汪 可,李正強(qiáng),李凱濤,許 華,侯夢(mèng)雨,王博林,3

(1安徽師范大學(xué)地理與旅游學(xué)院,安徽 蕪湖 241003;2中國(guó)科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院,北京 100101;3中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京 100049)

0 引言

臭氧是大氣中一種重要的微量氣體,是影響對(duì)流層與平流層大氣運(yùn)動(dòng)的重要成分之一。大約90%的臭氧位于平流層,其密度峰值出現(xiàn)在海拔20～30 km之間[1,2]。臭氧對(duì)生物圈至關(guān)重要,它可以吸收太陽(yáng)紫外波段的輻射,幫助地球阻擋宇宙中過(guò)量的紫外輻射;同時(shí),臭氧層會(huì)吸收多余的能量,存儲(chǔ)于大氣中,協(xié)助地球調(diào)節(jié)氣候。而在臭氧層遭到破壞后,出現(xiàn)臭氧空洞,使得宇宙中的紫外輻射直射地球,對(duì)人體健康、日常生活造成影響;同時(shí)過(guò)量的紫外輻射會(huì)導(dǎo)致平流層溫度異常,影響整個(gè)地球的氣候變化,對(duì)地球生物圈造成不良影響[3-5]。自20世紀(jì)80年代首次報(bào)道臭氧層耗竭[6,7]以來(lái),科學(xué)家對(duì)其長(zhǎng)期趨勢(shì)進(jìn)行了廣泛的研究。

上世紀(jì)20年代,英國(guó)科學(xué)家Dobson基于大氣臭氧差分吸收原理,設(shè)計(jì)研發(fā)了地基Dobson臭氧分光光度計(jì)來(lái)監(jiān)測(cè)臭氧柱含量[8],通過(guò)測(cè)量在紫外線(UV)中具有不同吸收特征的兩個(gè)波長(zhǎng)對(duì)[9](A對(duì):305.5 nm和325.4 nm;D對(duì):317.6 nm和339.8 nm)獲取大氣柱臭氧含量。上世紀(jì)80年代初期,基于差分吸收原理設(shè)計(jì)的地基臭氧總量觀測(cè)儀器—Brewer分光光度計(jì)設(shè)計(jì)成功。Brewer分光光度計(jì)相比于Dobson分光光度計(jì),在具體技術(shù)和自動(dòng)化操作方面有所改進(jìn),Brewer分光光度計(jì)通過(guò)測(cè)量太陽(yáng)輻照度和天頂天空輻射光譜,反演紫外線中的總紫外線(TUV)、紅斑紫外線(EUV)、臭氧柱總量、氣溶膠光學(xué)深度(AOD)以及痕量氣體(如NO2和SO2)的數(shù)據(jù)。除了上述兩種臭氧觀測(cè)儀器外,地基臭氧觀測(cè)儀器還包括天光光度計(jì)、濾光片型臭氧測(cè)量?jī)x等,基于這些儀器,科學(xué)家們建立了臭氧觀測(cè)的全球網(wǎng)絡(luò)。除了測(cè)量臭氧柱含量以外,還可獲取臭氧的垂直廓線及垂直分布信息[10-12]。

對(duì)于衛(wèi)星觀測(cè),1970年,Nimbus 4衛(wèi)星第一次攜帶探測(cè)臭氧垂直分布的BUV探測(cè)器,BUV探測(cè)器共有12個(gè)通道,其中4個(gè)長(zhǎng)波通道用于臭氧總量監(jiān)測(cè),其他通道則用于臭氧垂直廓線的監(jiān)測(cè)[13],Nimbus 4衛(wèi)星的工作時(shí)間為1970–1977年。在1978年,Nimbus 7搭載了太陽(yáng)紫外后向散射儀(SBUV),該探測(cè)儀具有兩種工作模式,分別為步進(jìn)式和連續(xù)掃描式。SBUV從1978年開(kāi)始觀測(cè),直到1986年停止工作。Nimbus 7還搭載了臭氧總量測(cè)繪分光儀(TOMS),該傳感器適用于全球大范圍的臭氧總量監(jiān)測(cè)。這兩顆傳感器觀測(cè)原理類似,都是通過(guò)觀測(cè)太陽(yáng)紫外后向散射來(lái)反演臭氧總量,兩顆傳感器協(xié)同觀測(cè),能為用戶提供全球范圍內(nèi)的每日臭氧數(shù)據(jù)。第二代TOMS探測(cè)儀搭載在Meter-3衛(wèi)星上[14],觀測(cè)時(shí)間為1991–1994年。第三代TOMS搭載在ADEOS衛(wèi)星上,在1996–1997年間的持續(xù)觀測(cè)為用戶提供了臭氧的每日數(shù)據(jù)。第四代TOMS探測(cè)儀搭載在地球探測(cè)衛(wèi)星Earth Probe上,從1996年開(kāi)始一直工作至今。以上四代TOMS傳感器觀測(cè)所得到的臭氧數(shù)據(jù),與后面的臭氧監(jiān)測(cè)儀(OMI、OMPS)傳感器數(shù)據(jù)相結(jié)合,形成了從1979年至今比較全面的臭氧數(shù)據(jù)集,該數(shù)據(jù)集數(shù)據(jù)相對(duì)完整,數(shù)據(jù)質(zhì)量較高,為全球臭氧反演提供了有力的支持[15]。1996年,全球臭氧觀測(cè)儀(GOME)被研制成功并開(kāi)始進(jìn)行觀測(cè)獲取臭氧數(shù)據(jù),其原理與前述臭氧傳感器類似,通過(guò)觀測(cè)大氣后向散射輻射來(lái)反演獲取臭氧總量的數(shù)據(jù)。2004年,OMI搭載在NASA-AURA衛(wèi)星上發(fā)射升空并開(kāi)始工作,其觀測(cè)原理是基于臭氧在317 nm和331 nm兩個(gè)波段的強(qiáng)吸收特性對(duì)臭氧總量進(jìn)行反演[14]。

衛(wèi)星遙感彌補(bǔ)了地基遙感在觀測(cè)時(shí)間和空間上不連續(xù)的缺陷,但由于其觀測(cè)模式不同,導(dǎo)致衛(wèi)星觀測(cè)的結(jié)果精度通常低于地基觀測(cè)的結(jié)果。因此,學(xué)者們通常以地基數(shù)據(jù)為基準(zhǔn),對(duì)衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。2007年,Balis等[16]利用世界臭氧和紫外線輻射數(shù)據(jù)中心WOUDC(World Ozone and Ultraviolet Radiation Data Center)站點(diǎn)的地基數(shù)據(jù),在25個(gè)站點(diǎn)上使用Dobson、Brewer儀器驗(yàn)證OMI-DOAS、OMI-TOMS數(shù)據(jù);2009年,Ant′on等[17]利用5臺(tái)地基Brewer儀器,在伊比利亞半島地區(qū)對(duì)于OMI的衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗(yàn)證;2012年,Damiani等[18]使用挪威斯瓦爾巴群島地區(qū)的Brewer地基數(shù)據(jù),對(duì)OMI、GOME和SCIAMACHY三類衛(wèi)星傳感器進(jìn)行了驗(yàn)證;2013年,Virolainen等[19]在圣彼得堡附近使用FITR、M-124 filter ozonometer、Dobson地基數(shù)據(jù),對(duì)OMI衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證;2017年,Baek等[20]利用2012年3月至2014年12月在韓國(guó)釜山、浦項(xiàng)的Pandora與Brewer的地基數(shù)據(jù),驗(yàn)證了OMI數(shù)據(jù);同一年,Kim等[21]利用韓國(guó)首爾延世大學(xué)站點(diǎn)上2012年3月至2014年3月的Pandora、Brewer、Dobson的地基數(shù)據(jù),進(jìn)行了OMI衛(wèi)星數(shù)據(jù)驗(yàn)證。

美國(guó)宇航局戈達(dá)德太空飛行中心于2006年開(kāi)發(fā)了潘多拉分光光度計(jì)(Pandora),用于測(cè)量包括臭氧在內(nèi)的痕量氣體的濃度[22]。Pandora是一種陣列探測(cè)器,用于在寬光譜范圍內(nèi)進(jìn)行同步和連續(xù)觀測(cè)[22]。潘多拉光譜儀系統(tǒng)是最近開(kāi)發(fā)的一種用于痕量氣體(包括總臭氧和污染物)測(cè)量的地面監(jiān)測(cè)儀器,具有連續(xù)光譜輻射觀測(cè)和高信噪比的優(yōu)勢(shì),有助于了解城市中空氣質(zhì)量情況和污染物的變化過(guò)程以及衛(wèi)星測(cè)量的驗(yàn)證[23]。目前,潘多拉全球觀測(cè)網(wǎng)(PGN)在全球架設(shè)了近200個(gè)站點(diǎn),這些站點(diǎn)大多數(shù)分布在美國(guó)和歐洲等地區(qū),主要應(yīng)用于當(dāng)?shù)氐目諝赓|(zhì)量監(jiān)測(cè)以及衛(wèi)星數(shù)據(jù)驗(yàn)證等工作。

本文選取了44個(gè)公布臭氧數(shù)據(jù)的PGN站點(diǎn),數(shù)據(jù)時(shí)間最早從2015年7月開(kāi)始,截止到2021年5月31日,將44個(gè)PGN站點(diǎn)數(shù)據(jù)與OMI衛(wèi)星數(shù)據(jù)集進(jìn)行比較,分析了全球范圍內(nèi)臭氧的分布情況。首先介紹了本研究中所使用的儀器和數(shù)據(jù),隨后對(duì)Pandora與OMI的觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行了分析,最后對(duì)結(jié)果進(jìn)行了總結(jié)與討論。

1 儀器和數(shù)據(jù)

1.1 臭氧監(jiān)測(cè)儀(OMI)

OMI由荷蘭與芬蘭共同研制,搭載于美國(guó)2004年發(fā)射的Aura衛(wèi)星上,致力于監(jiān)測(cè)臭氧和痕量氣體(如二氧化硫、二氧化氮等),也可以觀測(cè)獲得氣溶膠、云、臭氧廓線等信息。OMI采用天底觀測(cè)的方式,通過(guò)觀測(cè)地球大氣及表面的后向散射輻射來(lái)獲取大氣中的臭氧信息。OMI傳感器的觀測(cè)波長(zhǎng)范圍在270～500 nm之間,波譜分辨率為0.5 nm,軌道掃描寬度為2600 km,空間分辨率為13 km×24 km,完成一次全球掃描的時(shí)間只需要一天,可以測(cè)量臭氧、NO2、SO2柱濃度和廓線以及氣溶膠、云、表面紫外輻射等多種數(shù)據(jù)[24]。

OMI臭氧產(chǎn)品根據(jù)使用的算法不同,所得到的最終結(jié)果也不相同。OMI-TOMS和OMI-DOAS兩種算法都是基于大氣中的不同成分對(duì)紫外波段的后向散射輻射來(lái)反演獲取臭氧數(shù)據(jù),所得到的數(shù)據(jù)產(chǎn)品的分辨率均為13 km×24 km[25]。

OMI-TOMS算法由Dave和Mateer兩人開(kāi)發(fā),適用于衛(wèi)星觀測(cè)臭氧總量反演。OMI-TOMS算法主要基于以下兩點(diǎn)假設(shè):1)當(dāng)波長(zhǎng)大于310 nm時(shí),臭氧總量是影響紫外后向散射輻射強(qiáng)度大小的最重要因素,其他氣體影響基本忽略不計(jì);2)在進(jìn)行輻射傳輸?shù)挠?jì)算中,將云、地表以及氣溶膠近似看做朗伯體來(lái)處理計(jì)算。在它的V8版本算法中,采用了317.5 nm和331.2 nm的波長(zhǎng)對(duì),其余波長(zhǎng)對(duì)只用于反演診斷和誤差修正[25]。

OMI-DOAS算法主要基于比爾朗伯定律。該算法對(duì)太陽(yáng)輻射經(jīng)過(guò)大氣后的輻射值進(jìn)行對(duì)比,得到了比值光譜。而這個(gè)比值光譜就可以將太陽(yáng)輻射區(qū)分為高頻快變部分以及低頻慢變部分,分別代表了氣體分子中的窄吸收和寬帶吸收以及氣溶膠影響。光譜在氣體中的吸收主要取決于它的含量,從最初的比值光譜中扣除了低頻慢變部分,即可得到差分吸收光譜[26]。

1.2 Pandora太陽(yáng)光度計(jì)

Pandora太陽(yáng)光度計(jì)來(lái)源于NASA Pandora項(xiàng)目,該項(xiàng)目是Pandonia全球網(wǎng)絡(luò)的一部分。該項(xiàng)目使用光譜學(xué)研究UV和可見(jiàn)光波長(zhǎng),以確定大氣的成分及其與地球環(huán)境的相互作用。Pandora太陽(yáng)光度計(jì)使用理論太陽(yáng)光譜作為參考,而利用差分光學(xué)吸收光譜(DOAS)確定痕量氣體量,其原理是將Pandora測(cè)量的光譜差異歸因于大氣中存在痕量氣體(即理論太陽(yáng)光譜與測(cè)量光譜之間的差異是由痕量氣體物質(zhì)的吸收引起的)。

Pandora太陽(yáng)光度計(jì)主要由三部分組成,分別為傳感器頭、太陽(yáng)追蹤器以及控制盒。傳感器頭由包含光學(xué)元件和微控制器的主體光纖導(dǎo)管、準(zhǔn)直器等組成;而太陽(yáng)跟蹤器控制傳感器頭使其始終指向太陽(yáng)、月亮或天空中的特定坐標(biāo),具體取決于操作軟件執(zhí)行的例程。主控制箱是堅(jiān)固的大型容器,正面有兩個(gè)白色入口,光譜儀箱是一個(gè)絕緣的溫控外殼,用于容納光譜儀。光譜儀箱體的溫度由安裝在箱體下方的熱電冷卻器(TEC)控制。主控制箱還包含繼電器/接口箱,用于分配電源并協(xié)調(diào)Pandora系統(tǒng)組件之間的通信。

Pandora太陽(yáng)光度計(jì)觀測(cè)反演得到的臭氧數(shù)據(jù)產(chǎn)品,其時(shí)間分辨率為2 min,最終的數(shù)據(jù)格式產(chǎn)品為hdf5。在Pandora太陽(yáng)光度計(jì)的臭氧數(shù)據(jù)產(chǎn)品中,除了臭氧柱總量以外,還包含了觀測(cè)站點(diǎn)的經(jīng)緯度、高程、時(shí)間、觀測(cè)天頂角與方位角等信息,這些信息在后續(xù)的數(shù)據(jù)處理中起到很重要的作用。

Pandora太陽(yáng)光度計(jì)的各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 Pandora太陽(yáng)光度計(jì)技術(shù)參數(shù)Table 1 Pandora solar photometer technical parameters

表2為本次研究中用到的44個(gè)Pandora站點(diǎn)的名稱和位置信息,站點(diǎn)的排列從上到下其緯度從低到高。

表2 PGN站點(diǎn)觀測(cè)位置Table 2 PGN site observation position

Continued

1.3 數(shù)據(jù)處理

OMI數(shù)據(jù)來(lái)源于EarthDATA GES DISC網(wǎng)站所提供的OMI衛(wèi)星3e級(jí)每日平均臭氧數(shù)據(jù),該數(shù)據(jù)是來(lái)自KNMI的Pepijn Veefkind博士基于OMI-DOAS算法所制作,該數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)獲取時(shí)間為2021年6月21日。Pandora觀測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)源于http://data.pandonia-global-network.org/,由Pandora全球觀測(cè)網(wǎng)所提供,該數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)獲取時(shí)間為2021年6月1日。

來(lái)自EarthDATA GES DISC網(wǎng)站的OMI數(shù)據(jù),空間分辨率為0.25°×0.25°,反映的是一個(gè)區(qū)域內(nèi)的平均臭氧濃度。根據(jù)不同PGN站點(diǎn)的經(jīng)緯度信息,對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行雙線性空間插值處理,獲得PGN站點(diǎn)位置上的臭氧總量信息。對(duì)于Pandora數(shù)據(jù),為了避免與云污染和雜散光效應(yīng)相關(guān)的錯(cuò)誤,使用以下標(biāo)準(zhǔn)選擇數(shù)據(jù):加權(quán)光譜擬合殘差的均方根小于0.05、太陽(yáng)天頂角(SZA)小于75°以及由于光譜擬合而導(dǎo)致的TCO不確定性小于2 Du,如先前研究中所建議的數(shù)據(jù)篩選標(biāo)準(zhǔn)[23,27,28]。同時(shí),搭載OMI傳感器的Aura衛(wèi)星的過(guò)境時(shí)間約為當(dāng)?shù)貢r(shí)間的01:45左右,選取該時(shí)間前后5 min內(nèi)的Pandora數(shù)據(jù)[21]并求其均值,與OMI數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。

1.4 分析方法

使用線性回歸檢驗(yàn)OMI與地基觀測(cè)值的相關(guān)性,以O(shè)MI臭氧總量相對(duì)誤差表征OMI的測(cè)量精度水平[29]。

相對(duì)誤差Rr定義為

式中ΩOMI與Ωgo分別表示OMI與地基臭氧觀測(cè)總量。在比較中,以地基數(shù)據(jù)為基準(zhǔn),對(duì)OMI數(shù)據(jù)進(jìn)行雙線性空間插值處理后得到Pandora站點(diǎn)處的臭氧插值,處理好的OMI衛(wèi)星數(shù)據(jù)與地基數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。雙線性空間插值處理如圖1所示，具體計(jì)算公式為

圖1 雙線性空間插值處理Fig.1 Bilinear space interpolation

式中x1、x2、y1、y2代表該象限幾個(gè)角點(diǎn)的經(jīng)緯度,q11、q12、q21、q22則代表該象限的四個(gè)臭氧值。

2 結(jié)果分析

2.1 Pandora臭氧全球分布

利用Pandora地基觀測(cè)的臭氧結(jié)果,分析全球范圍內(nèi)臭氧分布的情況,如圖2所示。圖中NA代表北美洲,SA代表南美洲,EU代表歐洲,AS代表亞洲,PAN為Pandora太陽(yáng)光度計(jì)縮寫(xiě),數(shù)據(jù)時(shí)間為2020年1月至12月。從圖中可以看出,全球范圍內(nèi)的Pandora臭氧總量分布隨緯度變化呈現(xiàn)出明顯的緯向地帶性。在越靠近赤道的位置,臭氧總量越低,常年保持在250～275 Du;而緯度越高,臭氧總量也越高。從地基Pandora觀測(cè)得到的全球范圍內(nèi)臭氧分布結(jié)果,與Cooper等的結(jié)果一致[30]。

圖2 Pandora地基臭氧數(shù)據(jù)全球分布Fig.2 Global distribution of Pandora ground-based ozone data

圖3是相同站點(diǎn)處OMI衛(wèi)星觀測(cè)反演所得到的臭氧總量結(jié)果,可以看出,Pandora地基觀測(cè)與OMI衛(wèi)星觀測(cè)臭氧總量的分布趨勢(shì)大致相同,但OMI衛(wèi)星觀測(cè)的結(jié)果普遍高于Pandora地基觀測(cè)的結(jié)果。

圖3 OMI衛(wèi)星臭氧數(shù)據(jù)全球分布Fig.3 Global distribution of OMI satellite ozone data

2.2 OMI臭氧總量總體比較

選取PGN全球范圍內(nèi)的44個(gè)觀測(cè)站點(diǎn),分析每個(gè)站點(diǎn)上較長(zhǎng)時(shí)間序列的OMI臭氧產(chǎn)品和Pandora臭氧觀測(cè)結(jié)果之間的相關(guān)系數(shù),如圖4所示。在全球范圍,OMI臭氧產(chǎn)品與Pandora臭氧觀測(cè)結(jié)果之間具有很好的線性相關(guān)性,其平均相關(guān)系數(shù)達(dá)到了0.946;OMI臭氧產(chǎn)品和Pandora臭氧觀測(cè)結(jié)果之間的相關(guān)系數(shù)在南北半球上存在顯著差異,在南半球上的相關(guān)系數(shù)明顯低于在北半球的相關(guān)系數(shù)。

圖4 地基觀測(cè)與衛(wèi)星測(cè)量的臭氧含量相關(guān)系數(shù)分布圖Fig.4 Distribution of ozone content correlation coefficients between ground-based and satellite measurements

造成南北半球地基與衛(wèi)星臭氧觀測(cè)值相關(guān)系數(shù)出現(xiàn)差異的原因,主要可能是南北半球上臭氧含量及分布的不對(duì)稱性。在南半球55°～65°之間,臭氧總量最大值為340 Du,而在北半球65°～75°之間,臭氧總量最大值為390 Du;在南北半球,臭氧總量最大值都出現(xiàn)在高緯度地區(qū),高緯度地區(qū)臭氧值大是因?yàn)槌嗟榔搅鲗又邢虏康某粞跸蚋呔暥鹊貐^(qū)平流層輸送所致。而造成南北半球總量差異可能源于平均經(jīng)向環(huán)流差異以及南半球高緯地區(qū)的極地環(huán)流。此外,在此次實(shí)驗(yàn)中,南半球站點(diǎn)數(shù)量偏少,且都位于城市之中,受人類活動(dòng)影響較大,這也可能是造成地基與衛(wèi)星臭氧觀測(cè)值相關(guān)系數(shù)出現(xiàn)差異的原因。

采用簡(jiǎn)單的雙參數(shù)線性回歸的方法分析OMI臭氧產(chǎn)品和Pandora臭氧觀測(cè)結(jié)果值之間的相關(guān)性特點(diǎn)?；赑andora站點(diǎn)的分布特點(diǎn),給出了北半球低緯度、北半球中緯度、北半球高緯度、南半球以及全球的線性擬合結(jié)果,如圖5所示。而在圖6中更加清晰地展示了全球范圍內(nèi)相關(guān)系數(shù)隨緯度的變化情況。從圖5中可以看出,在全球范圍內(nèi),OMI與Pandora的整體相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.948。在南北半球上,OMI與Pandora的相關(guān)系數(shù)存在明顯差異。在南半球,OMI與Pandora的相關(guān)系數(shù)為0.915;而在北半球,在低緯度地區(qū),OMI與Pandora的相關(guān)系數(shù)為0.932,在中緯度地區(qū),OMI與Pandora的相關(guān)系數(shù)為0.948,而在高緯度地區(qū),OMI與Pandora的相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.957。OMI與Pandora的整體相關(guān)性在南北半球存在明顯差異,北半球上的OMI與Pandora的整體相關(guān)性顯著高于在南半球上的整體相關(guān)性,而OMI與Pandora的整體相關(guān)性在北半球上幾乎不受緯度的影響。

圖5 OMI與地基臭氧總量的線性統(tǒng)計(jì)關(guān)系。(a)全球;(b)北半球低緯度;(c)北半球中緯度;(d)北半球高緯度;(e)南半球;(f)北半球Fig.5 Linear statistical relationship between OMI and total ground-based ozone.(a)Global;(b)low latitude,(c)mid-latitude,(d)high latitude of northern hemisphere,(e)southern hemisphere;(f)northern hemisphere

圖6 相關(guān)系數(shù)與緯度Fig.6 Correlation coefficient and latitude

2.3 OMI臭氧總量相對(duì)差異

分析全球范圍內(nèi)OMI臭氧總量相對(duì)差異的變化。圖7是根據(jù)Pandora地基觀測(cè)儀器全球分布給出的OMI臭氧總量相對(duì)差異的統(tǒng)計(jì)情況。從圖中可看出,大部分OMI臭氧相對(duì)差異值基本在-2%～4%之間。該統(tǒng)計(jì)結(jié)果是基于具體站點(diǎn)樣本數(shù)的統(tǒng)計(jì),樣本跨度時(shí)間大部分是從2019年6月至2021年6月,期間個(gè)別站點(diǎn)的某一時(shí)刻的數(shù)據(jù)明顯異常,在數(shù)據(jù)處理過(guò)程中舍棄這一部分?jǐn)?shù)據(jù)。

圖7 地基觀測(cè)與衛(wèi)星觀測(cè)臭氧含量的相對(duì)差異分布圖Fig.7 Distribution map of the difference of ozone content between ground-based and satellite observations

圖8顯示了OMI臭氧產(chǎn)品和Pandora臭氧觀測(cè)結(jié)果的臭氧柱總量之間的相對(duì)差異,造成星載OMI與地基Pandora觀測(cè)差異的原因可能是觀測(cè)方式之間的誤差或者是云的影響。數(shù)據(jù)時(shí)間從Pandora儀器安裝開(kāi)始到2021年5月。OMI-DOAS與Pandora數(shù)據(jù)的差異為-1.92%～7.14%,從所有站點(diǎn)的結(jié)果來(lái)看,在絕大多數(shù)地區(qū),OMI衛(wèi)星的地面總臭氧觀測(cè)值是高于Pandora儀器的地面總臭氧觀測(cè)值;在越接近赤道的位置上,OMI衛(wèi)星的地面總臭氧觀測(cè)值高于Pandora儀器的地面總臭氧觀測(cè)值就越明顯;但在46.8°N～47.3°N內(nèi),Pandora儀器的地面總臭氧觀測(cè)值高于OMI衛(wèi)星的地面總臭氧觀測(cè)值。

圖8 Pandora與OMI臭氧總量相對(duì)差異Fig.8 Relative difference between Pandora and OMI total ozone

2.4 臭氧總柱依賴性

在之前的許多驗(yàn)證研究中,研究的特征之一是衛(wèi)星和地面之間的觀測(cè)差異對(duì)總臭氧柱的依賴性,重點(diǎn)是臭氧空洞條件[31]。研究衛(wèi)星觀測(cè)與地基觀測(cè)差異性對(duì)于臭氧柱總量的依賴性的原因在于,在不同的臭氧算法反演中使用了來(lái)自不同氣候?qū)W的臭氧垂直分布,而臭氧垂直分布的差異也會(huì)體現(xiàn)在衛(wèi)星和地面數(shù)據(jù)之間的比較中,尤其是臭氧空洞等極端條件。而OMI-DOAS的臭氧產(chǎn)品中使用的是1985年Bass等所提出的臭氧廓線,其中臭氧吸收界面的溫度并不固定;而Pandora的臭氧產(chǎn)品,使用的是Brion等在1993年所提出的臭氧廓線,其中臭氧吸收界面的溫度固定為225 K。

從圖9中可以看出,在全球范圍內(nèi)不同臭氧柱總量情況下,OMI衛(wèi)星監(jiān)測(cè)結(jié)果存在不同程度的高估或低估:臭氧柱總量低于220 Du時(shí)(對(duì)應(yīng)臭氧空洞條件),OMI臭氧測(cè)量結(jié)果高估約13%;而當(dāng)臭氧柱總量高于400 Du時(shí),OMI臭氧測(cè)量結(jié)果出現(xiàn)低估現(xiàn)象,當(dāng)臭氧柱總量達(dá)到500 Du時(shí),OMI衛(wèi)星監(jiān)測(cè)結(jié)果低估約4%。當(dāng)臭氧柱總量在350～400 Du之間,OMI臭氧產(chǎn)品和Pandora臭氧觀測(cè)結(jié)果展現(xiàn)出了很強(qiáng)的一致性。從圖10、圖11中可以看出,這種現(xiàn)象在南北半球均存在,在北半球低臭氧柱條件下衛(wèi)星的高估情況更加明顯。

圖9 全球臭氧總柱依賴性Fig.9 Global ozone total column dependence

圖10 南半球臭氧總柱依賴性Fig.10 Southern hemisphere ozone total column dependence

圖11 北半球臭氧總柱依賴性Fig.11 Northern hemisphere ozone total column dependence

3 觀測(cè)差異分析

3.1 衛(wèi)星觀測(cè)結(jié)果與地基觀測(cè)結(jié)果差異分析

造成地基Pandora與星載OMI觀測(cè)差異的原因,可能有兩個(gè)方面。一是觀測(cè)方法不同所造成的系統(tǒng)誤差,OMI數(shù)據(jù)通過(guò)衛(wèi)星遙感的手段獲取,其分辨率為13 km×24 km[32],其測(cè)量結(jié)果是這個(gè)范圍內(nèi)臭氧的平均柱濃度;而Pandora儀器屬于地基觀測(cè),觀測(cè)結(jié)果代表了站點(diǎn)所在位置上方的臭氧柱濃度。雖然對(duì)OMI數(shù)據(jù)進(jìn)行了空間插值,但還是無(wú)法精確獲得Pandora地基站點(diǎn)處的衛(wèi)星觀測(cè)臭氧柱總量數(shù)據(jù)。二是云所帶來(lái)的影響,OMI在觀測(cè)臭氧時(shí)使用天底觀測(cè)的方式,通過(guò)觀測(cè)地球大氣及表面的后向散射輻射來(lái)獲取大氣中的臭氧信息,這種觀測(cè)方式對(duì)于對(duì)流層和邊界層的臭氧不夠靈敏[32];而Pandora儀器采用天頂觀測(cè),基于差分吸收技術(shù)來(lái)反演臭氧,使用大氣臭氧斜柱總量除以大氣質(zhì)量因子(AMF)得到垂直臭氧總量,云的存在使得AMF的組成需要考慮云頂?shù)酱髿馍辖?、云的厚度以及地面到云頂三部?從而影響了Pandora儀器所觀測(cè)得到的臭氧數(shù)據(jù)精度。在平流層存在大量云時(shí),云層以下的氣體吸收結(jié)果會(huì)受到云的影響,衛(wèi)星觀測(cè)結(jié)果與地基觀測(cè)結(jié)果出現(xiàn)差異,而云以及云的各種物理特性(包括云高、云量等)都可能會(huì)造成地基Pandora與星載OMI之間觀測(cè)結(jié)果的差異[32]。

3.2 地基與衛(wèi)星觀測(cè)差異對(duì)臭氧柱總量的依耐性分析

在不同臭氧柱總量情況下,OMI衛(wèi)星監(jiān)測(cè)結(jié)果存在不同程度的高估或低估:臭氧柱總量低于220 Du時(shí),OMI臭氧測(cè)量結(jié)果高估約13%;而當(dāng)臭氧柱總量高于400 Du時(shí),OMI臭氧測(cè)量結(jié)果出現(xiàn)低估現(xiàn)象,當(dāng)臭氧柱總量達(dá)到500 Du時(shí),OMI衛(wèi)星監(jiān)測(cè)結(jié)果低估約4%。臭氧空洞出現(xiàn),是因?yàn)槲挥谄搅鲗酉路降某粞醣黄茐?平流層上方的臭氧沒(méi)有受到影響,相對(duì)下方陸地來(lái)說(shuō),臭氧減少了大約50%左右。因此在臭氧柱總量較低的時(shí)候,由于衛(wèi)星觀測(cè)時(shí)采用的天底觀測(cè)模式,在平流層上方臭氧濃度較高,所以會(huì)導(dǎo)致衛(wèi)星的測(cè)量結(jié)果明顯偏高;而在臭氧柱總量較高時(shí),臭氧濃度最大部分在20～25 km,位于平流層的中下部分,此時(shí)平流層下方臭氧濃度較高,而地基觀測(cè)采用的天頂觀測(cè)模式,因此地基觀測(cè)的結(jié)果會(huì)高于衛(wèi)星觀測(cè)的結(jié)果。

4 結(jié)論

在全球范圍內(nèi),星載OMI與地基Pandora的臭氧觀測(cè)結(jié)果表現(xiàn)出了很好的相關(guān)性和地域特征,在北半球的相關(guān)性明顯高于南半球;在全球范圍內(nèi)的大多數(shù)站點(diǎn)上,星載OMI的觀測(cè)結(jié)果普遍高于地基Pandora的觀測(cè)結(jié)果,造成這種現(xiàn)象的原因可能是由于云的存在;但在Innsbruck站點(diǎn)和Davos站點(diǎn)上,地基Pandora的觀測(cè)結(jié)果高于星載OMI的觀測(cè)結(jié)果,造成這種現(xiàn)象的原因可能和這兩個(gè)站點(diǎn)所處的地理位置有關(guān);星載OMI與地基Pandora之間的觀測(cè)差異也受到了臭氧柱總量的影響,在臭氧柱總量比較低的時(shí)候(低于220 Du,對(duì)應(yīng)于臭氧空洞條件),OMI的觀測(cè)結(jié)果相比于Pandora觀測(cè)結(jié)果高估了13%;而在臭氧柱總量高于400 Du時(shí),OMI的臭氧總量數(shù)據(jù)相比于Pandora的臭氧柱總量數(shù)據(jù)出現(xiàn)了被低估的情況,隨著臭氧柱總量越高,高估情況也越嚴(yán)重,在總臭氧柱量達(dá)到500 Du時(shí),高估達(dá)到了4%左右。