn)基于MAX-DOAS技術(shù)反演水汽垂直分布具有良好的可行性及較高的準(zhǔn)確性.

圖 11 MAX-DOAS 數(shù)據(jù)與 ECMWF 及探空數(shù)據(jù)對(duì)比Fig. 11. MAX-DOAS data compared with ECMWF and sounding data.

圖 12 MAX-DOAS不同高度廓線數(shù)據(jù)與ECMWF和探空數(shù)據(jù)的相關(guān)性分析Fig. 12. Correlation analysis of MAX-DOAS profile data at different heights with ECMWF and sounding data.

圖 13 基于 MAX-DOAS 反演的水汽 0?4 km 垂直分布廓線Fig. 13. Vertical distribution profile of water vapor 0?4 km based on MAX-DOAS retrieval.

圖13是采用上述方法反演的MAX-DOAS鰲山區(qū)域站監(jiān)測(cè)期間其中10 d的水汽廓線圖(0—4 km)示例. 近地面最低是 50 m, 然后是 200 m, 200 m以上垂直分辨率為200 m, 儀器每完成一次仰角掃描循環(huán)將會(huì)獲得一條垂直廓線. 從圖13可知, 在探測(cè)時(shí)段內(nèi), 青島市鰲山區(qū)域站水汽主要集中在1.5 km以下, 且底層濃度較大, 隨著高度的升高濃度逐漸降低. 受邊界層影響, 2 km以下水汽日間變化比較顯著, 2 km以上則變化均勻.

5 結(jié) 論

本文研究了基于多軸差分吸收光譜技術(shù)在可見(jiàn)藍(lán)光波段(434.0—451.5 nm)對(duì)大氣水汽垂直柱濃度及垂直廓線進(jìn)行準(zhǔn)確反演的方法, 并將該方法應(yīng)用于青島市MAX-DOAS鰲山區(qū)域站2019年3月4日—31日期間觀測(cè)的數(shù)據(jù).

通過(guò)本文的研究, 得出如下結(jié)論:

1) 基于 MAX-DOAS 技術(shù)反演水汽 VCD, 通過(guò)與儀器函數(shù)卷積獲得水汽有效吸收參考截面, 并通過(guò)修正系數(shù)法進(jìn)行飽和吸收校正, 將VCD反演結(jié)果日均值與ECMWF CAMS模型數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析, 二者相關(guān)性較好 (R2= 0.93);

2) 采用基于最優(yōu)估算法的PriAM算法分析了氣溶膠狀態(tài)及線型對(duì)水汽廓線反演結(jié)果的影響,結(jié)果表明, 不同氣溶膠先驗(yàn)廓線反演的Hm、ds以及平均核包絡(luò)線的結(jié)果都比較接近, 氣溶膠廓線類(lèi)型對(duì)水汽垂直廓線的反演結(jié)果影響較小, 可忽略;

3) 高氣溶膠狀態(tài)更易影響水汽廓線反演結(jié)果,主要表現(xiàn)為兩點(diǎn): 第一點(diǎn)是高氣溶膠狀態(tài)下4種TP與BP反演水汽結(jié)果的差異值比低氣溶膠狀態(tài)下大; 第二點(diǎn)為高氣溶膠狀態(tài)下Hm和ds的減小,這些結(jié)果和NO2等痕量氣體類(lèi)似, 均是由于高氣溶膠狀態(tài)明顯影響光在大氣中的傳輸路徑導(dǎo)致, 表明了PriAM廓線反演算法對(duì)水汽的適用性;

4) 采用PriAM算法反演了水汽垂直分布廓線, 將其與ECMWF和懷俄明大學(xué)探空數(shù)據(jù)對(duì)比,其 50, 200, 400, 600 m 水 汽混合比和 ECMWF的 35, 196, 405, 570 m 數(shù)據(jù)的對(duì)比結(jié)果R2分別為 0.70, 0.83, 0.88, 0.88, 其 50 和 600 m 水汽混合比及探空的77和610 m數(shù)據(jù)的對(duì)比結(jié)果R2分別為0.66和0.83, 結(jié)果表明基于PriAM算法的水汽廓線反演方法的可行性與準(zhǔn)確性;

5) 對(duì)觀測(cè)期間水汽廓線圖 (0—4 km)分析,可知青島市鰲山區(qū)域站水汽主要集中在1.5 km以下, 且底層濃度較大, 隨著高度的升高濃度逐漸降低, 這反映了邊界層底層土壤和植物水分蒸發(fā)的情況.

基于MAX-DOAS在可見(jiàn)藍(lán)光波段對(duì)大氣水汽垂直柱濃度及垂直分布的準(zhǔn)確測(cè)量, 不但可以應(yīng)用于衛(wèi)星校驗(yàn), 而且還可以同時(shí)測(cè)量氣溶膠和水汽廓線, 為進(jìn)一步分析霧霾的形成機(jī)制提供可能. 受技術(shù)原理的限制, MAX-DOAS無(wú)法在夜間觀測(cè),只能在太陽(yáng)光比較好的白天觀測(cè). 2019年安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所楊雷等[19]采用基于LED技術(shù)的DOAS系統(tǒng)在夜晚觀測(cè)藍(lán)光波段NO2的吸收,也為在夜間采用DOAS技術(shù)在藍(lán)光波段反演水汽提供了可能.