汪 可,李正強,李凱濤,許 華,侯夢雨,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中國科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院,北京 100101;3中國科學(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,是影響對流層與平流層大氣運動的重要成分之一。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]。臭氧對生物圈至關(guān)重要,它可以吸收太陽紫外波段的輻射,幫助地球阻擋宇宙中過量的紫外輻射;同時,臭氧層會吸收多余的能量,存儲于大氣中,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,對人體健康、日常生活造成影響;同時過量的紫外輻射會導(dǎo)致平流層溫度異常,影響整個地球的氣候變化,對地球生物圈造成不良影響[3-5]。自20世紀80年代首次報道臭氧層耗竭[6,7]以來,科學(xué)家對其長期趨勢進行了廣泛的研究。

上世紀20年代,英國科學(xué)家Dobson基于大氣臭氧差分吸收原理,設(shè)計研發(fā)了地基Dobson臭氧分光光度計來監(jiān)測臭氧柱含量[8],通過測量在紫外線(UV)中具有不同吸收特征的兩個波長對[9](A對:305.5 nm和325.4 nm;D對:317.6 nm和339.8 nm)獲取大氣柱臭氧含量。上世紀80年代初期,基于差分吸收原理設(shè)計的地基臭氧總量觀測儀器—Brewer分光光度計設(shè)計成功。Brewer分光光度計相比于Dobson分光光度計,在具體技術(shù)和自動化操作方面有所改進,Brewer分光光度計通過測量太陽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儀器外,地基臭氧觀測儀器還包括天光光度計、濾光片型臭氧測量儀等,基于這些儀器,科學(xué)家們建立了臭氧觀測的全球網(wǎng)絡(luò)。除了測量臭氧柱含量以外,還可獲取臭氧的垂直廓線及垂直分布信息[10-12]。

對于衛(wèi)星觀測,1970年,Nimbus 4衛(wèi)星第一次攜帶探測臭氧垂直分布的BUV探測器,BUV探測器共有12個通道,其中4個長波通道用于臭氧總量監(jiān)測,其他通道則用于臭氧垂直廓線的監(jiān)測[13],Nimbus 4衛(wèi)星的工作時間為1970–1977年。在1978年,Nimbus 7搭載了太陽紫外后向散射儀(SBUV),該探測儀具有兩種工作模式,分別為步進式和連續(xù)掃描式。SBUV從1978年開始觀測,直到1986年停止工作。Nimbus 7還搭載了臭氧總量測繪分光儀(TOMS),該傳感器適用于全球大范圍的臭氧總量監(jiān)測。這兩顆傳感器觀測原理類似,都是通過觀測太陽紫外后向散射來反演臭氧總量,兩顆傳感器協(xié)同觀測,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探測儀搭載在Meter-3衛(wèi)星上[14],觀測時間為1991–1994年。第三代TOMS搭載在ADEOS衛(wèi)星上,在1996–1997年間的持續(xù)觀測為用戶提供了臭氧的每日數(shù)據(jù)。第四代TOMS探測儀搭載在地球探測衛(wèi)星Earth Probe上,從1996年開始一直工作至今。以上四代TOMS傳感器觀測所得到的臭氧數(shù)據(jù),與后面的臭氧監(jiān)測儀(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,全球臭氧觀測儀(GOME)被研制成功并開始進行觀測獲取臭氧數(shù)據(jù),其原理與前述臭氧傳感器類似,通過觀測大氣后向散射輻射來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)射升空并開始工作,其觀測原理是基于臭氧在317 nm和331 nm兩個波段的強吸收特性對臭氧總量進行反演[14]。

衛(wèi)星遙感彌補了地基遙感在觀測時間和空間上不連續(xù)的缺陷,但由于其觀測模式不同,導(dǎo)致衛(wèi)星觀測的結(jié)果精度通常低于地基觀測的結(jié)果。因此,學(xué)者們通常以地基數(shù)據(jù)為基準,對衛(wèi)星數(shù)據(jù)進行驗證。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)站點的地基數(shù)據(jù),在25個站點上使用Dobson、Brewer儀器驗證OMI-DOAS、OMI-TOMS數(shù)據(jù);2009年,Ant′on等[17]利用5臺地基Brewer儀器,在伊比利亞半島地區(qū)對于OMI的衛(wèi)星數(shù)據(jù)進行了驗證;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OMI、GOME和SCIAMACHY三類衛(wèi)星傳感器進行了驗證;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OMI衛(wèi)星數(shù)據(jù)進行驗證;2017年,Baek等[20]利用2012年3月至2014年12月在韓國釜山、浦項的Pandora與Brewer的地基數(shù)據(jù),驗證了OMI數(shù)據(jù);同一年,Kim等[21]利用韓國首爾延世大學(xué)站點上2012年3月至2014年3月的Pandora、Brewer、Dobson的地基數(shù)據(jù),進行了OMI衛(wèi)星數(shù)據(jù)驗證。

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

本文選取了44個公布臭氧數(shù)據(jù)的PGN站點,數(shù)據(jù)時間最早從2015年7月開始,截止到2021年5月31日,將44個PGN站點數(shù)據(jù)與OMI衛(wèi)星數(shù)據(jù)集進行比較,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Pandora與OMI的觀測結(jié)果進行了分析,最后對結(jié)果進行了總結(jié)與討論。

1 儀器和數(shù)據(jù)

1.1 臭氧監(jiān)測儀(OMI)

OMI由荷蘭與芬蘭共同研制,搭載于美國2004年發(fā)射的Aura衛(wèi)星上,致力于監(jiān)測臭氧和痕量氣體(如二氧化硫、二氧化氮等),也可以觀測獲得氣溶膠、云、臭氧廓線等信息。OMI采用天底觀測的方式,通過觀測地球大氣及表面的后向散射輻射來獲取大氣中的臭氧信息。OMI傳感器的觀測波長范圍在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間只需要一天,可以測量臭氧、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紫外波段的后向散射輻射來反演獲取臭氧數(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兩人開發(fā),適用于衛(wèi)星觀測臭氧總量反演。OMI-TOMS算法主要基于以下兩點假設(shè):1)當波長大于310 nm時,臭氧總量是影響紫外后向散射輻射強度大小的最重要因素,其他氣體影響基本忽略不計;2)在進行輻射傳輸?shù)挠嬎阒?將云、地表以及氣溶膠近似看做朗伯體來處理計算。在它的V8版本算法中,采用了317.5 nm和331.2 nm的波長對,其余波長對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。該算法對太陽輻射經(jīng)過大氣后的輻射值進行對比,得到了比值光譜。而這個比值光譜就可以將太陽輻射區(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太陽光度計

Pandora太陽光度計來源于NASA Pandora項目,該項目是Pandonia全球網(wǎng)絡(luò)的一部分。該項目使用光譜學(xué)研究UV和可見光波長,以確定大氣的成分及其與地球環(huán)境的相互作用。Pandora太陽光度計使用理論太陽光譜作為參考,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測量的光譜差異歸因于大氣中存在痕量氣體(即理論太陽光譜與測量光譜之間的差異是由痕量氣體物質(zhì)的吸收引起的)。

Pandora太陽光度計主要由三部分組成,分別為傳感器頭、太陽追蹤器以及控制盒。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、準直器等組成;而太陽跟蹤器控制傳感器頭使其始終指向太陽、月亮或天空中的特定坐標,具體取決于操作軟件執(zhí)行的例程。主控制箱是堅固的大型容器,正面有兩個白色入口,光譜儀箱是一個絕緣的溫控外殼,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太陽光度計觀測反演得到的臭氧數(shù)據(jù)產(chǎn)品,其時間分辨率為2 min,最終的數(shù)據(jù)格式產(chǎn)品為hdf5。在Pandora太陽光度計的臭氧數(shù)據(jù)產(chǎn)品中,除了臭氧柱總量以外,還包含了觀測站點的經(jīng)緯度、高程、時間、觀測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太陽光度計的各項技術(shù)參數(shù)如表1所示。

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

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

表2 PGN站點觀測位置Table 2 PGN site observation position

Continued

1.3 數(shù)據(jù)處理

OMI數(shù)據(jù)來源于EarthDATA GES DISC網(wǎng)站所提供的OMI衛(wèi)星3e級每日平均臭氧數(shù)據(jù),該數(shù)據(jù)是來自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)獲取時間為2021年6月21日。Pandora觀測數(shù)據(jù)來源于http://data.pandonia-global-network.org/,由Pandora全球觀測網(wǎng)所提供,該數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)獲取時間為2021年6月1日。

來自EarthDATA GES DISC網(wǎng)站的OMI數(shù)據(jù),空間分辨率為0.25°×0.25°,反映的是一個區(qū)域內(nèi)的平均臭氧濃度。根據(jù)不同PGN站點的經(jīng)緯度信息,對數(shù)據(jù)進行雙線性空間插值處理,獲得PGN站點位置上的臭氧總量信息。對于Pandora數(shù)據(jù),為了避免與云污染和雜散光效應(yīng)相關(guān)的錯誤,使用以下標準選擇數(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)篩選標準[23,27,28]。同時,搭載OMI傳感器的Aura衛(wèi)星的過境時間約為當?shù)貢r間的01:45左右,選取該時間前后5 min內(nèi)的Pandora數(shù)據(jù)[21]并求其均值,與OMI數(shù)據(jù)進行驗證。

1.4 分析方法

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

相對誤差Rr定義為

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

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

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

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太陽光度計縮寫,數(shù)據(jù)時間為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是相同站點處OMI衛(wèi)星觀測反演所得到的臭氧總量結(jié)果,可以看出,Pandora地基觀測與OMI衛(wèi)星觀測臭氧總量的分布趨勢大致相同,但OMI衛(wèi)星觀測的結(jié)果普遍高于Pandora地基觀測的結(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個觀測站點,分析每個站點上較長時間序列的OMI臭氧產(chǎn)品和Pandora臭氧觀測結(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)達到了0.946;OMI臭氧產(chǎn)品和Pandora臭氧觀測結(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 地基觀測與衛(wèi)星測量的臭氧含量相關(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)臭氧值大是因為赤道平流層中下部的臭氧向高緯度地區(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,在此次實驗中,南半球站點數(shù)量偏少,且都位于城市之中,受人類活動影響較大,這也可能是造成地基與衛(wèi)星臭氧觀測值相關(guān)系數(shù)出現(xiàn)差異的原因。

采用簡單的雙參數(shù)線性回歸的方法分析OMI臭氧產(chǎn)品和Pandora臭氧觀測結(jié)果值之間的相關(guān)性特點。基于Pandora站點的分布特點,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臭氧總量相對差異

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

圖7 地基觀測與衛(wèi)星觀測臭氧含量的相對差異分布圖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臭氧觀測結(jié)果的臭氧柱總量之間的相對差異,造成星載OMI與地基Pandora觀測差異的原因可能是觀測方式之間的誤差或者是云的影響。數(shù)據(jù)時間從Pandora儀器安裝開始到2021年5月。OMI-DOAS與Pandora數(shù)據(jù)的差異為-1.92%～7.14%,從所有站點的結(jié)果來看,在絕大多數(shù)地區(qū),OMI衛(wèi)星的地面總臭氧觀測值是高于Pandora儀器的地面總臭氧觀測值;在越接近赤道的位置上,OMI衛(wèi)星的地面總臭氧觀測值高于Pandora儀器的地面總臭氧觀測值就越明顯;但在46.8°N～47.3°N內(nèi),Pandora儀器的地面總臭氧觀測值高于OMI衛(wèi)星的地面總臭氧觀測值。

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

2.4 臭氧總柱依賴性

在之前的許多驗證研究中,研究的特征之一是衛(wèi)星和地面之間的觀測差異對總臭氧柱的依賴性,重點是臭氧空洞條件[31]。研究衛(wèi)星觀測與地基觀測差異性對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(對應(yīng)臭氧空洞條件),OMI臭氧測量結(jié)果高估約13%;而當臭氧柱總量高于400 Du時,OMI臭氧測量結(jié)果出現(xiàn)低估現(xiàn)象,當臭氧柱總量達到500 Du時,OMI衛(wèi)星監(jiān)測結(jié)果低估約4%。當臭氧柱總量在350～400 Du之間,OMI臭氧產(chǎn)品和Pandora臭氧觀測結(jié)果展現(xiàn)出了很強的一致性。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 觀測差異分析

3.1 衛(wèi)星觀測結(jié)果與地基觀測結(jié)果差異分析

造成地基Pandora與星載OMI觀測差異的原因,可能有兩個方面。一是觀測方法不同所造成的系統(tǒng)誤差,OMI數(shù)據(jù)通過衛(wèi)星遙感的手段獲取,其分辨率為13 km×24 km[32],其測量結(jié)果是這個范圍內(nèi)臭氧的平均柱濃度;而Pandora儀器屬于地基觀測,觀測結(jié)果代表了站點所在位置上方的臭氧柱濃度。雖然對OMI數(shù)據(jù)進行了空間插值,但還是無法精確獲得Pandora地基站點處的衛(wèi)星觀測臭氧柱總量數(shù)據(jù)。二是云所帶來的影響,OMI在觀測臭氧時使用天底觀測的方式,通過觀測地球大氣及表面的后向散射輻射來獲取大氣中的臭氧信息,這種觀測方式對于對流層和邊界層的臭氧不夠靈敏[32];而Pandora儀器采用天頂觀測,基于差分吸收技術(shù)來反演臭氧,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儀器所觀測得到的臭氧數(shù)據(jù)精度。在平流層存在大量云時,云層以下的氣體吸收結(jié)果會受到云的影響,衛(wèi)星觀測結(jié)果與地基觀測結(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)都可能會造成地基Pandora與星載OMI之間觀測結(jié)果的差異[32]。

3.2 地基與衛(wèi)星觀測差異對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,OMI臭氧測量結(jié)果高估約13%;而當臭氧柱總量高于400 Du時,OMI臭氧測量結(jié)果出現(xiàn)低估現(xiàn)象,當臭氧柱總量達到500 Du時,OMI衛(wèi)星監(jiān)測結(jié)果低估約4%。臭氧空洞出現(xiàn),是因為位于平流層下方的臭氧被破壞,平流層上方的臭氧沒有受到影響,相對下方陸地來說,臭氧減少了大約50%左右。因此在臭氧柱總量較低的時候,由于衛(wèi)星觀測時采用的天底觀測模式,在平流層上方臭氧濃度較高,所以會導(dǎo)致衛(wèi)星的測量結(jié)果明顯偏高;而在臭氧柱總量較高時,臭氧濃度最大部分在20～25 km,位于平流層的中下部分,此時平流層下方臭氧濃度較高,而地基觀測采用的天頂觀測模式,因此地基觀測的結(jié)果會高于衛(wèi)星觀測的結(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)站點上,星載OMI的觀測結(jié)果普遍高于地基Pandora的觀測結(jié)果,造成這種現(xiàn)象的原因可能是由于云的存在;但在Innsbruck站點和Davos站點上,地基Pandora的觀測結(jié)果高于星載OMI的觀測結(jié)果,造成這種現(xiàn)象的原因可能和這兩個站點所處的地理位置有關(guān);星載OMI與地基Pandora之間的觀測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候(低于220 Du,對應(yīng)于臭氧空洞條件),OMI的觀測結(jié)果相比于Pandora觀測結(jié)果高估了13%;而在臭氧柱總量高于400 Du時,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,高估情況也越嚴重,在總臭氧柱量達到500 Du時,高估達到了4%左右。