鐘 美，皮 波，佘 勇，鄭向東

(1.重慶市氣象信息與技術(shù)保障中心，重慶 401147；2.民航重慶空管分局，重慶 401120；3.成都信息工程大學(xué)，成都 610225；4.中國(guó)氣象科學(xué)研究院，北京 100081)

引言

臭氧是大氣中非常重要的痕量氣體之一［1］，平流層含有大氣中90%的臭氧，其強(qiáng)烈吸收對(duì)生物有害的紫外線輻射，保護(hù)地球生物圈的進(jìn)化與發(fā)展，并直接影響大氣輻射的收支平衡，從而對(duì)地球大氣環(huán)流和氣候變化有著非常重要的影響［2-3］。

臭氧觀測(cè)方式有地基觀測(cè)和衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)(簡(jiǎn)稱(chēng)星基觀測(cè)) 兩種不同方式，由于地基觀測(cè)易受天氣、地形、儀器狀況等因素影響，而無(wú)法獲取覆蓋全球的大氣臭氧含量，所以地基觀測(cè)對(duì)全球大氣臭氧變化研究工作的開(kāi)展存在一定局限性［4-6］。星基觀測(cè)可以彌補(bǔ)地基觀測(cè)的局限性，它具有覆蓋面積廣、周期觀測(cè)能力強(qiáng)、空間時(shí)間連續(xù)性好等優(yōu)勢(shì)，且不受惡劣天氣及地形條件的影響［7-9］。因此，為了對(duì)全球平流層臭氧損耗的可靠評(píng)估，星基觀測(cè)已成為精準(zhǔn)分析全球臭氧時(shí)空變化的重要手段［10］。

FY-3B 衛(wèi)星是我國(guó)新一代極軌氣象衛(wèi)星［11］，它所攜帶的紫外臭氧總量探測(cè)儀 (Total Ozone Unit：TOU) 是我國(guó)自主研制并專(zhuān)門(mén)用于獲取大氣臭氧總量產(chǎn)品的星載儀器［12］，該臭氧探測(cè)儀器已經(jīng)實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)化運(yùn)行，并在2011 年北極臭氧損耗等重大事件監(jiān)測(cè)中得到應(yīng)用［13］。目前，利用地基觀測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證TOU 臭氧總量產(chǎn)品精度的研究工作已經(jīng)有很多［14］，然而，利用衛(wèi)星遙感觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)連續(xù)時(shí)間序列TOU測(cè)值的驗(yàn)證并不多。

Aura-OMI 的OMTO3e 是目前各界常用的衛(wèi)星臭氧總量產(chǎn)品，該產(chǎn)品是居于多國(guó)衛(wèi)星數(shù)據(jù)以TOMS V8.0 算法為基礎(chǔ)進(jìn)行反演的，而FY-3B TOU反演臭氧總量算法是基于通道開(kāi)發(fā)，其工作原理與TOMS V8.0 基本類(lèi)似［15］。因此，本文選擇與FY-3B TOU 反演算法相似的OMTO3e 臭氧總量產(chǎn)品，通過(guò)對(duì)兩者反演臭氧總量產(chǎn)品的空間分布特征、時(shí)間變化規(guī)律、其他影響因素的對(duì)比分析和研究，來(lái)進(jìn)一步檢驗(yàn)FY-3B TOU 反演臭氧總量產(chǎn)品的精度水平。

1 數(shù)據(jù)和分析方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

(1)FY-3B TOU 及其臭氧總量產(chǎn)品資料

FY-3B 衛(wèi)星其軌道高度為836km，軌道傾角為98.75°，降交地方時(shí)為北京時(shí)間10:00—10:20，升交地方時(shí)為13:40—14:00。其紫外臭氧總量探測(cè)儀(TOU)是我國(guó)首次自主研發(fā)的第一臺(tái)臭氧總量探測(cè)儀，并于2010 年11 月5 日成功發(fā)射升空［16］。FY-3B TOU 是采用固定光柵、狹縫陣列式的單光柵光譜儀［17］，其主要科學(xué)目標(biāo)是探測(cè)全球臭氧總量的分布，為氣候和環(huán)境監(jiān)測(cè)提供可靠的臭氧分布參數(shù)。

研究使用的是FY-3B TOU 臭氧總量日產(chǎn)品(全球等經(jīng)緯度投影)，空間分辨率達(dá)到0.5°×0.5°，存儲(chǔ)格式為HDF，時(shí)間是2010 年11 月11 日至2016 年12 月31 日。

(2)Aura-OMI 及其臭氧總量產(chǎn)品資料

衛(wèi)星臭氧總量數(shù)據(jù)除了來(lái)源于我國(guó)FY-3B 衛(wèi)星數(shù)據(jù)，還來(lái)源于國(guó)際同期在軌的EOS-Aura 衛(wèi)星上的OMI 傳感器數(shù)據(jù)。EOS-Aura 衛(wèi)星于2004 年7月15 日在美國(guó)上空成功發(fā)射，是一顆由多國(guó)共同研制的近極地、太陽(yáng)同步科學(xué)探測(cè)衛(wèi)星，其軌道高度為705Km，約在當(dāng)?shù)貢r(shí)間13:45 過(guò)境。其中臭氧檢測(cè)儀(OMI，Ozone Monitor Instrument) 由荷蘭和芬蘭與NASA 合作制造，是繼全球臭氧監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)(GOME，Global Ozone Monitoring Experiment) 和掃描成像大氣吸收?qǐng)D譜儀(SCIAMACHY，Scanning Imaging Absorption Spectrometer for Atmospheric Chartography)之后的新一代大氣成分探測(cè)傳感器［19］。

本文使用OMI Level 3 Gridded dataset 全球臭氧總量格網(wǎng)產(chǎn)品OMTO3e，單位是DU(Dobson Unit)，空間分辨率達(dá)到0.25°×0.25°覆蓋全球(89.5°S～89.5°N，179.5°W～179.5°E，極夜區(qū)除外)，存儲(chǔ)格式為HDF-EOS5，時(shí)間從2010 年1 月1 日至2016年12 月31 日。

1.2 數(shù)據(jù)處理

首先利用Matlab 中高級(jí)數(shù)據(jù)函數(shù)hdf5read()批量讀取TOU 和OMI 反演的臭氧總量數(shù)據(jù)，具體方法如下：

式中data 是FY-3B 和Aura-OMI 衛(wèi)星反演全球臭氧總量產(chǎn)品HDF 數(shù)據(jù)集的所有數(shù)據(jù)，hinfo 是HDF 中數(shù)據(jù)集結(jié)構(gòu)。通過(guò)Matlab 封裝的高級(jí)函數(shù)對(duì)HDF 文件讀取的優(yōu)勢(shì)在于Matlab 使用起來(lái)簡(jiǎn)單易學(xué)，運(yùn)用廣泛；函數(shù)集成高，簡(jiǎn)單幾個(gè)函數(shù)命令就可提取數(shù)據(jù)，避免大量的編程工作。

由于OMI 與TOU 臭氧總量數(shù)據(jù)空間格點(diǎn)分布不同，TOU 臭氧總量的空間分布為0.5°×0.5°等經(jīng)緯度格點(diǎn)數(shù)據(jù)，OMI 為0.25°×0.25°等經(jīng)緯度格點(diǎn)數(shù)據(jù)，OMI 與TOU 臭氧數(shù)據(jù)的原始空間格點(diǎn)分布如下圖1 所示，為便于對(duì)TOU 臭氧總量數(shù)據(jù)的比對(duì)分析，需將OMI 臭氧總量數(shù)據(jù)的原始格點(diǎn)分布轉(zhuǎn)換為T(mén)OU 臭氧總量數(shù)據(jù)格點(diǎn)分布。

圖1 FY－3B 與Aura－OMI 經(jīng)緯度格點(diǎn)示意圖

基于上圖1 經(jīng)緯度格點(diǎn)分布規(guī)律，采用空間就近平均值插值法將OMI 格點(diǎn)數(shù)據(jù)按照TOU 格點(diǎn)分布進(jìn)行格點(diǎn)化處理，即在TOU 格點(diǎn)附近取OMI 四個(gè)格點(diǎn)測(cè)值的算術(shù)平均值作為OMI 對(duì)應(yīng)TOU 網(wǎng)格格點(diǎn)測(cè)值，并與TOU 測(cè)值進(jìn)行比較，例如：TOU 某網(wǎng)格格點(diǎn)(lat_i，lon_j)的臭氧總量測(cè)值為Olat_i，lon_j，其附近OMI 四個(gè)網(wǎng)格格點(diǎn)臭氧總量測(cè)值分別為Olat_i＋0.125，lon_j＋0.125、Olat_i＋0.125，lon_j-0.125、Olat_i-0.125，lon_j＋0.125、Olat_i-0.125，lon_j-0.125，通過(guò)公式(2)計(jì)算得到OMI 對(duì)應(yīng)TOU 格點(diǎn)的臭氧總量 值Plat_i，lon_j。

式 中Plat_i，lon_j表示OMI 對(duì)應(yīng)TOU 網(wǎng)格格點(diǎn)(lat_i，lon_j)的臭氧總量值。

1.3 數(shù)據(jù)分析

通過(guò)計(jì)算TOU 與OMI 在全球所有網(wǎng)格點(diǎn)測(cè)值的相對(duì)偏差(Relative Difference：RD)來(lái)表征TOU 的測(cè)量精度水平，進(jìn)而分析TOU 反演臭氧總量產(chǎn)品在全球不同區(qū)域的時(shí)空分布特征。

相對(duì)偏差RD 的計(jì)算公式如下：

式中OUi表示FY-3B 衛(wèi)星臭氧總量值，OMIi表示Aura-OMI 衛(wèi)星臭氧總量產(chǎn)品OMTO3e 值。

考慮到衛(wèi)星反演的大氣臭氧總量在不同緯度和時(shí)間的變化情況，本文TOU 的驗(yàn)證分析通過(guò)將緯度分為5 個(gè)區(qū)域，即南極區(qū)域(63.5°S 以南)、南半球中緯度區(qū)域(63.5°S～23.5°S)、赤道區(qū)域(23.5°S～23.5°N)、北半球中緯度區(qū)域(23.5°N～63.5°N)、北極區(qū)域(63.5°N 以北)，對(duì)每一個(gè)緯度帶所包含網(wǎng)格點(diǎn)的相對(duì)偏差進(jìn)行平均計(jì)算。同時(shí)，將TOU 臭氧總量覆蓋時(shí)間(2010 年11 月11 日至2016 年12 月31 日)按月對(duì)全球所有網(wǎng)格點(diǎn)的相對(duì)偏差進(jìn)行平均計(jì)算。

衛(wèi)星觀測(cè)臭氧總量反演過(guò)程中需考慮大氣臭氧總量值本身、太陽(yáng)天頂角(Solar Zenith Angle，SZA)等因素，為進(jìn)一步分析TOU 臭氧總量RD 值對(duì)上述因素變化的敏感性，本文通過(guò)分析TOU 臭氧總量RD 隨參考衛(wèi)星臭氧總量、太陽(yáng)天頂角(Solar Zenith Angle，SZA)的變化特點(diǎn)，以此來(lái)檢驗(yàn)TOU 臭氧總量的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性［20］。

2 結(jié)果與分析

2.1 TOU 臭氧總量RD 的全球空間分布特征

首先看全球不同區(qū)域TOU 臭氧總量RD 的總體分布特征，圖2 分別將TOU 與OMTO3e 在全球360×720 個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)上的相對(duì)偏差值利用色標(biāo)圖形式填充到世界圖上，最終直觀展現(xiàn)出TOU 與OMI 臭氧總量RD 全球空間分布特征。

圖2 TOU 與OMTO3e 臭氧總量RD 空間分布圖

從圖2 可看出，RD 在全球各緯度區(qū)域的分布大部分區(qū)域均大于零，可知全球大部分區(qū)域的TOU 測(cè)值均大于OMTO3e。其中赤道區(qū)域大部分RD 分布在2%～4%之間，小部分在0～2%之間，南北半球中緯度區(qū)域幾乎都集中在2%～4%之間，北極和南極地區(qū)擴(kuò)大到4%～6%和8%～10%之間，故從赤道到兩極地的RD 分布是隨緯度升高而增大。產(chǎn)生此種現(xiàn)象，主要是由于赤道地區(qū)的大氣運(yùn)動(dòng)的上升氣流將臭氧從低緯度帶到高緯度區(qū)域，兩極地區(qū)極晝期間臭氧含量較低，衛(wèi)星輻射定標(biāo)的誤差對(duì)反演結(jié)果影響較大，從而導(dǎo)致兩極地區(qū)域特別是在南極上空相對(duì)偏差RD 較大［21］。

2.2 TOU 臭氧總量RD 的季節(jié)變化特征

為驗(yàn)證TOU 臭氧總量RD 值的季節(jié)變化特征，對(duì)全球不同區(qū)域RD 值的月平均值做了對(duì)比分析，圖3 給出了TOU 與OMTO3e 在全球及5 個(gè)緯度區(qū)域的月平均RD 比較結(jié)果。結(jié)果顯示，TOU 與OMTO3E 在全球區(qū)域RD 值波動(dòng)在2.1%～6.7%之間，變化幅度較小，赤道區(qū)域RD 值在0～4%，南北半球區(qū)域RD 值分別在0.1%～5.6%和1.5%～5.9%，而南北極區(qū)域RD 擴(kuò)到到5%～19.9%和2.3%～18.7%，明顯看出，隨著緯度的上升，RD 出現(xiàn)較大幅度的增長(zhǎng)趨勢(shì)。

圖3 TOU 與OMTO3e 臭氧總量月平均RD 季節(jié)分布圖

由圖3 還可看出，全球所有區(qū)域的RD 均為非負(fù)值，說(shuō)明在全球各緯度TOU 的測(cè)值均大于OMTO3e。其次，除南北極地區(qū)域外，TOU 臭氧總量RD 均呈現(xiàn)出明顯的季節(jié)變化特征，尤其南半球中緯度區(qū)域的季節(jié)變化較其他區(qū)域更加顯著。赤道區(qū)域波谷出現(xiàn)在1—2 月，類(lèi)似于北半球中緯度區(qū)域的變化趨勢(shì)，且變化幅度較為平穩(wěn)，在南半球中緯度區(qū)域，波谷值出現(xiàn)在6—7 月，冬春季節(jié)RD 較大，夏秋季較小，北半球中緯度區(qū)域，波谷出現(xiàn)在2—3 月，冬春季RD 較小，夏秋季RD 較大，南北半球出現(xiàn)相位相反的變化規(guī)律。這與南北半球地形差異有關(guān)，南半球以海洋為主，而北半球以陸地覆蓋為主，下墊面地形差異導(dǎo)致大氣環(huán)流引起南北半球RD 值變化差異。

南、北極區(qū)因極夜無(wú)法觀測(cè)而導(dǎo)致數(shù)據(jù)的連續(xù)性出現(xiàn)規(guī)律性斷點(diǎn)，南極出現(xiàn)在6—7 月，北極出現(xiàn)在12—1 月，由于南北極區(qū)在極夜期間臭氧含量較少，衛(wèi)星輻射定標(biāo)的誤差對(duì)反演結(jié)果影響較大，甚至導(dǎo)致極區(qū)缺測(cè)，且晝夜交替時(shí)長(zhǎng)隨緯度升高而加長(zhǎng)［21］。

2.3 影響TOU 臭氧總量RD 的可能因素

為驗(yàn)證TOU 臭氧總量RD 值對(duì)參考衛(wèi)星臭氧總量和太陽(yáng)天頂角SZA 因素變化的敏感性，針對(duì)全球5 個(gè)不同區(qū)域的RD 值對(duì)上述因素變化的敏感性進(jìn)行逐一分析。圖4 給出全球及5 個(gè)緯度區(qū)域TOU臭氧總量RD 值隨OMTO3e 臭氧總量變化結(jié)果。

圖4 TOU 與OMTO3e 臭氧總量RD 與參考衛(wèi)星臭氧總量關(guān)系圖

從圖4 可看出，在全球不同區(qū)域TOU 臭氧總量RD 均對(duì)OMTO3e 衛(wèi)星臭氧總量產(chǎn)品呈現(xiàn)出一定區(qū)域特征。結(jié)果顯示，赤道區(qū)域RD 值隨衛(wèi)星臭氧總量的變化波動(dòng)較小，基本穩(wěn)定在0.1%～2.9%之間。除赤道區(qū)域以外，僅衛(wèi)星臭氧總量在一定范圍值內(nèi)變化時(shí)，TOU 臭氧總量RD 才出現(xiàn)相對(duì)穩(wěn)定的波動(dòng)。全球、南半球、北半球區(qū)域RD 值均在衛(wèi)星臭氧總量230～500DU 之間相對(duì)平穩(wěn)，全球區(qū)域RD 值在2.7%～4.4%，南半球區(qū)域RD 值在1.9%～3.4%，北半球區(qū)域RD 值在1.9%～3.6%之間，而低于230DU 和高于500DU 區(qū)域則出現(xiàn)明顯拐點(diǎn)變化趨勢(shì)，南極區(qū)域當(dāng)在200～460DU 范圍內(nèi)時(shí)，RD 值波動(dòng)于7.3%～8.5%，低于200DU 的“臭氧空洞”時(shí)，RD 值變化幅度明顯增大，北極在230～500DU 可達(dá)到7.3%～11.4%，由此可見(jiàn)，TOU 臭氧總量RD 在不同區(qū)域?qū)πl(wèi)星臭氧總量值均出現(xiàn)了一定程度的依賴(lài)性。

在理想狀態(tài)下，TOU 相對(duì)差別的變化隨著太陽(yáng)天頂角的變化不應(yīng)有明顯的變化趨勢(shì)［22］。從圖5 可看出，赤道區(qū)域基本符合這種情況，這是由于熱帶赤道區(qū)域的緯度低，衛(wèi)星過(guò)境期間的太陽(yáng)天頂角比較小的緣故，便會(huì)減小衛(wèi)星測(cè)值對(duì)SZA 的依賴(lài)性。在南北極區(qū)域，太陽(yáng)天頂角SZA 在45°～65°期間，TOU臭氧總量RD 隨SZA 增大均呈正的下降趨勢(shì)，RD值分別波動(dòng)在11.3%～8.4%和9.8%～4.5%，在70°～80°之間均呈現(xiàn)小幅度回升趨勢(shì)，總體上南極區(qū)域的RD 值明顯高于北極區(qū)域。在全球、和南北半球區(qū)域，隨著SZA 太陽(yáng)天頂角增大，TOU 臭氧總量RD 值均呈現(xiàn)緩慢的上升趨勢(shì)，但全球區(qū)域的上升幅度相對(duì)較大，約為9%左右。不過(guò)從總體上來(lái)看，TOU 臭氧總量誤差受SZA 變化情況并不明顯。

圖5 TOU 與OMTO3e 臭氧總量RD 與太陽(yáng)天頂角(SZA)關(guān)系圖

3 結(jié)論

(1)FY3B TOU 與OMTO3e 在全球各緯度區(qū)域的RD 大部分均大于零，可知全球大部分區(qū)域的TOU 測(cè)值均大于OMTO3e。其中赤道區(qū)域RD 大部分在2%～4%，小部分在0%～2%，南北半球中緯度區(qū)域幾乎集中在2%～4%，北極地區(qū)大部在4%～6%，南極地區(qū)擴(kuò)大到8%～10%。由此可見(jiàn)，從赤道到兩極的RD 隨緯度升高而不斷增大。

(2)FY3B TOU 與OMTO3e 在全球區(qū)域RD 月平均值在2.1%～6.7%之間，變化幅度較小，赤道RD值在0～4%，南北半球RD 值分布在0.1%～5.6%和1.5%～5.9%，而南北極RD 擴(kuò)大到5%～19.9%和2.3%～18.7%，隨著緯度的上升，RD 出現(xiàn)較大幅度的增長(zhǎng)。除南北極地區(qū)域外，TOU 臭氧總量RD 均呈現(xiàn)出明顯的季節(jié)變化特征，尤其南半球中緯度區(qū)域的季節(jié)變化較其他區(qū)域更加顯著。

(3)FY3B TOU 與OMTO3e 在赤道區(qū)域RD 值隨衛(wèi)星臭氧總量的變化波動(dòng)較小，基本穩(wěn)定在0.1%～2.9%之間。除赤道區(qū)域以外，僅衛(wèi)星臭氧總量在230～500DU 之間，TOU 臭氧總量RD 才出現(xiàn)相對(duì)穩(wěn)定的波動(dòng)。全球及南北半球區(qū)域RD 值在低于230DU 和高于500DU 時(shí)均出現(xiàn)明顯拐點(diǎn)變化，低于230DU 時(shí)，RD 隨衛(wèi)星臭氧總量值的增大而降低，大于500DU 時(shí)，RD 則隨臭氧總量值由正往負(fù)下滑。故TOU 臭氧總量RD 在不同區(qū)域?qū)πl(wèi)星臭氧總量值均出現(xiàn)了一定程度的依賴(lài)性。

(4)在全球、赤道、南北半球區(qū)域，隨著SZA 太陽(yáng)天頂角增大，TOU 臭氧總量RD 值均呈現(xiàn)緩慢的上升趨勢(shì)，在南北極區(qū)域SZA 在45°～65°期間，TOU臭氧總量RD 隨SZA 增大均呈正的下降趨勢(shì)，在70°～80°之間均呈現(xiàn)小幅度回升趨勢(shì)。從總體上來(lái)看，TOU 臭氧總量RD 值誤差受SZA 變化情況并不明顯。